【摘要】：本文從粒子射流沖擊鉆井的固液兩相流加速機理及破巖機理入手,分析了五種基本類型噴嘴流道圓柱型噴嘴、錐型噴嘴、錐直型噴嘴、流線型噴嘴及橢圓型噴嘴的結(jié)構(gòu)及加速特點。建立了噴嘴的數(shù)學模型,給定粒子與鉆井液的一個較為恰當?shù)乃俣缺嚷?計算不同結(jié)構(gòu)噴嘴所需的加速軌道長度。設(shè)定統(tǒng)一參數(shù),利用FLUENT模擬五種類型噴嘴流道的加速效果及流場特性,當收縮段與圓柱段比例適當時,錐直型、流線型和橢圓型三類噴嘴的兩相流速度收斂性較好,加速效率較高。粒子射流沖擊鉆井鉆頭的中心位置的噴嘴可近似看作垂直噴射,邊緣噴嘴噴射角度由位置確定,即噴嘴位置決定了其姿態(tài)。針對入射角度為20°的噴嘴,利用FLUENT模擬了單個錐直型、流線型和橢圓型三類噴嘴的運動狀態(tài),證明流線型和橢圓型噴嘴流道較為集中,且近似等速區(qū)間距離較大,利于破巖。對粒子射流沖擊鉆井鉆頭的多噴嘴分布,截取了中心噴嘴和任意一個邊緣共兩個噴嘴的布置面,并依據(jù)此設(shè)計了粒子射流沖擊鉆井鉆頭的流道。距離中心噴嘴30mm處分布四個邊緣噴嘴,相鄰兩邊緣噴嘴與中心噴嘴的連線呈90°夾角。建立中心噴嘴和邊緣噴嘴兩個噴射流道的模型,模擬噴嘴的結(jié)構(gòu)、位姿對粒子和鉆井液的加速效果的影響,證明噴嘴存在入射角度時,降低了噴射能量轉(zhuǎn)化率。建立整體噴嘴的模型,研究鉆井液和粒子滿足破巖效果時,靜態(tài)和旋轉(zhuǎn)流場的井底壓力狀態(tài),并根據(jù)粒子射流沖擊鉆井技術(shù)的環(huán)空流動規(guī)律、攜巖機理,保證了在正常運作時,鉆井液可攜帶粒子和巖屑上返的井底流場的清理。利用實驗室改裝的粒子射流沖擊試驗設(shè)備,對粒子射流沖擊破巖進行了模擬研究,通過試驗,證明了所設(shè)計的噴嘴流道可以滿足鉆井需要,相對于錐直型噴嘴的破巖效果,流線型噴嘴流道破巖效果較好。
[Abstract]:Starting from the acceleration mechanism of solid-liquid two-phase flow and rock breaking mechanism of particle jet impinging drilling, this paper analyzes five basic types of nozzle flow channel cylindrical nozzle, cone-straight nozzle. Structure and acceleration characteristics of streamline nozzle and elliptical nozzle. The mathematical model of the nozzle is established. Given a more appropriate velocity ratio of the particle to the drilling fluid, the accelerating track length required by the nozzle with different structures is calculated. The uniform parameters are set and the acceleration effect and flow field characteristics of five types of nozzles are simulated by FLUENT. When the ratio of the contraction section to the cylindrical section is appropriate, the velocity convergence of the two-phase flow is better for the cone-straight, streamlined and elliptical nozzles. The acceleration efficiency is high. The nozzle at the center of the particle jet impingement drilling bit can be regarded as a vertical jet approximately. The jet angle of the edge nozzle is determined by the position, that is, the position of the nozzle determines its attitude. For the nozzle with an incident angle of 20 擄, the movement state of a single straight cone nozzle, streamline nozzle and elliptical nozzle is simulated by FLUENT. It is proved that the flow channels of streamline and elliptical nozzles are more concentrated, and the approximate isokinetic interval distance is larger, which is favorable to rock breakage. For the multi-nozzle distribution of particle jet impingement drilling bit, the layout surface of two nozzles with center nozzle and any edge is intercepted, and the flow channel of particle jet impinging drilling bit is designed. Four edge nozzles are distributed from the center nozzle 30mm, and the connection between the adjacent two edge nozzles and the center nozzle is 90 擄angle. A model of two injection channels, the central nozzle and the edge nozzle, is established to simulate the structure of the nozzle and the effect of the orientation on the acceleration effect of the particle and the drilling fluid. It is proved that the injection energy conversion rate is reduced when the nozzle has an incident angle. The model of integral nozzle is established to study the bottom hole pressure state of static and rotating flow field when drilling fluid and particles satisfy the rock breaking effect. According to the annulus flow law of particle jet impingement drilling technology, the carrying mechanism of rock is ensured in normal operation. Drilling fluid can carry particles and cuttings back up the bottom-hole flow field cleaning. In this paper, the particle jet impingement test equipment is used to simulate the impact of particle jet on rock breaking. Through the experiment, it is proved that the designed nozzle runner can meet the requirements of drilling, and the rock breaking effect is compared with that of conical straight nozzle. The flow channel of streamline nozzle has good rock breaking effect.
【學位授予單位】：東北石油大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TE92

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本文編號：2317894