扭力冲击器工作特性及关键零部件冲蚀影响因素研究

作     者：梁涛 

作者单位：西南石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈勇

授予年度：2019年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 082001[工学-油气井工程] 08[工学] 

主      题：冲蚀 DPM模型 中心管 分流盖 拔叉开关 

摘      要：扭力冲击器在深井复杂地层的使用过程中,高密度泥浆携带固相颗粒,以一定的运动方式持续冲击工具内部,造成冲蚀失效破坏,缩短了扭力冲击器的工作寿命。鉴于此,有必要开展复杂工况条件下,扭力冲击器系统内部冲蚀机理研究。本文依托流体力学和数值模拟的方法,对扭冲关键结构:中心管、分流盖、拔叉开关进行冲蚀仿真。以中心管为主体,分析内部冲蚀变化规律,得到相关冲蚀速率云图,从而确定其易损部位,为后续优化措施的制定提供参考依据。本文主要研究内容和结论如下:(1)建立(?)194mm扭力冲击器三维模型。对扭力冲击器的设计思路、结构特点与工作原理进行概述,为后续的冲蚀仿真模拟提供模型依据。(2)确立了扭力冲击器关键零部件的冲蚀机理,得到相关冲蚀影响因素,为接下来的研究提供理论基础。在固液两相流动理论和流体动力学的基础上,建立中心管冲蚀理论模型。对有限元仿真中所涉及到的参数设定、算法抉择、边界条件设置以及流场模型的选用,进行简要说明,为后续中心管冲蚀仿真提供理论支撑。(3)以中心管为主体进行网格无关性验证,并以y+判据为评定标准。通过控制变量法对中心管进行多组冲蚀仿真,将所得y+值进行对比分析,为更好的的确定网格划分方式提供理论支撑,防止由于网格划分差异导致仿真误差。并将其冲蚀仿真结果与实例中冲蚀破损的中心管进行对比,分析得到两者受损情况、位置大致一样,误差在5%左右。(4)针对中心管、分流盖、拔叉开关进行冲蚀模拟分析,提出中心管的两种结构优化备选方案,发现具有圆弧过渡形结构的中心管,对于减缓冲蚀影响有一定的作用。其次,通过控制变量法对中心管进行冲蚀仿真,通过多组冲蚀对比实验,得到其冲蚀规律为:①冲蚀速率随流速的增加而增加;②冲蚀速率随固相颗粒质量流量的增加而增加;③冲蚀速率随颗粒直径的增大而减小,但是,当颗粒直径超过某一临界值时,冲蚀速率不再随其变化,而是基本保持不变;④冲蚀速率随颗粒形状系数的增加而减小。结合上述冲蚀数据,将相关冲蚀影响因素导入灰色关联中的算法模型进行计算,最终得出:量化指标中,流速对冲蚀的关联度最大。因此,对于减缓中心管壁面冲蚀,控制流速是关键点。(5)通过数值模拟结果,可以较为准确地定位扭力冲击器易损位置,从而提出相应的预防措施。在现场工作中,对易损部位进行局部加厚,或在易损处喷涂抗冲蚀材料等,避免由于扭力冲击器内部件的冲蚀破坏引起钻进效率的损失。