粒子冲击钻井中粒子流动特性的数值模拟及相关试验研究
粒子冲击钻井技术作为专门针对深井硬质地层钻探的新型钻井技术，由于其自身的优点，近些年的研究发展非常迅速。在粒子冲击钻井技术中，球形钢质粒子（以下简称“粒子”）能否随钻井液从井筒底部成功上返及上返的相关规律是决定该技术可行性的重要因素，同时钻井液携带粒子流动过程中粒子对钻杆冲蚀磨损程度是否会直接影响该系统的使用寿命也是值得研究的问题。本文首先通过模拟和试验研究了粒子在环空中上返相关规律问题，并借助量纲分析理论建立数学模型，描述了环空间隙和流体临界上返速度之间的关系，然后利用试验研究了粒子对钻杆的磨损情况。
本文研究主要采用模拟和试验两个方法，模拟采用的是FLUENT软件，试验所用试验台为自主设计搭建。
针对粒子环空返流问题，利用软件模拟了清水和四种不同黏度的泥浆携带粒子分别在不同环形空间上返，根据模拟的粒子体积分数图和速度矢量图确定出环空中流体临界上返速度，并结合量纲分析方法推导出环空间隙和粒子粒径比（以下简称“间隙粒径比”）与粒子雷诺数、间隙粒径比与粒子弗劳德数、环空间隙与临界上返速度三个经验公式。由公式可知，随着间隙粒径比逐渐增大，粒子雷诺数和粒子弗劳德数渐渐减小，而且随着环空间隙逐渐增大，临界上返速度逐渐减小。
试验研究了粒子环空返流和粒子对钻杆冲蚀磨损两个问题。在粒子环空返流试验中，通过观察测出清水携带粒子分别在不同环形空间成功上返时清水的临界上返流量，并结合量纲分析方法推导出间隙粒径比与粒子雷诺数、间隙粒径比与粒子弗劳德数、环空间隙与临界上返速度三个经验公式。由公式可知，随着间隙粒径比逐渐增大，粒子雷诺数和粒子弗劳德数渐渐减小，而且随着环空间隙逐渐增大，临界上返速度逐渐减小，并且通过与模拟结果的分析对比，进而用试验验证了模拟。在钻杆磨损试验中，利用电子秤称出粒子对三种不同形状钻杆冲蚀相同时间三种钻杆的质量变化，并求出钻杆单位长度磨损量。由磨损量结果得知，三种钻杆单位长度磨损量随着冲蚀时间的增加而逐渐增大，但是三种钻杆粒子对其的磨损量都很小，可忽略不计。
粒子冲击钻井;环空间隙;冲蚀磨损;临界流速;量纲分析;粒子流动特性;数值模拟
北京化工大学
硕士
机械电子工程
张杨
2012
中文
TE249
83
2012-11-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）