钻井液离心机工作理论研究

论文摘要

随着钻井工艺和钻井技术的迅速现代化，对钻井过程中传统的固控设备和环节以及固控的效率也提出更高的要求。传统的固控流程和装备，已不能满足现代化钻井的需要。高效、节能、环保、智能化的固控装备和流程，已逐渐成为现代化固相控制技术的迫切发展方向。 本文系统的分析了固控技术和相关设备的发展状况以及存在的问题，并探讨了固控技术和设备的发展方向。为此，大容量、中低速离心机的开发与推广，已成为简化固控环节、提高固控效率、封闭固控流程的重要环节。然而，目前我国在钻井液离心机的研制方面，尚处在仿制和靠进口的阶段，国内相关的、系统的研究理论和方法还未深入，同时，国际上相关的基础理论和数据资料，以及研究方法还处于不公开状态，要想开发拥有自主知识产权，和世界技术接轨的钻井液离心机，使我国的固控工艺达到国际水平，更好的服务于我国石油工业，尚需我们展开大量的基础性理论研究。 本论文就是这系统工程中的一部分，针对目前钻井液处理用螺旋沉降离心机在理论研究方面的不足以及现场应用中所存在的问题，进行了详实的基础理论分析和探讨，建立了相应的数学模型，为客观认识离心机的工作特性，准确的把握钻井液离心机的工作参数提供了有价值的理论参考。 本论文的研究工作主要体现在以下几个方面： （1）通过广泛查阅、检索国内外文献资料，深入分析了钻井液固控系统在现场使用中的情况，论述了国内外固控技术中各个固控环节设备的技术和使用现状，找到了固控环节及其设备存在的主要问题，提出了新的固控方法和具体方案； （2）钻井液离心机的处理量不仅取决于沉降条件，还受排渣能力及功率的限制。本论文针对钻井液特有的流变特性以及钻井液离心分离过程的干涉、紊流等因素的影响，对传统的钻井液离心机进行了沉降过程的重新建模，并对固相颗粒的运移和动力学规律进行了更深入的讨论和分析，阐明了转鼓中颗粒运动的动力学特性，建立了相关的动力学方程，同时还给出了简化后的求解方程； （3）对目前最新型的钻井液离心机进行了结构和理论分析，讨论其结构的合理性和与传统离心机的不同，并结合N-S方程，运用流体力学基本理论，给出了该机型处理量计算的公式。 （4）针对钻井液离心机的振动问题，综合考虑各种因素，进行了数学分析，建立了钻井液离心机的振动力学模型，为离心机的动平衡研究和测试提供了理论依据；同时考虑了钻井液偏置、钻井液粘性阻尼等动态参数的影响，具体分析了影响钻井液离心机临界转速的各种因素。 （5）本文还应用前面得出的相关数学模型，结合WL450型离心机以及国外HS-2172

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 本论文研究目的和意义
• 1.3 论文研究内容、技术路线及主要创新点
• 1.3.1 论文的研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 1.3.3 本文的主要创新点
• 2 钻井液固控技术及设备的现场实践与展望
• 2.1 钻井液固控系统概述
• 2.1.1 固控技术发展现状
• 2.1.2 固控技术存在的问题
• 2.1.3 固控系统的发展方向
• 2.2 钻井液离心机概述
• 2.2.1 钻井液离心机在钻井液固控系统中的应用
• 2.2.2 钻井液离心机的发展水平
• 2.2.3 钻井液离心机现场应用中的主要问题
• 2.2.4 钻井液离心机的发展方向
• 2.2.5 钻井液离心机理论研究关键技术
• 3 钻井液离心机沉降机理研究
• 3.1 钻井液固相颗粒在钻井液中的自由沉降分析
• 3.1.1 钻井液的性能及其流变参数分析
• 3.1.2 钻井液固相颗粒沉降问题概述
• 3.1.3 沉降钻井液固相颗粒在钻井液中的受力分析
• 3.1.4 钻井液固相颗粒沉降阻力与阻力系数
• 3.1.5 钻井液固相颗粒极限沉降末速与临界尺寸
• 3.1.6 钻井液固相颗粒在沉降中的颗粒流
• 3.2 钻井液固相颗粒在离心力场中的干涉沉降分析
• 3.2.1 钻井液固相颗粒在离心力场中的自由沉降
• 3.2.2 沉降速度的简化计算式
• 3.2.3 钻井液固相颗粒在离心力场中的干涉沉降
• 3.3 实现钻井液中固相分离的最小分离因数
• 3.4 分离因数与离心机分离中点的关系
• 4 钻井液离心机固相颗粒运动学分析及试验研究
• 4.1 离心力场中钻井液流动速度分析
• 4.1.1 流场理论的概述
• 4.1.2 基于∑理论的钻井液流速分析
• 4.2 紊流状态下离心力场中钻井液流动速度的分析
• 4.3 钻井液固相颗粒在离心力场中运动速度的分析
• 4.4 钻井液离心机按沉降条件计算处理量的试验研究
• 4.4.1 钻井液离心机处理量公式的求解
• 4.4.2 钻井液离心机处理量公式的具体应用
• 4.4.3 钻井液离心机处理量的实验研究
• 4.5 钻井液离心机转鼓当量沉降面积∑的计算
• 4.5.1 目前几种类型转鼓的当量沉降面积计算
• 4.5.2 基于本文观点的当量沉降面积计算
• 5 钻井液离心机固相颗粒动力学分析及试验研究
• 5.1 螺旋叶片垂直于锥面时钻井液固相颗粒动力学分析
• 5.1.1 不考虑加速度时钻井液固相颗粒滑移动力学分析
• 5.1.2 考虑加速度时钻井液固相颗粒滑移动力学分析
• 5.2 螺旋叶片不垂直于锥面时沉淀后的钻井液固相颗粒动力学分析
• 5.2.1 钻井液固相颗粒受力分析
• 5.2.2 钻井液固相颗粒固相微粒的运动速度分析
• 5.3 数学模型的简化与关键参数的求解
• 5.3.1 力学模型的简化
• 5.3.2 关键参数的求解
• 5.4 钻井液离心机几何参数的讨论与试验研究
• 5.4.1 螺旋叶片倾角θ对工作特性的影响
• 5.4.2 溢流堰高度及沉降区的长度对处理能力的影响
• 5.4.3 螺旋的倒角及头数对功率消耗的影响
• 6 加速型钻井液离心机内部流场研究与现场实践
• 6.1 关于加速型钻井液离心机
• 6.1.1 HS-2172型钻井液离心机简介
• 6.1.2 HS-2172型钻井液离心机技术革新
• 6.2 加速型离心机内部流场分析
• 6.2.1 随动坐标系中的N-S方程及边界条件的确定
• 6.2.2 钻井液相对于转鼓有周向滞后的数学模型-传统分离模式
• 6.2.3 钻井液悬浮液相对于转鼓无周向滞后现象-有进料加速器模型
• 6.3 处理能力的计算
• 6.3.1 没有加速分离器的数学模型
• 6.3.2 有加速分离器的数学模型
• 6.4 实例计算与现场实践
• 7 钻井液离心机振动特性分析
• 7.1 钻井液离心机振动力学模型
• 7.2 钻井液离心机振动固液耦合模型
• 7.2.1 影响钻井液离心机临界转速的因素
• 7.2.2 螺旋推料阻尼的计算模型及其分析
• 8 结论与展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 后继研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录