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钻井液固液动压分离及固液两相流运动规律研究

杨献平  
【摘要】:本文研究了由两台等质径积激振电机自同步激励多层锥型滤网,并采用旋流分离、沉降分离、十字流分离和滤网压滤分离机理,从而实现固液两相即钻井岩屑颗粒和钻井液分离的试验装置。其主要特点是:应用了多种固液分离原理;可实现连续操作、封闭式固液动压分离。不仅提高了分离效率、有利于环保,而且还适应了低压(沙漠、海上、泡沫)钻井等新型钻井工艺技术对固控系统的要求。针对这种新型固液分离动压机开展了一系列开拓性的研究工作: (1) 基于钻井液是不可压缩的非牛顿流体和其流变特性与理想的牛顿流体存在着很大区别的特点,分析和总结了钻井液流变模型,通过试验研究分析,提出了一种新的钻井液流变模型计算方法;同时对岩屑基本性质、固相岩屑测量与颗粒尺寸分布等作了系统的研究,为合理选择动压机固液分离理论和滤网提供了理论依据。 (2) 根据机械动力学建立了动压机的自同步数学模型,运用Hamilton原理得出了双电机自同步动压机的自同步条件和同步状态稳定性条件;并结合三向异步激振电机的数学模型建立了激振电机和动压机机电耦合数学模型。 (3) 结合动压机结构和入流方式特点,提出了研究动压机内钻井液流场的数学方法,建立了动压机流场的边界条件,建立了动压机钻井液旋流流场数学模型,研究了钻井液径向、切向、轴向运动规律,并分析了动压机内的短路流和循环流问题。 (4) 研究了动压机内的湍流问题,并得出了一种较为理想的描述动压机湍流流场的N-S方程和普朗特混合长模型;建立了动压机内的振荡流数学模型,并在以上基础上讨论了岩屑颗粒在湍流中的运动规律。 (5) 从颗粒与液相介质之间的相互作用入手,相继讨论了动压机内颗粒的受力问题、轴向沉降、离心力场沉降等问题。运用BBO方程讨论了岩屑颗粒的离心沉降问题和干涉沉降问题,得出了岩屑颗粒离心沉降末速度。 (6) 研究了钻井液液相过网动力,分析了动压机内所特有的低剪切力十字流动态过滤规律;建立了动压机滤网固相颗粒运动模型,揭示了固相颗粒在振动滤网上的运动规律。 本文的研究工作属于中国石油天然气集团公司项目“钻井液固液动态压滤分离机”研究工作的一部分。理论分析和试验结果表明,本文对钻井液固液动压分离模拟试验装置相关工作机理的研究,以及在试验装置结构设计中的应用是可行的,对“钻井液固液动态压滤分离机”的相关研究工作具有参考、指导意义。


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