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粒子冲击钻井井底流场数值模拟研究

作　者: 侯德举
导　师: 徐依吉
学　校: 中国石油大学
专　业: 油气井工程
关键词: 粒子冲击钻井 FLUENT 数值模拟离散相模型井底流场
分类号: TE21
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

粒子冲击钻井技术(Particle Impact Drilling,简称PID)是一种新型的钻井技术,该技术能够有效的提高深井硬地层钻速。美国PDTI(Particle Drilling Technology Inc.)公司已经进行了理论研究与现场应用试验,目前技术已经比较成熟,但是PID钻头井底流场的优化设计等问题需要进一步研究。本文采用以数值模拟为主,并通过室内实验验证的方法对粒子冲击钻井的井底流场进行模拟研究。利用Gambit软件建立PID钻头的三维几何模型,并进行了网格划分;在钻头静止的情况下,采用标准k-ε模型和壁面函数法,选择速度入口和自由出流出口,利用Fluent软件对井底流场进行了模拟,并对其速度场、压力场以及粒子轨迹进行了模拟。模拟的内容主要包括:(1)研究钻头静止的情况下井底流场的速度及压力分布规律;(2)研究喷嘴到井底的距离变化、喷嘴的喷射角度变化以及喷嘴入口处的速度变化对井底流场的影响,并分别分析井底流场随上述因素变化的规律及产生变化的原因;(3)利用离散相模型模拟,得到粒子井底的运动轨迹,并分析粒子在速度分布及运动状况;最后通过实验验证,测得喷距、角度、压力对破岩效果的影响规律,所得的规律与数值模拟所得结果相符,由此证明数值模拟的正确性。研究成果对粒子冲击钻井技术的井底流场分析、PID钻头的水利结构优化设计具有重要的实际工程意义。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第一章前言  8-17
  1.1 PID 钻井的研究背景  8-9
  1.2 PID 钻井技术研究过程  9-11
  1.3 PID 钻头发展与研究  11-13
  1.4 井底流场数值模拟的研究现状  13-15
  1.5 研究内容以及拟解决的关键问题  15-16
    1.5.1 研究目标、内容和方法  15-16
    1.5.2 拟解决的关键问题  16
  1.6 研究的技术路线、预期成果  16-17
    1.6.1 研究方法与技术路线  16
    1.6.2 预期成果  16-17
第二章粒子冲击钻井PID 钻头物理模型的建立  17-33
  2.1 钻头物理模型的建立  17-19
  2.2 物理模型的网格化  19-22
    2.2.1 网格生成技术概述  19-21
    2.2.2 网格生成  21-22
  2.3 求解模型的确定  22-28
    2.3.1 确定湍流模型  22-23
    2.3.2 控制方程和离散方法  23-25
    2.3.3 颗粒轨道模型的方程确定  25-28
  2.4 边界条件的确定  28-31
    2.4.1 FLUENT 边界条件类型介绍  28-30
    2.4.2 入口边界  30
    2.4.3 出口边界  30-31
    2.4.4 壁面边界  31
  2.5 本章小结  31-33
第三章离散相模型对PID 钻头的井底流场模拟  33-55
  3.1 FLUENT 软件介绍  33
  3.2 离散相模型概述  33-35
    3.2.1 概述  33
    3.2.2 离散相模型的应用限制  33-34
    3.2.3 离散相模型的计算策略  34-35
  3.3 模拟结果分析  35-53
    3.3.1 井底速度场分布  37-42
    3.3.2 井底的压力场分布  42-50
    3.3.3 井底的粒子运动规律  50-53
  3.4 本章小结  53-55
第四章数值模拟的验证实验  55-64
  4.1 实验目的  55
  4.2 实验设备介绍  55-58
    4.2.1 实验原理及相关设备  55-58
    4.2.2 岩石样本的制备  58
  4.3 实验方法及步骤  58-59
  4.4 实验数据的处理  59-62
    4.4.1 不同喷距时破岩效果的变化规律  59-61
    4.4.2 不同角度时破岩效果的变化规律  61
    4.4.3 不同压力时破岩效果的影响规律  61-62
  4.5 本章小结  62-64
第五章结论  64-66
参考文献  66-68
致谢  68

粒子冲击钻井井底流场数值模拟研究

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