（機械設計及理論專業(yè)論文）海底泥漿舉升鉆井用葉片圓盤泵研究.pdf

摘要 本文結合國家科技重大專項項目“海洋深水油氣田開發(fā)工程技術”子課題“海底泥 漿舉升鉆井技術研究”，系統(tǒng)開展海底泥漿舉升葉片圓盤泵內流機理、設計方法及應用 研究，通過理論分析、數(shù)值計算和試驗研究，在葉片圓盤泵工作機理、泵內固液兩相流 動規(guī)律、葉片圓盤泵結構參數(shù)與水力性能關系等方面取得較大研究進展，本文的主要研 究內容和主要研究成果總結如下： l 葉片圓盤泵單相流動規(guī)律研究 分析葉片圓盤泵結構特點，建立葉片圓盤泵流體動力學模型，進行數(shù)值模擬結果有 效性的試驗驗證。分析單相流動條件下葉片圓盤泵葉輪葉片區(qū)和無葉區(qū)流體速度和壓力 分布規(guī)律。與葉片區(qū)內流動一樣，無葉區(qū)內絕對速度主要以旋轉流動為主，旋流是葉輪 內的主體流動，葉輪無葉片區(qū)內流體絕對速度要小于葉輪葉片區(qū)內流體絕對速度，葉輪 軸截面內的速度分布關于中間軸截面有很好的對稱性，葉輪各軸截面內都存在軸向流 動，其方向主要由葉片區(qū)指向無葉區(qū)，無葉區(qū)內存在徑向回流，在兩葉片軸向相對的無 葉區(qū)壓力比相應的葉片區(qū)要低。 2 計片圓盤泵內固液兩相流動規(guī)律研究 基于心g ( r e n o r m a l i z a t i o ng r o u p ) k - e 湍流模型和歐拉多相流模型，對葉片圓盤泵 內固液兩相流動進行數(shù)值模擬，分析葉輪內顆粒分布的一般規(guī)律和顆粒性質對顆粒分布 及水力性能的影響。固相體積分數(shù)分布的分析結果表明：固相顆粒大部直接從無葉區(qū)排 出而不經(jīng)過葉片區(qū)，葉片區(qū)內離無葉區(qū)越遠，顆粒分布越少：葉片工作面附近的顆粒濃 度大于吸力面的的濃度，葉輪入口的顆粒濃度大于出口處的濃度。隨顆粒直徑的增大， 無葉區(qū)內顆粒濃度相對增加：顆粒體積分數(shù)變化，顆粒在無葉區(qū)和葉片區(qū)分布的比例關 系幾乎不變；液相密度不變，顆粒密度增大，無葉區(qū)顆粒濃度相對增大；葉輪葉片表面 顆粒濃度要大于圓盤表面顆粒濃度；葉輪葉片高度和盤間距的比值在0 4 至0 5 5 之間，葉 輪表面顆粒分布相對較小。 3 腫片圓盤泵結構參數(shù)與泵性雒關系硯究 建立水力性能預測模型，針對不同葉輪結構參數(shù)和不同型式壓水室的葉片圓盤泵進 行性能預測，總結葉輪結構參數(shù)對泵性能參數(shù)的影響規(guī)律；通過對葉輪結構參數(shù)相關尺 寸的正交優(yōu)化設計，得到葉輪進口內徑、葉輪直徑、葉片高度和盤間距對葉片圓盤泵性 能影響的主次順序；通過對不同壓水室和葉輪匹配泵的性能預測，比較三種壓水室對泵 水力性能和葉輪受力性能的影響。通過定義揚程系數(shù)和流量系數(shù)，提出適合于葉片圓盤 泵水力設計的統(tǒng)一形式的經(jīng)驗系數(shù)設計法；基于優(yōu)秀的數(shù)字化水力模型，得到水力設計 經(jīng)驗系數(shù)與比轉速的關系。 4 葉片圓盤泵葉輪切割性能研究 葉輪切割是擴大泵的使用范圍和提高泵使用經(jīng)濟性的主要方法，為研究葉片圓盤泵 的切割定律型式，對兩種結構參數(shù)葉輪進行葉輪切割性能數(shù)值試驗，分析葉片圓盤泵葉 輪切割后性能曲線和切割線的變化規(guī)律，并與基于兩種不同假設的離心泵切割定律預測 的結果進行比較，分析最佳效率點效率隨葉輪切割量的變化關系。 5 樣機研制和水力性能試驗研究 利用提出的葉片圓盤泵葉輪水力設計方法設計加工樣機，并進行樣機水力性能保證 試驗：對樣機進行輸送清水和三種不同粘度泥漿的變速性能試驗，分析研究相似律關系 對葉片圓盤泵的適用性；對樣機進行恒定壓力模式試驗，試驗葉片圓盤泵調運保持泵壓 力恒定工作的能力。 關鍵詞；葉片圓盤泵；內部流動；數(shù)值模擬；性能預測；設計方法；葉輪切割；樣機 試驗 r e s e a r c h0 1 1t h eb l a d ed i s kp u m pf o rs u b s e am u d l i f ld r i l l i n g z h o uc h a n 薊i n g ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f c h e r tg u o m i n g a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nd e s i g nm e t h o da n di t sa p p l i c a t i o nf o rb l a d ed i s cp u m p 南r s u b s e am u d l i t td r i l l i n g ，p l e n t yo fp r o g r e s sh a sb e e nm a d e0 1 1t h ew o r k i n gm e c h a n i s m ， s o l i d l i q u i dt w o p h a s ef l o wc h a r a c t e r i s t i c ，s t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dh y d r a u l i cp e r f o r m a n c e r e l a t i o n s h i po fb l a d ed i s cp u m pb ym e a n so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h t h em a i nw o r k s a r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 r e s e a r c ho i ls i n g l ep h a s ef l o wm e c h a n i s m 沁b l a d ed i s cp u m p a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fb l a d ed i s cp u m p ，f l u i dd y n a m i c sm o d e io f b l a d ed i s cp u m pw a se s t a b l i s h e d ，t h e3 - dt u r b u l e n tf l o wi nt h ei m p e l l e r si ss i m u l a t e d ，a n d e x p e r i m e n t a iv e r i f i c a t i o no fs i m u l a t i o nr e s u l tw a sc o n d u c t e d t h ed i s t r i b u t i o no fv e l o c i t y v e c t o r s ，v e l o c i t yc o n t o u r sa n dp r e s s u r ei nb l a d e l e s sz o b ca n db l a d ez o n eo fi m p e l l e rw a s a n a l y z e du n d e rt h ec o n d i t i o no fs i n g l ep h a s e ，r o t a t i o nf l o wi sc o n s i d e r e da st h em a i nf l o wi n t h ei m p e l l e r , a b s o l u t ev e l o c i t yi nt h eb l a d e l e s sz o n eo fi m p e l l e ri 5l e s st h a to fb l a d ez o n e t h e a x i a lf l o wo ff l u i de x i s ti ne a c ha x i sg lo s s s e e t i o i lo ft h ei m p e b e r , t h ed i r e c t j o no ff l o wf r o mt h eb l a d e z o l ea r p , , ap o i n tt ob l a d e l e s sz o n e ，t h er a d i a 】b a c k f l o we x i s ti nb l a d e e s s2 0 n eo fi m p e l l wa n dt h es t a t i c p r e s s u r ei nt h eb l a d e l e s sz o n ei sl o w e rt h a to f t h eb l a d ez o n e 2 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs o l i d l i q u i dt w op h a s ef l o wm e c h a n i s mi nb l a d ed i s cp u m p t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nw a sp e r f o r m e df o rt h es o l i d - l i q u i dt w op h a s et u r b u l e n t f l o wi nb l a d ed i s cp u m pb yu s i n g f l u e n t s o f t w a r ew i t he u l e r m u l t i p h a s e f l o w m o d e l 、e x t e n d e ds i m p l e ca l g o r i t h ma n dr n g ( r e n o r r m l i z m i o ng r o u p ) k - et u r b u l e n tm o d e l f r o mt h ec o m p u t e di n f o r m a t i o n ，s ol i dp a r t i c l e sm a i n l ya c c u m u l a t ei nb l a d e l e s sz o n eo f j r e p e l l e r a n di nb l a d cz o n eo fi m p e l l e rm a x i m a lv o l u m ef r a c t i o no fs o l i dp a r t i c l e si s0 1 1t h e p r e s s u r es u r f a c eo fb l a d en e a rt h ee x i to fi m p e l l e rc l o s et ob l a d e l e s sz o n eo fi m p e l l e r t h e d i s t r i b u t i o no fs o l i dp a n i c l e so fd i f f e r e n tp a r t i c l es i z e sa n dd i f f e r e n tv o l u m ef r a c t i o n s ，a n d d i f f e r e n ts p e c i f i c g r a v i t i e sw e r eo b t a i n e d 丁h er e s u k si n d i c a t e dt h a ts p e c i f i cg r a v i t ya n d p a r t i c l ed i a m e t e r ，w h i c ha r et h en a t u r eo fp a r t i c l e s ，h a dm o r ei n f l u e n c eo i lt h ed i s t r i b u t i o no f s o l i dp a r t i c l e s p a r t i c l e sw i t hl a r g es p e c i f i cg r a v i t yv a l u ea n dd i a m e t e rw e r ee a s yt ot r e n dt o b l a d e l e s sz o n eb yt h ee f f e c to fi n e r t i af o r o e t h ev ol u m ef r a c t i o na l s oh a dl e s se f f e c ti n p a r t i c l ed i s t r i b u t i o n , a n dp a r t i c l ev o l u m ef r a c t i o nd i s t r i b u t i o na l o n gi m p e l l e rs u r f a c ew a s c a l c u l a t e d ，p a r t i c l ev o l u m ef r a c t i o no f b l a d es u r f a c ei sm o r et h a nt h a to fi m p e l l e rp l a t es u r f a c e a n dp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o no f d r i v e ni m p e l l e ri sl e s st h a nt h a to f d r i v i n gi m p e l l e r 3 r e s e a r c ho ur e l a t i o n s h i pb e t w e e nh y d r a ul i cp e r f o r m a n c ea n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r s f o rb l a d ed i s cp u m p h y d r a u l i cp e r f o r m a n c ep r e d i c t i o nm o d e l i s e s t a b l i s h e d ，p u m pp e r f o r m a n c eo fd i s cp u m p w a sp r e d i c t e df o rd i f f e r e n ti m p e l l e rs t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dd i 虢r e n tv o l u t et y p ea n d i n f l u e n c eo fi m p e l l e rs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so np u m ph y d r a u l i cp e r f o r m a n c ew a sa n a l y z e d t h r o u g hc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s ，t h eh i g h e ra n dl o w e ri m p a c to fh y d r a u l i cp e r f o r m a n c ew a s o b t a i n e df o ri n n e rd i a m e t e ro fi m p e l l e r ，o u t e rd i a m e t e ro fi m p e l l e r ，h e i g h to fb l a d ea n ds p a c e o f d i s c h y d r a u l i cp e r f o r m a n c eo f b l a d ed i s cp u m pw a sp r e d i c t e df o rm a t c h i n go f t h ed i f f e r e n t v o l u t ea n dt h es a m ei m p e l l e r ，i m p a c to ft h r e ev ol u t et y p eo nt h ep u m ph y d r a u l i cp e r f o r m a n c e a n di m p e l l e rs u f f e rf r o mr a d i a lf o r c e t h ee x p e r i e n t i a lc o e f f i c i e n td e s i g nm e t h o do fb l a d ed i s c p u m pw i t hh i g h - e f f i c i e n c yb a s e do nc a l c u l a t i o nf o r m u l ai n c l u d i n gh e a dc o e f f i c i e n ta n df l o w c o e f f i c i e n tw a sp r e s e n t e d ，b a s e do ne x c e l l e n td i g i t a lh y d r a u l i cm o d e lg e tt h eh y d r a u l i cd e s i g n e x p e r i e n c ec o e f f i c i e n ta n ds p e c i f i cs p e e dr e l a t i o n s h i p 4 r e s e a r c h0 1 1t h et r i m m i n gp e r f o r m a n c eo fi m p e l l e rf o rb l a d ed i s cp u m p i m p e l l e rt r i m m i n gi s ac o m n l o np r a c t i c ep e r f o r m e db yp u m pm a n u f a c t u r e r sa n du s e r s w h e ni ti sn e c e s s a r yt oa d j u s tt h ep u m ph e a da n df l o wt ot h ea c t u a ln e e d s i no r d e rt os t u d y t h et r i m m i n gl a wo fb l a d e d i s cp u m p ，t w ok i n d so fi m p e l l e rw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e p a r a m e t e r sw e r et r i m m i n ga n dn u m e r i c a ls i m u l m i o n t e s tw a sc o n d u c t e d ，p e r f o r m a n c ec u r v e a n dt r i m m i n gl i n eo fp u m pw a so b t a i n e d , a n db a s e do nt h ea s s u m p t i o no ft w ok i n d so f c e n t r i f u g a lp u m pt r i m m i n gt h e o r yt op r e d i c t t h er e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t hr e s u ko f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e s t , e f f i c i e n c yo fp u m pa tt h eb e s te f f i c i e n c yp oi n tw i t ht h et r i m m i n g q u a n t i t yc h a n g ea r ea n a l y z e d 5 p r o t o t y p ed e s i g n i n ga n de x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho nh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so f p r o t o t y p e p r o t o t y p eo fd i s cb l a d ep u m p w a sd e s i g n e da c c o r d i n gt od e s i g nm e t h o dp r e s e n t e di nt h i s p a p e r ，a n dp r o t o t y p eh y d r a u l i cp e r f o r m a n c eg u a r a n t e et e s tw a sp e r f o r m e d t h ep e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i co ft h ep r o t o t y p eh a sb e e ne v a l u a t e da tt h r e es p e e d sw i t hw a t e ra sw e l la sm u do f t h r e ed i f f e r e n tv i s c o s i t i e st oe s t a b l i s ht h ea p p l i c a b i l i t yo fa f f i n i t yr e l a t i o n st ot h ep r o t o t y p e t h ea b i l i t yt om a i n t a i nc o n s t a n tp r e s s u r eo fp r o t o t y p eh a sb e e ne v a l u a t e db ym e a n so f c o n s t a n tp r e s s u r em o d et e s to ft h ep r o t o t y p e k e yw o r d s ：b l a d ed i s cp u m pe ；i n n e rf l o w ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n ； d e s i g nm e t h o d ；i m p e l l e rt r i m m i n g ；p r o t o t y p et e s t 表格目錄 表3 1 固液兩相模擬流體的基本參數(shù)3 0 表3 2 鉆井液中固相顆粒尺寸分布3 9 表4 1 相對誤差分析表“ 表4 2 正交試驗方案表5 l 表4 3 最佳效率點匯總表5 1 表4 - 4 最佳效率點揚程和效率極差計算表5 2 表5 1 葉輪的最大切割量6 1 表5 2 數(shù)值試驗葉輪的主要性能與結構參數(shù)6 l 表5 3 葉輪切割次數(shù)和切割量6 2 表5 - 4 葉輪切割前后最佳效率點性能參數(shù)的變化6 5 表5 5 葉輪切割量與最佳效率7 l 表6 1 三種壓水室葉片圓盤泵受力預測結果8 2 表7 1 葉片圓盤泵結構參數(shù)8 6 表7 2 容差系數(shù)規(guī)定值。8 7 表7 3 泵送不同粘度流體時泵在最佳效率點流量( b e p ) 和7 5 b e p 的性能。9 3 插圖目錄 圖1 1 圓盤葉輪示意。4 圖2 1 葉輪三維圖1 5 圖2 2 壓水室三維圖1 5 圖2 3 計算區(qū)域。1 6 圖2 4 計算網(wǎng)格1 7 圖2 - 5 數(shù)值預測與試驗弘9 曲線對比1 8 圖2 6 數(shù)值預測與試驗， 一q 曲線對比1 9 圖2 7 分析截面示意圖1 9 圖2 8 絕對速度矢量圖2 0 圖2 9 絕對速度等值線圖2 l 圖2 10 周向速度等值線圖2 2 圖2 1 1 軸向速度等值線圖2 3 圖2 1 2 徑向速度等值線圖2 4 圖2 。1 3 靜壓等直線圖2 5 圖2 1 4 總壓等直線圖2 6 圖2 1 5 葉片圓盤泵工作原理示意圖2 7 圖3 1 葉輪內速度矢量3 2 圖3 2 葉輪內顆粒濃度分布3 4 圖3 3 粒徑不同時顆粒濃度分布等值線圖3 5 圖3 - 4 顆粒直徑不同時葉輪表面顆粒濃度變化3 5 圖3 5 濃度不同時顆粒濃度分布等值線圖3 6 圖3 6 濃度不同時葉輪表面顆粒濃度變化3 7 圖3 7 顆粒密度不同時顆粒濃度分布等值線圖3 8 圖3 8 顆粒密度不同時葉輪表面顆粒濃度變化3 8 圖3 9 不同顆粒直徑弘q 曲線4 0 圖3 1 0 不同顆粒直徑，7 - q 曲線4 l 圖4 1 試驗用模型泵“ 圖4 2 數(shù)值預測與試驗皿q 曲線對比“ 圖4 3 數(shù)值預測與試驗，7 一q s 線對比4 5 圖4 4 不同外徑b q 曲線4 5 圖4 - 5 不同外徑野一q 曲線4 6 圖4 6 不同葉片高度弘g 曲線4 6 圖4 7 不同葉片高度，7 q 曲線4 7 圖4 8 不同盤問距皿p 曲線4 7 圖4 9 不同盤問距野9 曲線4 8 圖4 1 0 不同葉輪內徑肛q 曲線4 8 圖4 1 l 不同葉輪內徑，7 9 曲線4 9 圖4 1 2 不同葉片數(shù)皿p 曲線4 9 圖4 - 1 3 不同葉片數(shù)卵9 曲線5 0 圖5 1 不同比轉速葉輪5 8 圖5 2 葉輪切割拋物線與切割線5 9 圖5 3d i s c p 2 0 0 3 6 1 0 葉輪切割前后肛q 曲線6 3 圖5 - 4d i s c p 2 0 0 3 6 1o 葉輪切割前后- q 曲線6 3 圖5 5d i s c p 2 0 0 3 6 10 葉輪切割前后，7 q 曲線6 3 圖5 6d i s c p 2 2 5 3 2 8 葉輪切割前后肛q 曲線6 4 圖5 7d i s c p 2 2 5 3 2 8 葉輪切割前后- q 曲線6 4 圖5 8d i s c p 2 2 5 3 2 10 葉輪切割前后，7 q 曲線“ 圖5 9 葉輪切割前后最佳效率點工況性能參數(shù)變化6 5 圖5 1 0d i c p 2 0 0 3 6 1 0 切割后數(shù)值試驗曲線與切割定律預測曲線的比較6 7 圖5 1ld i c p 2 2 5 3 2 8 切割后數(shù)值試驗曲線與切割定律預測曲線的比較6 9 圖5 1 2 葉輪切割后最佳效率點工況性能數(shù)值試驗與切割理論預測值對比7 0 圖5 1 3 葉輪切割后最佳效率點工況效率的變化7 1 圖6 1 壓水室結構示意7 4 圖6 2 壓水室三維模型7 6 圖6 3 壓水室8 個截面位置7 6 圖6 - 4 螺旋壓水室各斷面速度分布7 7 圖6 5 準螺旋壓水室各斷面速度分布7 7 圖6 6 環(huán)形壓水室各斷面速度分布7 8 圖6 7 螺旋壓水室各斷面壓力7 8 圖6 8 準螺旋壓水室各斷面壓力7 9 圖6 9 環(huán)形壓水室各斷面壓力7 9 圖6 1 0 不同壓水室b - q 曲線8 0 圖6 1 l 不同壓水室叩q 曲線8 0 圖6 1 2 不同壓水室6 q 曲線8 1 圖6 1 3 不同壓水室一p 曲線8 2 圖7 1 葉片圓盤泵樣機結構8 6 圖7 2 葉片圓盤泵樣機8 6 圖7 3 對流量、揚程和效率保證的實施8 7 圖7 _ 4 葉片圓盤泵樣機性能保證試驗曲線8 8 圖7 5 葉片圓盤性能試驗裝置圖9 l 圖7 6 泵送清水時s b s q 比流量曲線9 2 圖7 7 泵送清水時舭s q 曲線一9 2 圖7 8 泵送泥漿時s h - s o 曲線9 4 圖7 - 9 泵泥漿時s s - s q 曲線9 5 圖7 1 0 壓力恒定”q 曲線9 6 論文創(chuàng)新點摘要 ( 1 ) 通過將葉片區(qū)和無葉區(qū)流體設置成不同的計算域，建立葉片圓盤泵流體動力學 計算模型。對葉輪葉片區(qū)和無葉區(qū)內單相流場進行分析，得到更能反映葉片圃盤泵工作 機理的泵內流場規(guī)律，提出葉片圓盤泵的工作原理( 見第2 章) ；進行葉片圓盤泵內固液兩 相流動數(shù)值模擬，得到能夠說明葉片圓盤泵適合輸送含固體顆粒流體特征的葉片區(qū)和無 葉區(qū)分布般規(guī)律，在此基礎上研究固相顆粒性質和葉輪結構參數(shù)對顆粒在葉輪內和葉 輪表面分布的影響規(guī)律( 見第3 章) 。 ( 2 ) 國內最先對葉片圓盤泵葉輪結構參數(shù)對泵外特性的影響規(guī)律進行研究，明確了 葉輪各參數(shù)對葉片圓盤泵性能影響的主次順序，提出以揚程系數(shù)和流量系數(shù)為經(jīng)驗系數(shù) 的高效葉片圓盤泵葉輪水力設計統(tǒng)一形式的經(jīng)驗系數(shù)設計方法，建立了經(jīng)驗系數(shù)與比轉 速間關系的計算公式( 見第4 章) ；樣機水力性能保證試驗結果表明該設計方法達到實用要 求( 見第6 章) 。 ( 3 ) 開發(fā)出抗堵塞能力強、揚程- 流量特性曲線平坦且高效區(qū)范圍寬的海底泥漿舉升 葉片圓盤泵樣機；樣機性能保證試驗表明樣機設計點效率達到國外同類產(chǎn)品水平：進行 樣機輸送清水及鉆井液時的變速性能試驗，得到葉片圓盤輸送不同粘度鉆井液時水力性 能變化特點，首次對輸送清水和不同粘度鉆井液變速工作時葉片圓盤泵相似關系進行研 究( 見第6 章) 第1 章緒論 第1 章緒論 1 1 研究背景 隨著陸上和海上淺水區(qū)油氣產(chǎn)量的不斷下降，以及世界經(jīng)濟增長對能源需求的不斷 增加，深水區(qū)已成為世界油氣開發(fā)最活躍的勘探領域。據(jù)統(tǒng)計，在水深超過1 0 0 0m 地層 內儲藏著世界上未發(fā)現(xiàn)的海上油氣儲量的9 0 。雖然我國已經(jīng)加快了對深海海域石油和 天然氣的開發(fā)，但由于深水油氣開發(fā)在中國起步較晚，還沒有形成獨立開發(fā)深海油氣的 關鍵技術，深海油氣開發(fā)需要克服傳統(tǒng)鉆井術裝備和常規(guī)鉆井工藝面臨的諸多技術難題 【1 2 ) o 2 0 世紀末國外提出可以解決深水鉆井技術難題的雙梯度鉆井( d u a lg r a d i e n t d r i l l i n g ，簡稱d g d ) 技術【3 4 1 ，海底泥漿舉升鉆井( s u b s e am u d l i f td r i l l i n g ，簡稱s m d ) 技 術就是其中的一種【5 ，6 】。s i r e d 技術實現(xiàn)深海鉆井的原理是在海底井口附近安裝海底泵， 由海底泵通過小直徑管線將井口的含巖屑鉆井泥漿舉升到鉆井平臺上。采用海底泥漿舉 升的方式鉆井，井眼環(huán)空中會產(chǎn)生兩個壓力梯度，井口到井底壓力由環(huán)空內鉆井液產(chǎn)生， 海底到海面壓力由隔水管內海水產(chǎn)生，環(huán)空內壓力變化不再以海面為參考點，而是以海 底泥面為參考點，環(huán)空內地層破裂壓力和孔隙壓力窗口相對變寬，海水壓力相對于環(huán)空 壓力是個定值，對其變化不再產(chǎn)生影響，這樣深水鉆井伴隨的井噴、井涌和塌井事故大 大降低，同時減少了下套管層數(shù)，縮短鉆井周期，鉆井事故處理的成本相應降低，對海 上鉆井裝備的性能要求也大大降低。更為關鍵的是只要設備滿足深水鉆井要求，理論上 該技術能在任何目標水深開展地質鉆探1 7 ，引。 1 2 論文目的及意義 海底泥漿舉升鉆井技術利用海底泥漿舉升泵通過單獨回流管線舉升鉆井液和鉆屑 的混合物至海面進入鉆井液循環(huán)池。海底鉆井泥漿的舉升可以歸結為一個垂直方向的固 液兩相流管道輸送系統(tǒng)。泥漿舉升泵作為海底泥漿舉升鉆井的關鍵設備，在其將井眼環(huán) 空中的鉆井液、巖屑甚至氣體的混合物從海底泥線處舉升到鉆井平臺上的同時，其主要 功能是控制海底井口的壓力等于海水靜壓力【9 j 。 由于深海海底工作環(huán)境及泥漿粘度和鉆屑的大小對舉升泵的特殊要求，一般來說海 底泥漿舉升鉆井用泥漿舉升泵應具備以下特點【10 】： 1 ) 泵的功率體積比與功率重量比要大，這樣在滿足舉升能力的條件下泵的體積和 重量都可以相對減??； 2 ) 整個泵系統(tǒng)要耐用可靠，由于海底泥漿舉升泵在上千米深的水下工作，要求海 底泵在整個鉆井周期內不需要維修和更換易損件； 中國石油大學( 華東1 博士學位論文：海底泥漿舉升鉆井葉片圓盤泵設計及應用研究 3 ) 允許較大直徑巖屑顆粒通過，這樣海底可以不設巖屑處理設備； 4 1 結構簡單，可靠性高。 同時海底泥漿舉升鉆井中海底泵的工作模式對舉升泵的流量和壓力的穩(wěn)定性以及 舉升泵的工作范圍都有比較高的要求】。海底泥漿舉升泵要有寬的流量工作范圍來保持 海底井口壓力，即如果井筒環(huán)空壓力開始升高，海底泵應該在高的流量下運行來保證井 口壓力等于海水靜壓力，如果井筒環(huán)空壓力出現(xiàn)下降，海底泥漿舉升泵流量必須下降來 保持入口壓力等于海水靜壓力，而這種恒定的環(huán)空壓力工作模式下，海底泵的揚程不能 變化太大，即不同流量下都要滿足泥漿從海底到海面的舉升，而流量發(fā)生變化時揚程變 化不大可以減小泵的調速范圍，保證海底泵通過調速保持恒定環(huán)空壓力的響應時間，所 以海底泥漿舉升泵必須有平坦的揚程流量特性曲線，且高效區(qū)范圍要寬。 由于海底泥漿舉升屬于液固兩相甚至是氣液固三相的輸送范疇，因此深海鉆井海底 泥漿舉升泵的研究在很大程度上也取決于固液兩相泵的研究。作為液固兩相流體輸送的 泵可分為兩類：一類是容積式泵，如隔膜泵、往復泵、柱塞泵等；一類是葉片式泵，最 典型的是離心泵。容積式泵一般都配有閥，粒徑較大的固相顆粒通過較困難，且輸送固 液兩相流體時閥的故障率較高；葉片式泵中軸流泵和旋流泵流量可以很大，但揚程太小， 因此固液兩相泵大多數(shù)為離心式葉片泵。若采用傳統(tǒng)離心泵，由于鉆井泥漿所含巖屑為 磨礪性介質，對常規(guī)離心泥漿泵過流部件磨損嚴重，泵的壽命大大縮短，且考慮巖屑通 過性，巖屑顆粒越大，泵的整體效率越低，可靠性越低。 葉片圓盤泵是一種適合于輸送高濃度、高粘度、高硬度、大顆粒物料的泵【1 2 14 1 。近 年來葉片圓盤摩擦泵在美國、俄羅斯等國已推廣使用1 1 5 , 1 6 1 ，并在a g r 公司的海底泥漿鉆 井系統(tǒng)中得到成功應用【l7 1 ，具有良好的應用基礎，但由于專利壁壘以及本身商業(yè)利益的 考慮，難以獲得相關設計方法資料。國內尚未對此種泵進行深入研究。葉片圓盤泵用于 深海鉆井泥漿舉升屬于液固兩相甚至是氣液固三相的輸送范疇，葉片圓盤泵的各種特性 以及相關規(guī)律又與單相不同。因此，研究葉片圓盤泵的工作機理，探尋一套適用于葉片 圓盤泵的水力設計方法和進行固液兩相流的葉片圓盤泵基本特性研究就非常必要。 本文在國家科技重大專項項目“海洋深水油氣田開發(fā)工程技術”子課題“海底泥漿 舉升鉆井技術研究”( 編號2 0 0 8 z x 0 5 0 2 6 - 0 0 1 ) 的資助下，開展海底泥漿舉升鉆井用葉片 圓盤泵的研究，探討葉片圓盤泵葉輪和壓水室內部三維復雜湍流場的模擬方法，研究葉 片圓盤泵的工作原理，分析葉輪結構參數(shù)和泵性能的關系，提出葉片圓盤泵的設計方法， 通過葉輪和壓水室內部固液兩相流場的研究，分析葉輪的磨損規(guī)律，優(yōu)化葉片圓盤泵性 能，加工葉片圓盤泵樣機，進行樣機變速性能試驗，為葉片圓盤泵在海底泥漿舉升鉆井 中的應用提供技術支持。值得指出的是，鑒于固液兩相輸送在工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛存 在，本文的研究工作對其它難泵送物質的輸送也具有重要意義。 1 3 國內外相關研究進展 2 第1 章緒論 1 3 1 無堵塞泵葉輪結構型式 對海底泥漿舉升鉆井系統(tǒng)中用來輸送鉆井泥漿的舉升泵有兩個最基本的要求：一是 無堵塞，二是耐磨損。泵的磨損與材料和結構型式都有關，而對于海底泥漿舉升鉆井海 底泥漿的舉升，要想實現(xiàn)無堵塞，關鍵在于葉輪的結構型式。根據(jù)固液兩相流泵的具體 應用場合及其抽送的介質不同，并借鑒國外一些公司的產(chǎn)品，總結目前作為固液兩相流 泵葉輪的主要結構型式及其特點： ( 1 ) 閉式葉輪 用于輸送固液兩相流體的閉式葉輪和一般清水離。t y 泵葉輪相仿，閉式葉輪效率相對 較高，產(chǎn)生的軸向力也較小。閉式葉輪的缺點是抗堵塞性能很差，故現(xiàn)在一般不再采用 【1 8 】 o f 2 ) 開式或半開式葉輪 制造和使用方便是開式或半開式葉輪的優(yōu)點，當葉輪內發(fā)生堵塞時，比較容易清洗 及維修。但由于葉輪沒有輪蓋，會造成葉輪與前泵蓋之間間隙增大，使泵的容積效率及 水力效率大大下降。另一方面，開式或半開式葉輪會由于流道的不對稱，流道間液流的 穩(wěn)定性較差，使泵的軸向力及振動增大。因此使用開式或半開式葉輪的固液兩相流泵必 須考慮設計專門的軸向力平衡裝置【l 陽。 ( 3 ) 旋流式葉輪 旋流泵于1 9 4 5 年由美國西部機械公( w e s t e r nm a c h i n ec o m p a n y ) 發(fā)明。旋流泵的主 要結構特征是葉輪向后退縮在壓水室內。葉輪旋轉時在靠近葉輪入口壓水室內形成貫通 流和循環(huán)流，貫通流通過葉輪葉片間流道進入壓水室而流出，循環(huán)流則在壓水室內循環(huán)。 由于壓水室內無葉輪部分的中部是低區(qū)壓，大部分固體顆粒進入此區(qū)域在旋流的帶動下 不經(jīng)過葉輪而直接從壓水室流出。由于旋流泵葉輪在壓水室內特色的安裝型式，大大提 高了泵送固相顆?；螂y泵送物質的通過能力。旋流泵結構簡單，加工容易，性能穩(wěn)定。 因為固體顆粒大部分不通過葉輪，因而具有良好的無堵塞和耐磨損性能，特別適合于抽 送未經(jīng)處理的、含有固態(tài)物和易產(chǎn)生纏繞的固液兩相流體。由于旋流泵的葉輪和壓水室 無配合間隙，不存在壓水室和葉輪磨損使壓水室和葉輪間隙增大后造成水力性能下降的 問題。旋流式葉輪的主要缺點是效率低，軸向力大，揚程不高 2 1 - 2 3 。 ( 4 ) 螺旋離心式葉輪 螺旋離心泵于2 0 世紀中期由瑞士工程師m a r t i ns t a b l e 在秘魯研究成功，當時是用來 輸送魚類及農(nóng)產(chǎn)品，后用來輸送固液兩相流體和輸送高粘度的液體。為防止輸送的固相 物質堵塞葉輪，葉輪中葉片為一扭曲的螺旋葉片，葉片在錐形輪轂體上由吸入口沿軸向 延長，葉片的半徑逐漸增大，形成螺旋形流道。葉輪由吸入室和壓水室兩部分組成，吸 入室部分的葉輪，產(chǎn)生螺旋推進作用，壓水室部分的葉輪產(chǎn)生離心作用。葉片進口的銳 角部分將固相雜物導向軸心附近，固相的軸向推進由螺