专利名称：基于流体力学的钻井泵流场分析方法
技术领域：
本发明涉及一种基于流体力学的钻井泵流场分析方法。
背景技术：
随着钻采深度的增加，对钻机以及与其相配套的其它设备要求越来越高。目前国内外钻井泵结构按高压吸入阀与排出阀的位置可以划分为三种:一是吸入阀与排出阀都安装在阀箱内，且两阀处于同一轴线上，与缸套的轴线垂直。此类阀箱叫I型。二是一阀安装在阀箱内，一阀安装在阀箱外，且两阀与缸套的轴线垂直。此类阀箱叫L型。三是吸入阀与排出阀安装位置的轴线相互垂直，且吸入阀与缸套处于同一轴线上，构成T字型液流通道。往复泵在石油工业中的应用很广泛，石油矿场上常需要在高压下输送高粘度、大比重和高含沙量的液体，而流量相对不大，从各种泵的工作特点对比中表明，往复泵比较适用于这种情况。往复泵在钻井时用作循环泥浆和注入固井水泥。在采油时，用作原油输送、洗井、注水及地层压裂。抽油设备中的深井泵也是一种特殊结构的往复泵。所以，往复泵是石油通用的和关键的设备之一。根据泵的结构特征和作用的不同，可分为三个基本类型。(I)容积式泵:依靠包容液体的密封工作空间周期性的变化，把能量周期性地传递给液体，使液体的压力增加到将液体强行排出。(2)叶轮式泵:依靠旋转的叶轮对液体的动力作用，把能量连续地传递给液体，使液体的速度能和压力能的能量增加，随后通过压出室将大部分速度能转换为压力能。
(3)其他类型泵。利用钻井泵钻井已有100多年的历史。在这100多年中钻井泵不断改进不断发展。钻井泵的发展历史以1901年美国德克萨斯州的Spindletop钻出的336m深的有商业价值的石油井为起点。这也是近代油气井旋转钻井史的起点。当时，钻井使用的钻井泵是双缸双作用活塞式蒸汽泵，泵压为17.3X105Pa。这种泵不是专门为泥浆泵设计的，而是一般的供水泵。1917年生产的蒸汽泵已经是专门设计的钻井泵了。这种泵的泵头即是今天双缸双作用钻井泵液力端的雏型。其主要不同之点在于当时的泵阀还是平板阀。这种泵一直使用到30年代。蒸汽泵的动力来自锅炉产生的蒸汽。但在矿场，锅炉的使用和运输都不方便。因此，蒸汽钻井泵逐渐被内燃机驱动的机动泵所代替。在二十世纪三十年代中最大的双缸双作用机动泵为1926年生产的。其活塞直径为170mm，冲程为457mm，功率为110_147Kw，最高泵压可达(100-125) X 105Pa。这种泵的设计和现在的双缸双作用泵已经相当接近了。其液力端已经使用了锥形阀，传动端内有斜齿的减速齿轮、偏心轴、连杆和十字头，采用了密闭的飞溅润滑，液力端排出管装有空气包。但连杆大端还使用滑动轴承。到30年代中期，由于泵的载荷越来越大，钻井泵才采用了全滚动轴承设计。但当时没有大直径的滚动轴承，所以主轴多采用悬臂式曲拐轴方案，连杆大端的滚动轴承内圈定在曲拐销上。
随着钻井井深的增加和套管层次的增多，对钻井泵的排量和泵压提出了愈来愈高的要求。二战后，泥浆性能有所改进，同时开展了喷射钻井技术的研究和发展工作。这时钻井作业者主要要求提高泵压。从40年代末到50年代中期，喷射钻井的研究和实践提出了150-210X105Pa的泵压要求。40年代末钻井泵的功率，达到了 600Kw。同时，大部分公司把泵的最大冲程长度降回到457mm(18in)。50年代双缸泵随着泵功率的急剧加大，泵的重量和外形尺寸也随之增加。为减轻泵重，当时在双缸泵的设计上较大的改进是以钢代铁和减小泵宽。以钢代铁是用钢板焊接的泵壳，并将一些零件改用优质合金制造；减小泵宽是应用大直径的滚动轴承作连杆大端支承，拚弃悬臂曲拐轴的方案而采用两端简支的偏心轮轴设计。这样，两缸中心距明显缩小。60年代初，急需设计和制造一种泵压能适应喷射钻井工艺要求，同时体积小、重量轻，能满足当时海洋、沙漠钻井的安装运输条件的钻井泵。各公司都作了大量的研究工作。其中目标比较集中的是将用于固井压裂的三缸柱塞泵改型为钻井泵，因为它正好能满足上述要求。在研制的开始阶段，问题仍然发生在机械能转换为液体压力能的为边界面上一在泥浆介质中柱塞及柱塞密封的寿命过低。在这时，一组“单作用活塞-敞口缸套-喷淋水”的设计起了关键的作用。它使钻井泵史上代表一个新时代——三缸单作用活塞式钻井泵的诞生。与双缸双作用泵相比，三缸单作用泵具有体积小、重量轻、效率高、流量均匀、压力波动小以及拆装维修方便；由于三缸单作用泵，曲柄互成120°，动力端受力均匀。排量系数为0.141，小于双缸和四缸单作用泵，排量均匀，并且有结构简单等优点。在广泛的应用中显示出良好的经济效益，已经在国内外的深井钻进中逐渐取代双缸双作用泵。经过30年代至80年代几十年的发展，国内生产的钻井泵与国外同为卧式三缸单作用往复式活塞泵，基本参数和结构与美国National Oilwell公司相近。泵的产品系列为500HP、800HP、1000ΗΡ、1300HP、1600HP、2000HP，其中 1600HP 钻井泵是目前国内钻井泵中功率最大的一种泵型。主要生产厂家有兰石国民油井设备有限公司(以下简称“兰石”)、宝鸡石油机械有限责任公司(以下简称“宝石”)、益都石油机械厂等。90年代国内兰石和宝石生产钻井泵的整体技术水平与美国National Oilwell公司很接近，但大功率的2200HP钻井泵目前在国内仍为空白。国产泵在结构和技术参数、制造质量等方面均存在各自的优缺点。其中，宝石厂生产的F系列泵的优点是结构和技术参数较先进合理，与美国Emsco公司相近，制造工艺先进，质量较好。兰石泵的优点是液力端密封可靠性较高，寿命较长，在油田使用效果较好；缺点是动力端结构繁复。21世纪初期我国钻井泵的研究已经取得了很大的进展，现已开发出F-2200HL钻井泵，产品远销加拿大等国。总体上我国目前仍然存在钻井泵阀体、活塞等易损件寿命低的问题，对于液压钻井泵还需要加大开发力度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种基于流体力学的钻井泵流场分析方法，该基于流体力学的钻井泵流场分析方法通过运用流体力学，能快速的对钻井泵流场进行分析，且分析结果准确，分析步骤简单，大大降低了分析成本。本发明的目的通过下述技术方案实现:基于流体力学的钻井泵流场分析方法，包括以下步骤:
(a)首先，建立控制方程；(b)然后，确定初始条件及边界条件；(C)建立离散方程；(d)离散初始条件及边界条件；(e)给定求解控制参数；(f)求解离散方程；(g)求解是否收敛；(h)分析处结果，并输出结果。所述步骤(C)中，通过Reyno I ds平均法建立离散方程。所述步骤(g)中，如结果收敛，即进入步骤(h)。所述步骤(g)中，如结果不收敛，即返回步骤(C)。综上所述，本发明的有益效果是:通过运用流体力学，能快速的对钻井泵流场进行分析，且分析结果准确，分析步骤简单，大大降低了分析成本。
图1为本发明所用的设备的结构示意图。
具体实施例方式下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。实施例:本发明涉及的基于流体力学的钻井泵流场分析方法，包括以下步骤:(a)首先，建立控制方程；(b)然后，确定初始条件及边界条件；(C)建立离散方程；(d)离散初始条件及边界条件；(e)给定求解控制参数；(f)求解离散方程；(g)求解是否收敛；(h)分析处结果，并输出结果。所述步骤(C)中，通过Reyno I ds平均法建立离散方程。所述步骤(g)中，如结果收敛，即进入步骤(h)。所述步骤(g)中，如结果不收敛，即返回步骤(C)。综上可知:上述方法通过运用流体力学，能快速的对钻井泵流场进行分析，且分析结果准确，分析步骤简单，大大降低了分析成本。以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
权利要求
1.基于流体力学的钻井泵流场分析方法，其特征在于，包括以下步骤: (a)首先，建立控制方程； (b)然后，确定初始条件及边界条件； (c)建立离散方程； (d)离散初始条件及边界条件； (e)给定求解控制参数； (f)求解离散方程； (g)求解是否收敛； (h)分析处结果，并输出结果。
2.根据权利要求1所述的基于流体力学的钻井泵流场分析方法，其特征在于，所述步骤(c)中，通过Reynolds平均法建立离散方程。
3.根据权利要求1所述的基于流体力学的钻井泵流场分析方法，其特征在于，所述步骤(g)中，如结果收敛，即进入步骤(h)。
4.根据权利要求1所述的基于流体力学的钻井泵流场分析方法，其特征在于，所述步骤(g)中，如结果不收敛，即返回步骤(C)。
全文摘要
本发明公开了一种基于流体力学的钻井泵流场分析方法，包括((a)首先，建立控制方程；(b)然后，确定初始条件及边界条件；(c)建立离散方程；(d)离散初始条件及边界条件；(e)给定求解控制参数；(f)求解离散方程；(g)求解是否收敛；(h)分析处结果，并输出结果。本发明通过运用流体力学，能快速的对钻井泵流场进行分析，且分析结果准确，分析步骤简单，大大降低了分析成本。
文档编号G06F19/00GK103106324SQ20111038488
公开日2013年5月15日 申请日期2011年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者谢月 申请人:谢月