（机械设计及理论专业论文）海底泥浆举升钻井用叶片圆盘泵研究.pdf

摘要 本文结合国家科技重大专项项目“海洋深水油气田开发工程技术”子课题“海底泥 浆举升钻井技术研究”，系统开展海底泥浆举升叶片圆盘泵内流机理、设计方法及应用 研究，通过理论分析、数值计算和试验研究，在叶片圆盘泵工作机理、泵内固液两相流 动规律、叶片圆盘泵结构参数与水力性能关系等方面取得较大研究进展，本文的主要研 究内容和主要研究成果总结如下： l 叶片圆盘泵单相流动规律研究 分析叶片圆盘泵结构特点，建立叶片圆盘泵流体动力学模型，进行数值模拟结果有 效性的试验验证。分析单相流动条件下叶片圆盘泵叶轮叶片区和无叶区流体速度和压力 分布规律。与叶片区内流动一样，无叶区内绝对速度主要以旋转流动为主，旋流是叶轮 内的主体流动，叶轮无叶片区内流体绝对速度要小于叶轮叶片区内流体绝对速度，叶轮 轴截面内的速度分布关于中间轴截面有很好的对称性，叶轮各轴截面内都存在轴向流 动，其方向主要由叶片区指向无叶区，无叶区内存在径向回流，在两叶片轴向相对的无 叶区压力比相应的叶片区要低。 2 计片圆盘泵内固液两相流动规律研究 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 湍流模型和欧拉多相流模型，对叶片圆盘泵 内固液两相流动进行数值模拟，分析叶轮内颗粒分布的一般规律和颗粒性质对颗粒分布 及水力性能的影响。固相体积分数分布的分析结果表明：固相颗粒大部直接从无叶区排 出而不经过叶片区，叶片区内离无叶区越远，颗粒分布越少：叶片工作面附近的颗粒浓 度大于吸力面的的浓度，叶轮入口的颗粒浓度大于出口处的浓度。随颗粒直径的增大， 无叶区内颗粒浓度相对增加：颗粒体积分数变化，颗粒在无叶区和叶片区分布的比例关 系几乎不变；液相密度不变，颗粒密度增大，无叶区颗粒浓度相对增大；叶轮叶片表面 颗粒浓度要大于圆盘表面颗粒浓度；叶轮叶片高度和盘间距的比值在0 4 至0 5 5 之间，叶 轮表面颗粒分布相对较小。 3 肿片圆盘泵结构参数与泵性雒关系砚究 建立水力性能预测模型，针对不同叶轮结构参数和不同型式压水室的叶片圆盘泵进 行性能预测，总结叶轮结构参数对泵性能参数的影响规律；通过对叶轮结构参数相关尺 寸的正交优化设计，得到叶轮进口内径、叶轮直径、叶片高度和盘间距对叶片圆盘泵性 能影响的主次顺序；通过对不同压水室和叶轮匹配泵的性能预测，比较三种压水室对泵 水力性能和叶轮受力性能的影响。通过定义扬程系数和流量系数，提出适合于叶片圆盘 泵水力设计的统一形式的经验系数设计法；基于优秀的数字化水力模型，得到水力设计 经验系数与比转速的关系。 4 叶片圆盘泵叶轮切割性能研究 叶轮切割是扩大泵的使用范围和提高泵使用经济性的主要方法，为研究叶片圆盘泵 的切割定律型式，对两种结构参数叶轮进行叶轮切割性能数值试验，分析叶片圆盘泵叶 轮切割后性能曲线和切割线的变化规律，并与基于两种不同假设的离心泵切割定律预测 的结果进行比较，分析最佳效率点效率随叶轮切割量的变化关系。 5 样机研制和水力性能试验研究 利用提出的叶片圆盘泵叶轮水力设计方法设计加工样机，并进行样机水力性能保证 试验：对样机进行输送清水和三种不同粘度泥浆的变速性能试验，分析研究相似律关系 对叶片圆盘泵的适用性；对样机进行恒定压力模式试验，试验叶片圆盘泵调运保持泵压 力恒定工作的能力。 关键词；叶片圆盘泵；内部流动；数值模拟；性能预测；设计方法；叶轮切割；样机 试验 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 蓟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 表格目录 表3 1 固液两相模拟流体的基本参数3 0 表3 2 钻井液中固相颗粒尺寸分布3 9 表4 1 相对误差分析表“ 表4 2 正交试验方案表5 l 表4 3 最佳效率点汇总表5 1 表4 - 4 最佳效率点扬程和效率极差计算表5 2 表5 1 叶轮的最大切割量6 1 表5 2 数值试验叶轮的主要性能与结构参数6 l 表5 3 叶轮切割次数和切割量6 2 表5 - 4 叶轮切割前后最佳效率点性能参数的变化6 5 表5 5 叶轮切割量与最佳效率7 l 表6 1 三种压水室叶片圆盘泵受力预测结果8 2 表7 1 叶片圆盘泵结构参数8 6 表7 2 容差系数规定值。8 7 表7 3 泵送不同粘度流体时泵在最佳效率点流量( b e p ) 和7 5 b e p 的性能。9 3 插图目录 图1 1 圆盘叶轮示意。4 图2 1 叶轮三维图1 5 图2 2 压水室三维图1 5 图2 3 计算区域。1 6 图2 4 计算网格1 7 图2 - 5 数值预测与试验弘9 曲线对比1 8 图2 6 数值预测与试验， 一q 曲线对比1 9 图2 7 分析截面示意图1 9 图2 8 绝对速度矢量图2 0 图2 9 绝对速度等值线图2 l 图2 10 周向速度等值线图2 2 图2 1 1 轴向速度等值线图2 3 图2 1 2 径向速度等值线图2 4 图2 。1 3 静压等直线图2 5 图2 1 4 总压等直线图2 6 图2 1 5 叶片圆盘泵工作原理示意图2 7 图3 1 叶轮内速度矢量3 2 图3 2 叶轮内颗粒浓度分布3 4 图3 3 粒径不同时颗粒浓度分布等值线图3 5 图3 - 4 颗粒直径不同时叶轮表面颗粒浓度变化3 5 图3 5 浓度不同时颗粒浓度分布等值线图3 6 图3 6 浓度不同时叶轮表面颗粒浓度变化3 7 图3 7 颗粒密度不同时颗粒浓度分布等值线图3 8 图3 8 颗粒密度不同时叶轮表面颗粒浓度变化3 8 图3 9 不同颗粒直径弘q 曲线4 0 图3 1 0 不同颗粒直径，7 - q 曲线4 l 图4 1 试验用模型泵“ 图4 2 数值预测与试验皿q 曲线对比“ 图4 3 数值预测与试验，7 一q s 线对比4 5 图4 4 不同外径b q 曲线4 5 图4 - 5 不同外径野一q 曲线4 6 图4 6 不同叶片高度弘g 曲线4 6 图4 7 不同叶片高度，7 q 曲线4 7 图4 8 不同盘问距皿p 曲线4 7 图4 9 不同盘问距野9 曲线4 8 图4 1 0 不同叶轮内径肛q 曲线4 8 图4 1 l 不同叶轮内径，7 9 曲线4 9 图4 1 2 不同叶片数皿p 曲线4 9 图4 - 1 3 不同叶片数卵9 曲线5 0 图5 1 不同比转速叶轮5 8 图5 2 叶轮切割抛物线与切割线5 9 图5 3d i s c p 2 0 0 3 6 1 0 叶轮切割前后肛q 曲线6 3 图5 - 4d i s c p 2 0 0 3 6 1o 叶轮切割前后- q 曲线6 3 图5 5d i s c p 2 0 0 3 6 10 叶轮切割前后，7 q 曲线6 3 图5 6d i s c p 2 2 5 3 2 8 叶轮切割前后肛q 曲线6 4 图5 7d i s c p 2 2 5 3 2 8 叶轮切割前后- q 曲线6 4 图5 8d i s c p 2 2 5 3 2 10 叶轮切割前后，7 q 曲线“ 图5 9 叶轮切割前后最佳效率点工况性能参数变化6 5 图5 1 0d i c p 2 0 0 3 6 1 0 切割后数值试验曲线与切割定律预测曲线的比较6 7 图5 1ld i c p 2 2 5 3 2 8 切割后数值试验曲线与切割定律预测曲线的比较6 9 图5 1 2 叶轮切割后最佳效率点工况性能数值试验与切割理论预测值对比7 0 图5 1 3 叶轮切割后最佳效率点工况效率的变化7 1 图6 1 压水室结构示意7 4 图6 2 压水室三维模型7 6 图6 3 压水室8 个截面位置7 6 图6 - 4 螺旋压水室各断面速度分布7 7 图6 5 准螺旋压水室各断面速度分布7 7 图6 6 环形压水室各断面速度分布7 8 图6 7 螺旋压水室各断面压力7 8 图6 8 准螺旋压水室各断面压力7 9 图6 9 环形压水室各断面压力7 9 图6 1 0 不同压水室b - q 曲线8 0 图6 1 l 不同压水室叩q 曲线8 0 图6 1 2 不同压水室6 q 曲线8 1 图6 1 3 不同压水室一p 曲线8 2 图7 1 叶片圆盘泵样机结构8 6 图7 2 叶片圆盘泵样机8 6 图7 3 对流量、扬程和效率保证的实施8 7 图7 _ 4 叶片圆盘泵样机性能保证试验曲线8 8 图7 5 叶片圆盘性能试验装置图9 l 图7 6 泵送清水时s b s q 比流量曲线9 2 图7 7 泵送清水时舭s q 曲线一9 2 图7 8 泵送泥浆时s h - s o 曲线9 4 图7 - 9 泵泥浆时s s - s q 曲线9 5 图7 1 0 压力恒定”q 曲线9 6 论文创新点摘要 ( 1 ) 通过将叶片区和无叶区流体设置成不同的计算域，建立叶片圆盘泵流体动力学 计算模型。对叶轮叶片区和无叶区内单相流场进行分析，得到更能反映叶片圃盘泵工作 机理的泵内流场规律，提出叶片圆盘泵的工作原理( 见第2 章) ；进行叶片圆盘泵内固液两 相流动数值模拟，得到能够说明叶片圆盘泵适合输送含固体颗粒流体特征的叶片区和无 叶区分布般规律，在此基础上研究固相颗粒性质和叶轮结构参数对颗粒在叶轮内和叶 轮表面分布的影响规律( 见第3 章) 。 ( 2 ) 国内最先对叶片圆盘泵叶轮结构参数对泵外特性的影响规律进行研究，明确了 叶轮各参数对叶片圆盘泵性能影响的主次顺序，提出以扬程系数和流量系数为经验系数 的高效叶片圆盘泵叶轮水力设计统一形式的经验系数设计方法，建立了经验系数与比转 速间关系的计算公式( 见第4 章) ；样机水力性能保证试验结果表明该设计方法达到实用要 求( 见第6 章) 。 ( 3 ) 开发出抗堵塞能力强、扬程- 流量特性曲线平坦且高效区范围宽的海底泥浆举升 叶片圆盘泵样机；样机性能保证试验表明样机设计点效率达到国外同类产品水平：进行 样机输送清水及钻井液时的变速性能试验，得到叶片圆盘输送不同粘度钻井液时水力性 能变化特点，首次对输送清水和不同粘度钻井液变速工作时叶片圆盘泵相似关系进行研 究( 见第6 章) 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 随着陆上和海上浅水区油气产量的不断下降，以及世界经济增长对能源需求的不断 增加，深水区已成为世界油气开发最活跃的勘探领域。据统计，在水深超过1 0 0 0m 地层 内储藏着世界上未发现的海上油气储量的9 0 。虽然我国已经加快了对深海海域石油和 天然气的开发，但由于深水油气开发在中国起步较晚，还没有形成独立开发深海油气的 关键技术，深海油气开发需要克服传统钻井术装备和常规钻井工艺面临的诸多技术难题 【1 2 ) o 2 0 世纪末国外提出可以解决深水钻井技术难题的双梯度钻井( d u a lg r a d i e n t d r i l l i n g ，简称d g d ) 技术【3 4 1 ，海底泥浆举升钻井( s u b s e am u d l i f td r i l l i n g ，简称s m d ) 技 术就是其中的一种【5 ，6 】。s i r e d 技术实现深海钻井的原理是在海底井口附近安装海底泵， 由海底泵通过小直径管线将井口的含岩屑钻井泥浆举升到钻井平台上。采用海底泥浆举 升的方式钻井，井眼环空中会产生两个压力梯度，井口到井底压力由环空内钻井液产生， 海底到海面压力由隔水管内海水产生，环空内压力变化不再以海面为参考点，而是以海 底泥面为参考点，环空内地层破裂压力和孔隙压力窗口相对变宽，海水压力相对于环空 压力是个定值，对其变化不再产生影响，这样深水钻井伴随的井喷、井涌和塌井事故大 大降低，同时减少了下套管层数，缩短钻井周期，钻井事故处理的成本相应降低，对海 上钻井装备的性能要求也大大降低。更为关键的是只要设备满足深水钻井要求，理论上 该技术能在任何目标水深开展地质钻探1 7 ，引。 1 2 论文目的及意义 海底泥浆举升钻井技术利用海底泥浆举升泵通过单独回流管线举升钻井液和钻屑 的混合物至海面进入钻井液循环池。海底钻井泥浆的举升可以归结为一个垂直方向的固 液两相流管道输送系统。泥浆举升泵作为海底泥浆举升钻井的关键设备，在其将井眼环 空中的钻井液、岩屑甚至气体的混合物从海底泥线处举升到钻井平台上的同时，其主要 功能是控制海底井口的压力等于海水静压力【9 j 。 由于深海海底工作环境及泥浆粘度和钻屑的大小对举升泵的特殊要求，一般来说海 底泥浆举升钻井用泥浆举升泵应具备以下特点【10 】： 1 ) 泵的功率体积比与功率重量比要大，这样在满足举升能力的条件下泵的体积和 重量都可以相对减小； 2 ) 整个泵系统要耐用可靠，由于海底泥浆举升泵在上千米深的水下工作，要求海 底泵在整个钻井周期内不需要维修和更换易损件； 中国石油大学( 华东1 博士学位论文：海底泥浆举升钻井叶片圆盘泵设计及应用研究 3 ) 允许较大直径岩屑颗粒通过，这样海底可以不设岩屑处理设备； 4 1 结构简单，可靠性高。 同时海底泥浆举升钻井中海底泵的工作模式对举升泵的流量和压力的稳定性以及 举升泵的工作范围都有比较高的要求】。海底泥浆举升泵要有宽的流量工作范围来保持 海底井口压力，即如果井筒环空压力开始升高，海底泵应该在高的流量下运行来保证井 口压力等于海水静压力，如果井筒环空压力出现下降，海底泥浆举升泵流量必须下降来 保持入口压力等于海水静压力，而这种恒定的环空压力工作模式下，海底泵的扬程不能 变化太大，即不同流量下都要满足泥浆从海底到海面的举升，而流量发生变化时扬程变 化不大可以减小泵的调速范围，保证海底泵通过调速保持恒定环空压力的响应时间，所 以海底泥浆举升泵必须有平坦的扬程流量特性曲线，且高效区范围要宽。 由于海底泥浆举升属于液固两相甚至是气液固三相的输送范畴，因此深海钻井海底 泥浆举升泵的研究在很大程度上也取决于固液两相泵的研究。作为液固两相流体输送的 泵可分为两类：一类是容积式泵，如隔膜泵、往复泵、柱塞泵等；一类是叶片式泵，最 典型的是离心泵。容积式泵一般都配有阀，粒径较大的固相颗粒通过较困难，且输送固 液两相流体时阀的故障率较高；叶片式泵中轴流泵和旋流泵流量可以很大，但扬程太小， 因此固液两相泵大多数为离心式叶片泵。若采用传统离心泵，由于钻井泥浆所含岩屑为 磨砺性介质，对常规离心泥浆泵过流部件磨损严重，泵的寿命大大缩短，且考虑岩屑通 过性，岩屑颗粒越大，泵的整体效率越低，可靠性越低。 叶片圆盘泵是一种适合于输送高浓度、高粘度、高硬度、大颗粒物料的泵【1 2 14 1 。近 年来叶片圆盘摩擦泵在美国、俄罗斯等国已推广使用1 1 5 , 1 6 1 ，并在a g r 公司的海底泥浆钻 井系统中得到成功应用【l7 1 ，具有良好的应用基础，但由于专利壁垒以及本身商业利益的 考虑，难以获得相关设计方法资料。国内尚未对此种泵进行深入研究。叶片圆盘泵用于 深海钻井泥浆举升属于液固两相甚至是气液固三相的输送范畴，叶片圆盘泵的各种特性 以及相关规律又与单相不同。因此，研究叶片圆盘泵的工作机理，探寻一套适用于叶片 圆盘泵的水力设计方法和进行固液两相流的叶片圆盘泵基本特性研究就非常必要。 本文在国家科技重大专项项目“海洋深水油气田开发工程技术”子课题“海底泥浆 举升钻井技术研究”( 编号2 0 0 8 z x 0 5 0 2 6 - 0 0 1 ) 的资助下，开展海底泥浆举升钻井用叶片 圆盘泵的研究，探讨叶片圆盘泵叶轮和压水室内部三维复杂湍流场的模拟方法，研究叶 片圆盘泵的工作原理，分析叶轮结构参数和泵性能的关系，提出叶片圆盘泵的设计方法， 通过叶轮和压水室内部固液两相流场的研究，分析叶轮的磨损规律，优化叶片圆盘泵性 能，加工叶片圆盘泵样机，进行样机变速性能试验，为叶片圆盘泵在海底泥浆举升钻井 中的应用提供技术支持。值得指出的是，鉴于固液两相输送在工业和农业生产中广泛存 在，本文的研究工作对其它难泵送物质的输送也具有重要意义。 1 3 国内外相关研究进展 2 第1 章绪论 1 3 1 无堵塞泵叶轮结构型式 对海底泥浆举升钻井系统中用来输送钻井泥浆的举升泵有两个最基本的要求：一是 无堵塞，二是耐磨损。泵的磨损与材料和结构型式都有关，而对于海底泥浆举升钻井海 底泥浆的举升，要想实现无堵塞，关键在于叶轮的结构型式。根据固液两相流泵的具体 应用场合及其抽送的介质不同，并借鉴国外一些公司的产品，总结目前作为固液两相流 泵叶轮的主要结构型式及其特点： ( 1 ) 闭式叶轮 用于输送固液两相流体的闭式叶轮和一般清水离。t y 泵叶轮相仿，闭式叶轮效率相对 较高，产生的轴向力也较小。闭式叶轮的缺点是抗堵塞性能很差，故现在一般不再采用 【1 8 】 o f 2 ) 开式或半开式叶轮 制造和使用方便是开式或半开式叶轮的优点，当叶轮内发生堵塞时，比较容易清洗 及维修。但由于叶轮没有轮盖，会造成叶轮与前泵盖之间间隙增大，使泵的容积效率及 水力效率大大下降。另一方面，开式或半开式叶轮会由于流道的不对称，流道间液流的 稳定性较差，使泵的轴向力及振动增大。因此使用开式或半开式叶轮的固液两相流泵必 须考虑设计专门的轴向力平衡装置【l 阳。 ( 3 ) 旋流式叶轮 旋流泵于1 9 4 5 年由美国西部机械公( w e s t e r nm a c h i n ec o m p a n y ) 发明。旋流泵的主 要结构特征是叶轮向后退缩在压水室内。叶轮旋转时在靠近叶轮入口压水室内形成贯通 流和循环流，贯通流通过叶轮叶片间流道进入压水室而流出，循环流则在压水室内循环。 由于压水室内无叶轮部分的中部是低区压，大部分固体颗粒进入此区域在旋流的带动下 不经过叶轮而直接从压水室流出。由于旋流泵叶轮在压水室内特色的安装型式，大大提 高了泵送固相颗粒或难泵送物质的通过能力。旋流泵结构简单，加工容易，性能稳定。 因为固体颗粒大部分不通过叶轮，因而具有良好的无堵塞和耐磨损性能，特别适合于抽 送未经处理的、含有固态物和易产生缠绕的固液两相流体。由于旋流泵的叶轮和压水室 无配合间隙，不存在压水室和叶轮磨损使压水室和叶轮间隙增大后造成水力性能下降的 问题。旋流式叶轮的主要缺点是效率低，轴向力大，扬程不高 2 1 - 2 3 。 ( 4 ) 螺旋离心式叶轮 螺旋离心泵于2 0 世纪中期由瑞士工程师m a r t i ns t a b l e 在秘鲁研究成功，当时是用来 输送鱼类及农产品，后用来输送固液两相流体和输送高粘度的液体。为防止输送的固相 物质堵塞叶轮，叶轮中叶片为一扭曲的螺旋叶片，叶片在锥形轮毂体上由吸入口沿轴向 延长，叶片的半径逐渐增大，形成螺旋形流道。叶轮由吸入室和压水室两部分组成，吸 入室部分的叶轮，产生螺旋推进作用，压水室部分的叶轮产生离心作用。叶片进口的锐 角部分将固相杂物导向轴心附近，固相的轴向推进由螺