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气体钻井岩屑返出系统检测

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气体 钻井 岩屑 系统 检测
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气体钻井岩屑返出系统检测系统设计摘 要随着气体钻井工艺在井场更多的被采用,如何更加准确的检测返出岩屑的质量成了生产中面临的一个问题。文章从气体钻井过程中返出岩屑本身的物理特性出发,分析其形态特点和影响因素,并对当前气体钻井返出岩屑质量测量的几种方案进行对比,结合微波法检测煤粉质量实例,初步建立微波法测量返出岩屑系统,最后对排砂管中气固两相流体进行动力学建模分析。关键词:气体钻井;返出岩屑;流动力学;微波法A of in be of in of a in of of of to of of as 录第 1 章 引言 ............................................................. 课题的研究目的及意义 .............................................. 国内外研究现状分析 ................................................平衡钻井的定义 ............................................体钻井的定义 ..............................................体钻井的分类 ..............................................内外研究现状分析 .......................................... 课题研究目标和研究内容 ............................................究目标 ....................................................究内容 .................................................... 章 气体钻井返出岩屑特点及影响因素 ................................... 返出岩屑的形态特点 ................................................ 影响返出岩屑形态的因素分析 ........................................ 本章小结 .......................................................... 章 岩屑返出系统检测系统设计 ......................................... 返出岩屑质量监测方法 ..............................................气压力变化分析法 ...........................................砂管出口肉眼观察法 ........................................砂管线震动分析法 .........................................砂管线内壁冲刷力法 ....................................... 几种测量方法的综合比较 ........................................... 微波法检测返出岩屑的流量 .........................................量原理 ...................................................波固体流量计在煤粉测量中的应用 ...........................波固体流量计在返出岩屑测量中的应用 ....................... 本章小结 ......................................................... 章 排砂管线内流体动力学模型的建立 .................................. 多相流模型 .......................................................相流模型的分类 ...........................................相流模型的选择原则 ....................................... 流体动力学湍流模型 ............................................... 流体动力学控制方程 ...............................................量守恒方程 ...............................................量守恒方程 ...............................................量守恒方程 ...............................................流输运方程 ............................................... 壁面函数法 ....................................................... 本章小结 ......................................................... 章 结论 ............................................................谢 ................................................................................................................................. 章 引言1第 1 章 题的研究目的及意义近年来,随着气体钻井技术输送效率高,环境污染小,安全性和可靠性高等特点越来越被大众熟知和认可,其应用的规模也在不断的扩大,分析气体钻井的返出岩屑的质量不仅可以实时了解井下钻井的进展状况,也可以对井下钻进过程中的地质特点进行总结和归纳,最大程度的避免可能由于岩屑堆积超重引起的机械钻速降低,钻进的阻力增加等有损钻井质量的问题。平衡钻井的定义常规的钻井属于过平衡钻井,钻井液压力大于地层流体压力,小于地层破裂压力。这样做主要是防止井喷。欠平衡钻井时,钻井液压力略小于底层流体压力,仍小于地层破裂压力。欠平衡钻井又叫负压钻井,是指在钻井时井底压力小于地层压力,地底的流体有控制地进入井筒并且循环到地面上的钻井技术。体钻井的定义气体钻井的定义是把气体当做钻进的循环介质,进行欠平衡钻井的技术方法。其相比与常规的钻井方案,在保护储层、增加采收率、提升工作速度、减少污染等方面有着突出的优点,图 1空气钻井的井场实拍图。第 1 章 引言2图 1体钻井(空气钻井)井场实拍图循环介质是钻井过程中的传动链条和保护装置,在气体钻井中,气体、防腐剂和干燥剂共同组成了循环节制,通过对气体钻井返出岩屑的研究还可以实时监测钻进情况和获知地质特点。在现代社会中,气体钻井的技术以其多方面的优点和特质已经越来越受到井场的青睐 [2]。体钻井的分类气体钻井主要分为纯气体钻井(图 2雾化钻井(图 2泡沫钻井(气相可以是空气、氮气、天然气)、充气钻井(图 2中气相可以是空气、氮气、天然气、尾气)、其中纯气体钻井又包括空气钻井、氮气钻井、 天然气钻井、尾气钻井等。第 1 章 引言3图 1气体钻井工艺流程示意图图 1化钻井工艺流程示意图第 1 章 引言4图 1气钻井工艺流程示意图气体钻井过程中,在排砂管中的返出岩屑混合在气体中,是典型的气固两相混合物,所以要完成返出岩屑的质量测量,首先要分析气固两相混合物的质量测量方法。内外研究现状分析在现代社会中,对固体质量的监测技术有着十分广泛的应用。在火电厂,检测煤粉实时的质量,将煤粉的利用率和燃烧率提高到最大化,保护环境的同时也节约能源也需要实时测量煤粉质量。而在众多的固体质量测量中,气体和固体两相的质量测量是典型而广泛应用的一种。在能源行业、冶金与化工行业,乃至国防领域也时常出现气固两相测量仪的身影 [1]。在运输的众多方式中,气力输送对于提高生产效率和控制环境污染,提升生产安全性有明显的改善作用,但是在一定的范围内,如果质量偏大偏小都会导致部分环节出错甚至是系统停止工作,这也就要求在气力的传输条件下,如何进行管道气固质量分析和监测十分重要。在现在的工业发展下,气固两相测试以其计算特性复杂、模型建立难给专家学者带来了很大的阻力,目前,在相关的测量设备中,按照其工作方式和测量设备可以简单分为以下四类:机械流量计:采用专用的测量探头,利用孔板、皮托管等以及多种传感器,并在第 1 章 引言5伯努利方程的理论支持下,测量相关的速度差值等来推算流量; 模型流量计:有些质量计例如涡轮流量计,可以根据孔口的面积大小,进行压力演变为面积的操作,最后进一步测量流量; 电子元件流量计:典型的代表是激光流量计和超声流量计,它们将相关流量信号通过一定的元器件处理,变成所需电信号后分类,除噪。再利用各种数学和物理公式进行理论计算,进一步得出流量;其它质量计:带式流量测量系统、声学流量计等也在不断地越来越向气固两相测量技术靠拢,虽说这些质量计或多或少都有一些缺点,但是在一定的工况下,却各有各的优点。最大的问题就是不能稳定的完成测量任务。 本文重点提及的微波法测量固体流量质量的方法是将微波作为介质,对反射波进行处理,进而实现实时监测的目的。经实验和相关学者文献证明,微波法有着成本经济,操作简单,反应快等特点,其应用优势明显,发展前景好。在国内外利用微波测固体质量的各种方法中,基础原理多是采用了 1975 年由出的速度利用单位体积的固体质量计算出固体的流量质量;在 1970 年,样在他的著作中提及了他对微波测质量的看法,但是一直没有想出可以真正投入使用的措施;五年后, 次完善了微波质量计的理论,并就是否现实可行提供了丰富的论证方案,在理论上证实了想法的可行性。经过技术的演变和电子元件的更新换代,更换传感器、升级硬件配置、增加设备精确度和抗干扰力,2004 年的曼彻斯特大学,授在实验过程中绘制出微波的回波与固体的总质量的近似线性关系。在国内市场上由于信号处理方法技术落后等使微波固体流量计的误差较大,所以导致一直以来也没有办法取得突破。在国内,对微波固体流量计的深入研寥寥无几而且基本上都是侧重于系统或硬件。纵观微波法测固体质量的发展历史,很少有学者可以从理论研究或信号处理的角度完整地对微波固体流量计进行概括和解析,再加上传统的信号处理方法在提取速度和质量参数时精度不高,容易造成结果误差较大。第 1 章 究目标查阅相关资料充分了解气体钻井的相关含义和气体钻井的工作过程,并进一步了解熟悉气体钻井过程中的岩屑返出系统各个步骤,分析返出岩屑的形态特点及其不同特点的影响因素,并对当前气体钻井返出岩屑质量测量的几种方案进行对比,结合微波法检测煤粉质量实例,初步建立微波法测量返出岩屑系统,最后对排砂管中气固两相流体进行动力学建模分析。究内容(1)准备内容:a、气体钻井含义及分类:气体钻井技术就是采用以气体为主要循环流体的欠平衡钻井技术,相对于常规钻井,其优势主要表现在保护和发现储层、提高油气产量和采收率、提高钻井速度、减少或避免井漏等方面的优势。分类上主要分为纯气体钻井,雾化钻井、泡沫钻井和充气钻井。b、岩屑检测方法:分别对注气压力变化分析法 、排砂管出口人工观察法、排砂管线震动分析法、排砂管线内壁冲刷力法等方法的原理介绍,分析其在现场生产应用时的优缺点。c、微波固体质量检测方法:先分析在煤粉测量中使用的微波固体流量计的原理、结构、工作流程等,再结合气体钻井返出岩屑的特点,分析将微波固体流量计直接用于气体钻井有何难度,需要解决哪些问题。(2)论文工作a、返出岩屑部分:形态特点上,筛分法相关显示, 间;岩屑形态的影响因素上主要分为注气量、钻头破碎岩石的形式、气体速度、气体粘度、钻杆转速、钻杆偏心度等,并分析其如何影响岩屑形态。b、排砂管线中流体动力学模型的建立:利用 术对偏心钻柱、钻杆旋转情况下气固两相混合流动规律进行数据模拟,形象直观的观测相关现象。第 1 章 引言7c、气固两相混合物质量测量方案列举和比较:d、微波固体质量法的系统设计:选择合适的元器件,并绘制系统示意图(3)绘图要求:检测系统示意图第 2 章 气体钻井返出岩屑特点及影响因素8第 2 章 出岩屑的形态特点岩屑的形态特点主要考虑其粒径和形状。在检测岩屑的粒径时,筛分法作为最行之有效的测试方法,通过对不同的尺寸筛孔进行粒度测试,可以较为真实的对样品进行粒度反馈。有学者参照我国 量标准,对气体钻井中的岩屑进行了筛分法测量。其分别采集了取自我国普光 103以及大邑 3 井排筛管中的岩屑进行实验测量,其中普光 103的井深是 6 065 m,钻进位移是 1 其 4 200 m 的井段是空气钻井技术,试验用的岩屑取自千佛崖组层,深为 3 124 m。另一个测试井大邑 3 井的设计井深是 5 430 m,钻井位移不大于 120m,在 3 377 到 3 978.2 m 的井段是空气钻井技术,试验用的岩屑来自于须家河组须五段,深为 3 650 m。筛分法数据显示,大邑 3 井的岩屑体积粒度的平均水平是 图 2普光 103的岩屑体积粒度的平均值为 图 2[3]。图 2光 103岩屑最大粒径及岩屑形状图第 2 章 气体钻井返出岩屑特点及影响因素9图 2邑 3 井岩屑最大粒径及岩屑形状图岩屑形状是选择合理钻井注气量的重要依据。另一篇文献对辽河油田的 7 口井深0 到 3 500m的钻井进行了岩屑取样分析。结果表明,钻井下面的地层岩性、钻井的破岩工具和钻井工艺都影响着岩屑颗粒的粒径,粒径分布随井深的增加规律不同。(1)0 到 2 000m井段:此时用牙轮钻头破岩时,返出的岩屑粒径近似呈幂函数,粒径主要是以大尺寸为主,平均概率直径在 2)2 000 到 2 800m井段:此时用牙轮钻头破岩,返出的岩屑近似于平方的形式进行,粒径主要是以中等尺寸为主,平均概率直径在 3)2 800m以上井段:用 头钻井破岩,返出的岩屑屑粒径呈瑞利分布,平均概率直径在 4]。把钻井岩屑颗粒进行分段分级处理后,片状特征是十分明显的,在计算和假设中,可以把岩屑颗粒近似成片状颗粒。响返出岩屑形态的因素分析对返出岩屑进行影响因素归纳,对之后模拟排砂管中的流动情况,进而建立流体运动模型进一步分析相关数据提供基础支持。在气体钻井中,排砂管中的返出岩屑的粒径大小与注气量、钻进速度、气体速度、气体粘度、钻杆偏心度以及地质特点等都有关系,是一个十分粗略的数据。下面列举部分比较明显的影响因素:(1)注气量。当气体钻井的注气量不足时,岩屑滞留内壁促使摩阻加大,有可能会出现卡钻的现象,而当注气量过高时,钻井整套设备都会因为无端的压力而损耗加大,使之使用寿命减少。(2)钻头破碎岩石的形式。当具有尖角的岩屑以一定的速度向钻杆冲击时,由于与钻杆接触的面积很小,岩屑会第二次,第三次乃至更多次的磨损,使岩屑形态处于变化过程中。第 2 章 气体钻井返出岩屑特点及影响因素10(3)气体速度。气体粘度 a·s 和钻杆转速 60r/,所测得的岩屑直径为 1右,而在钻杆偏心度是 的时候,对气体速度在 12m/s 的岩屑运移情况进行分析计算,结果表明:在最开始气体速度对岩屑颗粒的体积分数影响不大,但是随着实验的进行,岩屑颗粒体积分数开始跟着气体速度的增加而降低,当气体速度达到 11m/s 时,开始出现一个逐渐平稳的过程。(4)气体粘度。气体粘度 s 时,运算结果表明在增大气体粘度的情况下,岩屑的颗粒体枳分数是逐渐变小的,而减小的幅度也是随着实验的进展而越来越大,最后在 s 逐渐平稳。(5)钻杆转速。钻杆转速对气体钻井中岩屑形态的影响较小,而岩屑的粒径在钻杆的转速为 150r/m 以下时,转速越大时粒径就会有较为小幅的增加,而在钻杆的转速大于 150r/屑的粒径则会小幅的减少 [5]。(6)改变钻杆偏心度。钻杆偏心度对于气体钻机中岩屑的形状有着重大的影响,其中岩屑的颗粒体积分数随着偏心度增加而明显的增加。章小结气体钻井是把气体当做钻进的循环介质,进行欠平衡钻井的技术方法。气体钻井主要分为纯气体钻井、雾化钻井、泡沫钻井、充气钻井等,在用筛分法对岩屑粒径和外形进行分析时,发现气体钻井中岩屑的粒径主要分布在 间,并且钻井下面的地层岩性、钻井的破岩工具和钻井工艺都影响着岩屑颗粒的粒径,粒径分布随井深的增加而规律不同。排砂管中的返出岩屑的粒径和形状受注气量、钻进速度、气体速度、气体粘度、钻杆偏心度以及地质特点等的影响,是相对比较粗略的数据。第 3 章 岩屑返出系统检测系统设计11第 3 章 出岩屑质量监测方法由于气体钻井中返出岩屑的流动形式和规律十分复杂,单纯利用理论方案和数学计算无法完美解决混合其质量测量问题。从国外到国内,从实验模拟到数值模拟,从理论分析到实际操作,专家学者提出了一系列的方案进行测量,比如注气压力变化分析法、排砂管出口人工观察法、排砂管线震动分析法、排砂管线内壁冲刷力法等,当然,每种方案都有其适用性和局限。气压力变化分析法方案原理:当气固两相混合流经过文丘里管节流元件时,其会产生一个压力错差,利用压力差计算气固两相的质量和质量。在两相流中,流经节流元件的压差比即两相流体的质量与质量成正比例关系,如 3示。(3度: (3如上式,k 为比例常数,其由试验现场的器材、环境因素来决定;为气固混合流在流经节流元件时的压力差;为纯气体(多数为空气)在流经节流元件的时候的压力差;为固体的质量;W 为气体质量。砂管出口肉眼观察法方案原理:观察法是指项目研究者通过相关的研究方法、提纲以及观察表格,用自己肉体感官和相关辅助工具直接的、无障碍的观察被研究对象,取样后进行直接观察分析,获得调查资料的方法,图 3排砂管实拍图。第 3 章 岩屑返出系统检测系统设计12图 3砂管线实拍图在对返出岩屑进行质量测量时,调查员来到井场的排砂管附近,选择合适距离进行肉眼观察、记录,过程中可以使用各种计量工具,例如天平、尺子等进行取样和物理性质分析。人工观察法的主要优点是能通过观察直接获得最真实资料,不需其他中间环节,并且可以及时捕捉正在发生、可能难以用文字表达的现场。人工观察法的缺点是受时间和场地状况限制比较大,并且自身感官的生理限制会使结果受主观意识的影响,也不适合长时间、大面积的进行测量。砂管线震动分析法(1)方案原理:排砂管线震动分析法主要依靠一个正在旋转的圆筒,在圆筒的表面,有两个成 180°直线对称分布的捞砂篮,圆筒的作用是收集从振动筛上掉落的岩屑,与此同时捞砂篮进行捞岩屑动作,最后每个捞砂篮可捞到 10L 左右岩屑,具体容积视圆筒容积而定。两个负荷装置和圆筒结构相连,在装置工作前,预先设定一个预定值限制圆筒总重量,当到达此值时,圆筒开始执行旋转操作,将岩屑倒空,反方向重复捞砂倒砂操作,此过程可设定为重复进行。在装置执行过程中,电脑会记录并计算每次倒砂捞砂的平均值。最后在通过传输线路把现场数据进行及时采集和回收,集中对返出岩屑进行系统分析。在此过程中,为提升测量的成功率,在启动装置前确定真实的岩屑与钻井液重量比,便于实时对岩屑质量进行校准和修正 [6],图 3排砂管线震动分析法流程图。第 3 章 岩屑返出系统检测系统设计13图 3砂管线震动分析法流程图(2)测量装置组成:捞砂篮:捞砂篮圆筒直径为 150~200 ,每个捞砂篮可填装 10~12 L 岩屑;电动机:具有防爆性能的标准电动机;程序逻辑控制器 于实时检测和监控,输出值有两种处理方式:一种方式是将这些信号传输给现场监测系统;另一种方式是使用一种备用存储模块 ,此模块内容可随时由计算机读出;负荷装置:两个负荷装置连续测量圆筒轴部的重量,同时将信号传输给 给测量装置上的电动机传送信号;定位传感器:测量放大器放大器可以实现对负荷装置内部存储电路的低信号的转换放大,将几千伏信号转换为 0~20 读数,并以此作为 输入信号;外部屏蔽保护装置:必须采用屏蔽保护装置将内部存储电路与高压电路分隔开;配电箱:所有的电子部件,包括 动机开关、紧急停机开关等都必须安装在一个金属箱内,并且要安放在井场易爆区以外的地方,通过使用外部屏蔽保护装置确保安第 3 章 岩屑返出系统检测系统设计14全;电缆:使用两种不同型号的电缆,一种用于系统内部存储电路,另一种用于电动机的供电电路。砂管线内壁冲刷力法(1)方案原理:排砂管线内壁冲刷力法主要是利用专用传感器进行精确测量。 [7]冲刷力传感器可以将受力情况以电信号的形式进行转换。当传感器的受力方向发生变化时,电荷的性质和极性也会随之变化而改变。在压电的材料受到来自外界的冲击时,材料内部会发生物理变化,产生极化现象,与此同时,相反的两个表面会同时产生极性相反的两种电荷,当外力去掉后,自我恢复到不带电的转态。当晶体受外力作用时,所产生的电荷与外力大小成线性关系,这样就可以较为方便的测量其他物理量,如图3 3砂管线内壁冲刷力法原理图冲刷力传感器所传输的电信号,经过公式 3换后,可得出冲刷力的值。(3中:F 为元件所测得的力,为电荷放大器输出电压,为放大器放大倍数:为传感器感应灵敏度。第 3 章 岩屑返出系统检测系统设计15图 3砂管线内壁冲刷力法流程示意图如图 3进行质量测试时,当返出岩屑打到设定的取样板时,取样板与装置机架之间的力传感器实时可以捕获管道内壁所受冲刷力的径向 轴向 复几次同时进行合力测试,若岩屑返出的越多,颗粒随着越大,冲刷力也越大。种测量方法的综合比较以上有关返出岩屑质量测量的几种方法,分别分析它们各自的优点,缺点和使用条件,可比较如下:(1)注气压力变化分析法,此种方法无法适用流体有加速度的情况下。(2)排砂管出口肉眼观察法,这是一种使用范围很广,使用频率很高的方法,它不需要操作员有太多的知识水平和操作能力,缺点是受时间和场地状况限制比较大,不适合长时间、大面积的进行测量;人工观察法适用于对精度要求不高,可简单、节省、迅速的完成小批量或者单件的质量检测。(3)排砂管线内壁冲刷力法,它是利用电子元件冲刷力传感器独特的元件特性,结合科学的测量方式进行的质量测试。此方法可行而且流程简单,操作十分方便,经济性高等特点,可及时准确的进行信息反馈和显示。但是这种冲刷的方法由于安装在管壁,且测量元件与岩屑相接触,稳定性稍差且安全性低,对安装的精度比较高且电子元件的灵敏度可能失真,如图 3 3期使用的排砂管内部细节图第 3 章 岩屑返出系统检测系统设计16(4)排砂管线震动分析法,它是巧妙利用正在旋转的圆筒,加上 件的应用,使得测试集成化程度高,但是圆筒的运行和运行过程中岩屑的情况是无法准确保证的,尤其是捞砂篮在倾倒岩屑的过程中,可能会因为岩屑存在水分和泥浆,粘附在捞沙篮内壁,使得不能准确得出每次倾倒的质量,在所以此种方案精度略低 [7],图 3排砂管线震动分析法装置示意图。图 3砂管线震动分析法装置示意图在以上所述的 4 种方法中,其中 1,2 是传统的测量方案,它们均可直接利用跟返出岩屑流体自身相关的参数或者气固两相混合物自身流动的参数,进行测量,简单有效但是在连续测量和实时测量上表现不尽如人意。而第 3、4 中测量方案,虽然可以解决在可持续性和实时测量性的要求,但是由于测量装置体积比较大,导致其测量准确度略有下降,且相对成本高。量原理微波固体流量计发射电磁波,在金属管道形成的特殊微波耦合,产生一个测量场。在管道中耦合的微波被固体颗粒反射回来并被传感器接收,计算出被接收信号的频率和振幅。传感器工作原理类似于颗粒计数器,记录单位时间内流动的物料颗粒的数量。应用多普勒原理,仅流动的颗粒能被测量,得出岩屑的密度,连续计数也就得出质量 [8]。图 3示为微波固体流量计测量横向剖面图,图 3微波固体流量计测量原理第 3 章 岩屑返出系统检测系统设计17图。图 3波固体流量计测量横向剖面图图 3波固体流量计在煤粉测量中的应用在工业生产中,当煤粉输送管道的质量和质量分配不均匀时,很可能会出现煤粉的局部质量偏高、偏低的故障情况,可以设计微波固体流量计在线实时显示煤粉管内的流速和质量,并回馈于生产实践,调整二次进风量,力求实现燃烧最佳状态。将煤粉可以近似看成颗粒均匀、性质相同稳定的粒子,在工业中已经投入使用的波固体质量仪,仪器通过固体反射的能量进行测量密度,在形式上类似于微波计数器 [10]。如图 3示,可以连续不间断记录单位时间里,流过特定管道的物料颗粒数,推算出物料质量。在选择的频率上,可以通过多次实验进行标定,选用特定频率可以准确测量微粒数目,设计出的整套仪器可以通过简单按键操作完成控制过程。第 3 章 岩屑返出系统检测系统设计18图 3波固体质量仪安装实例(1)系统组成:在煤粉质量的检测中,完整的微波固体质量测量系统包括:传感器及底座:中央处理单元) [11]:接线盒(连接传感器与中央处理单元)。专用传感器与 间可以采用 接,当接线距离过长可借用 线盒,如图 3 3统结构示意图(2)传感器的选择与安装:雷达传感器是传感器部分的核心元件,其功能是发射信号与采集反馈数据。从工业生产的常用频率看,主要有 0 波固体质量仪采用的则是 达传感器。若工作时的频率越高,传感器部分的分辨率也就越高,但是传感器的体积反而更小。在传感器的安装上,可以根据煤粉输送管道的具体区域状况,选择较为合理的位置。当管道管径大于 200,可在每根管道上安装 2 到 3 个传感器,而两个传感器之间的距离应大于 150 布呈 90°或 120°。(3)信号处理部分:此部分是整个微波固体流量计系统的重要核心部分。它接收第 3 章 岩屑返出系统检测系统设计19到传感器的采集数据,利用其硬件模块和软件模块,分析和处理之后反馈到控制部分,完成检测反馈。其中,硬件模块多由一个或几个 成。软件模块则是依据一定的信号处理方案进行的编程代码 [12]。(4)测量精度:意义要求的固体颗粒直径从 1 1 可,测量的准确度则优于±2%(进行标定操作后) [13]。波固体流量计在返出岩屑测量中的应用(1)相比煤粉需要解决的难题:被测物体形态上:岩屑形状复杂多变,两者粒径相似。形状:电厂大型燃煤机组一般都采用直吹式制粉系统,即每台磨煤机出口有 4~8 根一次风煤粉管道直接与锅炉燃烧器相连,煤粉经过输粉管输送到燃烧器进行燃烧。由于各煤粉管道的长度和弯头数量不同,使得每根管道的压损不同,由此形成各煤粉管道之间煤粉分配不均,煤粉相对形态有较小的差异,但是其他性质差异不明显;在气体钻井中,排砂管中的返出岩屑粒径大小和形状与注气量、钻进速度、气体粘度、钻杆偏心角以及地质特点等都有关系,受环境影响极大,颗粒相对之间有较大差异,是一个十分粗略的数据。粒径:微波固体流量计的测量精度要求是所测固体颗粒直径从 1 1 可,测量的准确度则优于±2%(进行标定操作后)。通过资料查询,电厂大型燃煤机组所用燃煤在经过输送后粒径约为 筛分法数据显示,大邑 3 井的岩屑体积粒度的平均水平是 光 103的岩屑体积粒度的平均值为 径基本处于同一水平。工况环境上:岩屑返出过程中,工况复杂远超煤粉。气体钻井的工作环境受地质特点、天气、管道长度大小等的影响较大,具有不可预测性。而电厂大型燃煤机组一般位于环境较为平和的地域,稳定性大,可控制性强,易于检测。标定方式不同:煤粉测量很成熟,岩屑微波刚刚起步。返出岩屑测量技术测量的准确性需要靠实测数据来调整,需要在输送工况下先用输送载气进行标定,而后通过多次重复进行岩屑翻出过程对煤粉进行标定。而部分测量煤粉的设备可以根据水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心等出具的行业标准,不需单独对载气进行标定,而是第 3 章 岩屑返出系统检测系统设计20在输送工况下进行标定。(2)测量系统示意图:气体钻井的返出岩屑随着气体进入排砂管网中,管道为金属管;传感器安装在管道上,并保证传感器与管道成一定夹角,需要在管道上打孔,以便传感器能顺利地发送和接收测量信号;信号经过电缆线路经信号放大器进行数据处理单元,进行处理,最后记录入电脑中,经特定标定方案后,确定岩屑的质量,如图 3 3量系统示意图图 3示,传感器发射单频连续波,同时接收运动的岩屑颗粒散射的回波信号。信号经过混频和采样得到多普勒信号,然后通过缆线被传输到信号处理部分进行速度和浓度的参数提取并计算质量。如图 3测量场景的俯视图,可以看到波束的实际横向宽度大于管道的直径,这是为了保证波束尽量能照射到流经管道的所有返出岩屑。第 3 章 岩屑返出系统检测系统设计21图 3感器安装正视图图 3章小结本章首先对注气压力变化分析法、排砂管出口人工观察法、排砂管线震动分析法、排砂管线内壁冲刷力法等方法的原理进行和描述,分析了其在现场生产应用时的优缺点。然后针对微波固体质量检测的方法进行研究,通过分析其在煤粉测量中的使用方法的微波固体流量计的原理、结构、工作流程等,再结合气体钻井返出岩屑的特点,分析将微波固体流量计直接用于气体钻井有何难度,需要解决哪些问题,最后设计微波固体质量检测方法检测返出岩屑的质量的结构和简单流程。第 4 章 排砂管线内流体动力学模型的建立22第 4 章 排砂管线内流体动力学模型的建立计算流体力学是用电子计算机和离散化的数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析的一个新分支,通过理论分析和实验来研究流动现象的规律。在气体钻井技术中,应用计算流体力学可以观察到无法通过实验而得到的结果,例如可以通过数值仿真模拟钻柱在旋转或偏心之类的条件里气体以及固体两相的流动规律,从而可以体现出流体分别位于井内各处时的运动特点。气体钻井需要用到环空水力学,在学术归类上环空水力学隶属于气体固体双向紊态流动范围。相比于常规钻井工艺来说,在气体钻井过程中,环空部分的气固两相流速比较大,是非常规湍流特征 [14]。相比于常规钻井工艺,气体钻井具有以下特点①气体钻机中的介质——气体在物理特性上具有可压缩性;②钻井介质与返出岩屑之间的密度差较大,不可忽略。所以,不可以将常规的泥浆钻井经验直接应用到气体钻井工艺上。相流模型的分类目前用于研究多相流的方法有欧拉——欧拉法,拉格朗日法。拉格朗日法对应的型为 型,主要研究方向是稀疏两相流;欧拉 ——欧拉法所对应的体积分率没有任何限制,所以不同的相在被处理成连续介质的时候,互相贯穿的介质与离散相和流体相之间会存在质量、动量与能量的交换,总体包括 型、型。(1)第一种方法适用范围较小,运用 法来对粒子的活动路线进行追踪的 型。排除连续流体的运
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本文标题:气体钻井岩屑返出系统检测
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