海底泥浆举升圆盘泵优化研究及其多级泵开发

摘要

国外20世纪60年代研究的双梯度钻井(DGD)技术,已在理论上解决传统海洋钻井技术在深水中遇到的技术难题。在诸多双梯度实现方法和系统中,仅有挪威AGR公司研究的无隔水管泥浆回收(RMR)系统得到广泛的工业应用,获得显著的经济和环境效益。本文主要结合国家科技重大专项——大型油气田及煤层气开发子课题海底泥浆举升钻井技术研究(2008ZX05026-001-12),开展无隔水管泥浆回收钻井技术关键设备之一海底泥浆举升用圆盘泵优化研究及其多级泵开发等研究工作。主要成果如下:
　　 1海底泥浆举升圆盘泵样机开发及试验研究
　　 在参考国内外离心式旋转机械成熟设计方法及借鉴Discflo公司优秀圆盘泵水力模型基础上,完成我国海底泥浆举升圆盘泵样机设计,并针对该样机开展CFD数值模拟试验研究及全流场水力性能预测;完成圆盘泵样机加工制造及室内试验,进一步验证设计合理性,并与CFD仿真试验结果作对比验证,为进一步改进圆盘泵样机奠定基础。
　　 2海底泥浆举升圆盘泵叶轮盖板形式改进研究
　　 为改善圆盘泵水力性能,实现国产圆盘泵样机创新性设计,针对圆盘泵叶轮盖板形式开展改进研究。先后提出三种改进方案,分别是:圆弧圆盘泵方案设计、圆锥圆盘泵方案设计及开式叶片圆盘泵方案设计。同时利用CFD软件针对不同方案类型的圆盘泵样机开展优化模拟研究,为改进型样机设计提供理论指导。
　　 3海底泥浆举升圆盘泵叶片形式改进及试验研究分析
　　 为进一步改善圆盘泵水力性能,同时针对圆盘泵叶片形式进行结构改进,先后提出三种针对圆盘泵叶片形式改进的方案,分别是:单倾斜叶片圆盘泵、双倾斜叶片圆盘泵及复合式叶片圆盘泵。并分别针对影响三种类型圆盘泵的多种因素,利用CFD仿真软件开展正交试验优化模拟研究分析,分别提出了最佳优化方案。在此基础上,设计、加工及试验研究了双倾斜叶片叶轮和复合式叶片叶轮。试验结果表明,改进后的圆盘泵在水力性能方面较改进前圆盘泵有显著提高,而且改进后的圆盘泵水力性能与CFD仿真分析试验结果接近一致,进一步验证CFD针对圆盘泵开展数值模拟研究的正确性。
　　 4海底泥浆举升多级圆盘泵数字样机开发及仿真研究
　　 为满足深水无隔水管钻井技术需求,开展海底泥浆举升用多级圆盘泵数字样机开发及数值模拟研究,完成不同方案的多级圆盘泵数值仿真研究,确立了水平中开式多级泵设计思路。在此基础上,进一步开展水平中开式多级圆盘泵吸水室的详细设计,过渡流道研究分析,并利用Proe三维造型软件完成设计两级圆盘泵数字样机,利用CFD软件完成两级圆盘泵的数值模拟仿真研究。研究结果表明:水平中开式两级圆盘泵其水力性能比较完善,效率与单级圆盘泵效率接近,扬程约为单级圆盘泵2倍,为开展深水海底泥浆举升用多级圆盘泵研究奠定基础。