一种双层保温取心管结构设计与流场数值模拟分析方法与流程

1.本发明涉及取心管设备技术领域，尤其涉及一种双层保温取心管结构设计与流场数值模拟分析方法。


背景技术：

2.在国家中长期规划中，川藏铁路已经成为了西部大开发的重点工程，川藏高速公路也以列入规划不过由于气候，地理条件的共同作用，这条交通大动脉的勘探极其复杂，存在诸多地质灾害例如：滑坡、崩塌、冻土、破碎、错落、高低震区与地热，目前在川藏线复杂地层上开展的钻探工作，受到地质条件的影响以及工程技术难题，常常难以保证钻探质量，比如山区崎岖的道路使得复杂笨重的钻机钻具难以运输，调配钻井液所需的水需要人工背运，破碎地层的连续变化需要通过良好的钻进工艺进行处理，冻土的离散分布都会导致取心工作技术难度大，对于较厚的冻土区域，常常出现岩芯中的冰已经融化或钻具冻住的现象；
3.冻土(冻结岩石)是川藏线前期勘探面临的主要挑战，在冻土中进行钻进时面临的第一个问题：由于岩石中有冰相水分的存在，钻具与孔壁摩擦，碰撞产生高温会使冻土结构发生相变从而使勘探过程复杂化，此外在孔内循环的钻井液自身以及携带的来自其它深度地层的热量都会使取心过程中岩心温度升高的温度，这样的温度会影响采取到的岩心的性质，当采取到的岩心已经发生相变，即已经失去了勘探的意义。而目前市面上的保温取心器大多用于天然气水合物开采，结构复杂，造价昂贵，科研的定位使其不能参与到川藏线勘探这样大规模的作业中来；第二个问题是冻土区域破碎，崩场，错落，滑坡，由此导致取心率低，普通取心管难以满足取心率的要求，因此本发明提出一种双层保温取心管结构设计与流场数值模拟分析方法以解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的在于提出一种双层保温取心管结构设计与流场数值模拟分析方法，该种双层保温取心管结构设计与流场数值模拟分析方法具有能根据实际的地质情况，来设计适应地质情况的双层保温取心管结构，解决现有技术中不能满足取心率要求的问题。
5.为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种双层保温取心管结构设计与流场数值模拟分析方法，包括以下步骤：
6.步骤一：对常见的取心管的功能、作用、优缺点及优化措施进行调研，通过对调研的取心管数据进行整理分析，选出有用的数据，进而通过选出的数据，掌握取心管的结构特点与适应地层条件，明确取心管的结构的设计原则与主要影响因素；
7.步骤二、根据实地勘探的地质条件，优化设计针对难取心地层的取心管，并针对冻土地层，设计快速散热的水路结构及持续对岩心保温的结构，并根据设计的结构利用软件进行建模，复现常见取心管的内部水路模型；
8.步骤三：对步骤二中初步设计的取心管结构进行强度校核，模拟发生的不同实际工况，对设计的取心管进行多种情况的校核，并利用软件对其进行分析，根据规范对比材料允许值进行试验，若实验结果在预设范围内，则合格；
9.步骤四：对步骤三中实验合格的取心管，利用数值模拟工具进行内部流场分析，根据取心管在工作时的不同阶段发挥的效用，验证水路结构的运作情况；
10.步骤五：根据步骤四中验证的结果，再对取心管内部利用软件进行温度场分析，即仿真被底部钻头加热的钻井液再内部循环的降温过程，验证水路设计是否能让岩心持续保温；
11.步骤六：当步骤五中验证的结果为合格后，即得到了设计完成的取心管样品数据。
12.进一步改进在于：所述步骤一中，设计原则包括取心管的结构合理性、耐久性、性价比、易拆卸性、易组装性及水路循环畅通性。
13.进一步改进在于：所述步骤三中，不同实际工况包括三种工况，第一种工况是正常钻进时，取心管上部与钻杆相连接，会直接承受钻铤施加的压力，第二种工况是当发生埋钻需要强力起拔时，下端钻头被约束，上端需要承受较大拉力，第三种工况是当钻头被卡死时，下部钻头无法转动，上部接头承受较大扭力。
14.进一步改进在于：所述步骤三中，当实验结果未在预设范围内，则使用多组对比模型进行参数调整，进行改进，直至实验结果在预设范围内。
15.进一步改进在于：所述步骤四中，工作时的不同阶段包括两种阶段，第一种阶段是正常钻井作业适中的钻进过程流场模拟与分析，第二种阶段是在进行卡取岩心并提钻作业中的提钻过程流场模拟与分析。
16.进一步改进在于：所述步骤四中，当验证水路结构的运作情况为不通畅时，跳入步骤二中，重新对水路结构进行设计，并进行后续步骤。
17.进一步改进在于：所述步骤五中，通过两种情况进行温度场分析，第一种是在钻进过程中的温度场分析，第二种是在提钻过程中的温度场分析。
18.进一步改进在于：所述步骤六中，对得到的取心管样品数据进行环保性、工艺可行性的评价，得出最终结论。
19.本发明的有益效果为：该种双层保温取心管结构设计与流场数值模拟分析方法通过对常见的取心管进行调研，并结合实地勘探的地质条件，设计针对性的取心管，并通过软件进行建模，再对建模后的取心管进行了ansys的受力分析，模拟实际运用中会被施加到的双向载荷的情况，之后再通过数值模拟工具进行内部流场分析，检验管内流体是否会按照设计时所预想的路线流动，最后，再利用软件进行温度场分析验证水路设计是否能让岩心持续保温，最终建立了一套成本低廉，运输方便，结构可靠，保温性能良好的双层取心管，满足并能够适应目前对取心率的要求。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本发明的步骤流程示意图。
22.图2是本发明的数值模拟工具分析的步骤流程示意图。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.根据图1所示，本实施例提出了一种双层保温取心管结构设计与流场数值模拟分析方法，包括以下步骤：
25.步骤一：对常见的取心管的功能、作用、优缺点及优化措施进行调研，通过对调研的取心管数据进行整理分析，选出有用的数据，进而通过选出的数据，掌握取心管的结构特点与适应地层条件，明确取心管的结构的设计原则与主要影响因素，设计原则包括取心管的结构合理性、耐久性、性价比、易拆卸性、易组装性及水路循环畅通性；
26.其中，结构合理性及耐久性是由于在川藏铁路沿线地层破碎，胶结性差，整体强度小，怕振动，怕冲刷，岩心不易卡取，在提钻过程中容易发生脱落，因此在设计时应采用双管式取心管，将岩心保护在内管里，避免冲洗液直接的冲刷；另外在内管上安置一球阀，球阀不仅能使冲洗液单向通过，同时能对过水截面产生限流的效果，避免了高速的冲刷使得岩心采取率过低；
27.性价比是由于市面上现有的保温取心器大多造价昂贵，且都用于科研开采，若将这类取心管用于生产会产生成本过高的不利因素，因此从选材上应该采用强度合格，性能合格的原材料，比如结构钢在材料便宜的同时也是基础的生产材料，适合在条件有限的情况下使用；
28.易拆卸性及易组装性是由于川藏沿线交通不利，勘探材料若过于笨重则会造成运输不便，再加上高原条件下氧气稀薄，负重过大会使得现场工作人员的安全得不到保障，因此整体应该采取可拆卸式结构，通过运输轻便零部件至现场再进行安装，高效便捷；
29.水路循环畅通性则是为了避免岩心卡住取心管截面导致后续岩心无法进入，在通过在内管接通水路使一部分钻井液由内管上返，这样可以使周围的钻井液能对管壁和岩心间产生润滑作用，同时钻井液能对岩心产生浮力，流动的钻井液能形成局部负压牵引岩心上行，流入内管内的钻井液还能产生向上的推力；
30.步骤二、根据实地勘探的地质条件，优化设计针对难取心地层的取心管，并针对冻土地层，设计快速散热的水路结构及持续对岩心保温的结构，并根据设计的结构利用solidworks软件进行建模，复现常见取心管的内部水路模型；
31.步骤三：对步骤二中初步设计的取心管结构进行强度校核，模拟发生的不同实际工况，对设计的取心管进行多种情况的校核，并利用ansys软件静力分析模块对其进行分析，根据规范对比材料允许值进行试验，若实验结果在预设范围内，则合格，其中，ansys软件是一种工程模拟软件，静力分析模块(static structural)是该软件的一种功能，即将建立好的模型导入ansys软件，然后根据取心管在地层中可能面临的三种工况，第一种工况是正常钻进时，取心管上部与钻杆相连接，会直接承受钻铤施加的压力，第二种工况是当发生
埋钻需要强力起拔时，下端钻头被约束，上端需要承受较大拉力，第三种工况是当钻头被卡死时，下部钻头无法转动，上部接头承受较大扭力，分别进行约束与受力定义进行分析，最后将分析结果与变形的数值与现有的《地质岩心钻探规程》相比较，根据比较的结果，若是合格，则当前设计的取心管是能够满足钻探时工况对其的要求，当实验结果未在预设范围内，则使用多组对比模型进行参数调整，进行改进，直至实验结果在预设范围内；
32.步骤四：对步骤三中实验合格的取心管，利用ansys fluent数值模拟工具进行内部流场分析，模拟分析的步骤如图2所示，根据取心管在工作时的不同阶段发挥的效用，验证水路结构的运作情况，工作时的不同阶段包括两种阶段，第一种阶段是正常钻井作业适中的钻进过程流场模拟与分析，第二种阶段是在进行卡取岩心并提钻作业中的提钻过程流场模拟与分析，当验证水路结构的运作情况为不通畅时，跳入步骤二中，重新对水路结构进行设计，并进行后续步骤，通过步骤四的分析结果，可以判断在不同的工况下，钻井液是否能始终环绕岩心与内管，并对其进行保温；
33.步骤五：根据步骤四中验证的结果，再对取心管内部利用软件进行温度场分析，即仿真被底部钻头加热的钻井液再内部循环的降温过程，验证水路设计是否能让岩心持续保温，通过两种情况进行温度场分析，第一种是在钻进过程中的温度场分析，第二种是在提钻过程中的温度场分析，其中，模拟分析拟的关键是控制钻井液温度在经过孔底循环，管壁间冷却后大致等于冻土相平衡温度，据此建立了两种工况下保温双层取心管-钻头回流热冲洗液的传热模型，当钻井液循环一段时间后，发现从钻头部传来的高温流体会被铝制内管快速降温至环境温度，温度与相平衡温度相持平，不会引发地层中冻土发生相变，即满足了设计的要求；
34.步骤六：当步骤五中验证的结果为合格后，即得到了设计完成的取心管样品数据，对得到的取心管样品数据进行环保性、工艺可行性的评价，得出最终结论。
35.本实施例中，其中static structural为ansys软件其中的一个静力学求解模块，其中有材料数据库可以自定义材料属性，可在geometry模块建模或从外部导入已经建立好的模型，在model里可以对已经设置好的模型进行网格划分处理，在setup里可以对已划分好网格的对象进行各个方向或者位置的约束，再施加受力情况，通过solution进行求解，最后通过result可以进行云图的绘制，直观的反应出物件的受力大小，变形情况等等。
36.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。