柱式气液旋流分离器结构设计柱式气液旋流分离器设计【摘要】平衡钻井技术有利于防止钻井液漏失、能及时发现和保护油气层，并能提高机械钻速等。
但是由于欠平衡装备价格昂贵，制约着这一技术的发展。
鉴于这种现状，自行设计了台应用于欠平衡钻井的管柱式气液旋流分离器。
管柱式气液旋流分离器是一种带有倾斜切向入口及气体、液体出口的垂直管。
它依靠旋流离心力实现气、液两相分离，与传统的重力式分离器相比，具有结构紧凑、重量轻、投资节省成本等优点，是代替传统容积式分离器的新型分离装置。
在气液两相旋流分析的基础上，建立了预测分离性能的机理模型，该模型包括了入口分离模型、旋涡模型、气泡及液滴轨迹模型；依据机理模型，提出了管柱式旋流分离器工艺设计技术指标和工艺步骤.设计根据管柱式旋流分离器的机理模型以及设计工况，完成了管柱式旋流分离器的结构设计、强度分析、理论校核、焊接工艺设计以及分离器内气液两相流的数值模拟，为工程设计和理论设计提供一定的理论依据。
【关键词】欠平衡钻井技术旋流分离器气液两相流动分离机理模型设计Gas-liqulid Cylindrical CycloneAuthor: Wang maohui(School of Mechanical Engineering, Yangtze University) Tutor: Feng Jin (School of Mechanical Engineering, Yangtze University)【Abstract】The balanced well drilling technology is advantageous in preventing loss of circulation, can promptly discover and protect hydrocarbon zone ,also can enhance the penetration rate. But the expensive under balance equipment has restricted this technology’s s development. In view of the situation,I designed a gas-liqulid cylindrical cyclone independently for the balance under drilling .The GLCC is one kind has leans the bevelling to the entrance and the gas, the liquid exportation hangs the ascending pipe. It can realize the gas-lip fluid separation depends upon the cyclone centrifugal force. compared with the traditional gravity type separator, which has the compact structure, the lighter weight, the smaller investment and so on.It’s a new disengaging equipment which replace the traditional volume type separator. On the basis of the gas-liquid two-phase cyclone analyses , has established the forecast separation performance mechanism model, this model include the entrance separation model, the whirlpool model, the air bubble and the bubble path model; Based on the mechanism model, proposed the tube column type cyclone separator technological design technical specification and the craft step.The design basis tube column type cyclone separator mechanism model as well as the design operating mode, has completed the tube column type cyclone separator structural design, the intensity analysis, the theory examination, in the welding technological design as well as the numerical simulation of the gas-liquid two phase floe in the separator simulations, provide the certain theory basis for the engineering design and the theoretical design.【Key words】:Under balanced drilling technology ，cyclone separator, Gas-Liquid two-phase flow, separation mechanism odel ，Design柱式气液旋流分离器结构设计目录柱式气液旋流分离器设计 (1)绪论 (2)欠平衡钻井技术的发展现状和前景 (5)1、设计背景 (6)1.1 选择气液旋流分离器的意义 (6)1.2 气液旋流分离器的国内外研究现状 (7)2、方案论证 (8)2.1 旋流式气液分离方案的可行性 (8)2.2 旋流式分离器的结构及工作原理 (9)2.3 旋流式分离器的优缺点 (9)3、结构分析及设计 (10)3.1 入口设计分析 (10)3.1.1入口管分析 (10)3.1.2入口喷嘴分析 (11)3.1.3双入口分析 (11)3.2主体结构设计分析 (11)3.2.1入口位置 (11)3.2.2最佳外形比 (12)3.2.3旋流体锥度 (12)3.3 出口管设计分析 (12)4、柱式气液旋流分离器参数设计 (12)4.1 计算分离器直径 (12)4.2分离器的高度计算 (13)4.2.1确定上半部分的高度 (13)4.2.2计算入口分流区的高度 (13)4.2.3计算旋涡区的高度 (13)4.2.4气泡轴向距离计算 (14)4.3分离能力计算 (15)①径向方向上 (15)②竖直方向上 (16)4.4液面高度的确定 (17)4.4.1 气室压力p1的确定 (17)4.4.2液面高度Z2的确定 (18)4.5入口管的设计计算 (20)4.6筒体强度设计 (21)4.6.1 设计参数 (21)4.6.2 筒体厚度设计 (22)4.7法兰的校核计算 (22)4.7.1排气管法兰校核计算 (22)4.7.2排液管管法兰校核计算 (25)5、气液两相流场的数值模拟 (30)5.1 数值计算方法简介 (30)5.1.1 控制方程 (31)5.1.2湍流模型 (32)5.1.3多相流模型 (33)5.1.4 数值计算方法 (35)5.1.5 边界条件的处理 (35)5.2 计算前处理 (36)参考文献 (37)柱式气液旋流分离器结构设计1、绪论1.1欠平衡钻井技术的发展现状和前景欠平衡钻井技术就是在钻井过程中,利用自然条件和人工手段在可以控制的条件下使钻井流体的循环液柱压力低于所钻地层的孔隙压力,以实现所谓的“边喷边钻”,这种钻井工艺技术叫欠平衡钻井。
欠平衡钻井技术最初是从美国得克萨斯州发展起来的.80年代以来,由于研制成功了旋转防喷器及其它欠平衡钻井配套设备,欠平衡钻井技术得到了大规模推广应用,在实施过程中,工艺和设备又不断的完善和提高,目前已经成为一项比较成熟的技术.在加拿大,由于与普通钻井相比,欠平衡钻井有多方面的优越性,加上政府的鼓励政策,因此欠平衡钻井技术发展很快,1992年采用欠平衡钻井技术完成30口井,1993年达到120口,1994年和1995年分别完成230口和330口.我国开展欠平衡钻井的研究起步较晚,但近年来随着塔里木油田解放128井、轮古2井、轮古2-0井、轮古2-2井、轮古4井、轮古2-1C井,大港油田板深7、板深8等井采用欠平衡钻井技术取得良好的开发效果和勘探突破,引起了人们对这项技术的极大兴趣.新疆、中原、胜利等油田也取得了一定的经验.目前很多油田都把欠平衡钻井技术作为钻井、开发技术的一个方向.正在积极从装备和技术上做准备工作,争取用欠平衡钻井技术取得好的勘探和开发效果.另外一方面,国际钻井招标也越来越多地要求采用欠平衡钻井技术,也将促进我国欠平衡钻井技术的发展.在未来钻井技术发展中,欠平衡钻井技术将同水平井、分枝井、连续油管钻井等技术一样,成为一种趋势.美国能源部和Maurer工程公司共同发展的一项调查表明，到2005年，美国国内采用欠平衡钻井技术完成的钻井数量将占到总钻井数量的30%，而且比较乐观的预测则是37%。
随着信息、装备的不断完善和市场的不断推动，我国欠平衡钻井的数量也将稳步攀升。
在钻井过程中，实现对油气层的充分暴露和保护，有利于发现油七层和增加油井产量，欠平衡钻井所具有的一些优势较好地适应了这种需要。
同时欠平衡钻井与常规过平衡钻井相比，其具有的优点优点有：（1）可以减轻或消除钻井液对地层的危害；（2）良好的地层显示，有利于达到勘探目的；（3）增加了防喷能力，降低了井喷失控的风险；（4）可以大幅度地提高钻速；（5）可以降低井漏风险，节约钻井成本；（6）可以减少压差卡井风险；（7）可以钻井过程中生产油气；（8）可以对地层进行较为准确的评价。
在欠平衡钻井过程出于安全的考虑和钻井工艺的特殊要求，除了所用的地面常规地面装备像氮或压缩气供应装置、容积小且压力大的注液泵、液-气混合管汇、节流管汇、钻屑或钻井液取样器、化学剂注射泵、采油分离系统和自动燃烧气体系统等，还需要一些专业设备，主要有高压旋转分流器-防喷器系统、液流导向系统、地面分离系统、隔水管帽旋转防喷系统、实用隔水管装置、模拟软件、地面数据采集系统。
但是国内欠平衡钻井装备开发能力还很低,只有少数厂家可以生产专业装备,常规和关键设备几乎全部是依靠进口.近几年来,欠平衡钻井技术在国内得到了充分的推广,并且取得了良好的效果和显著的经济效益.然而,昂贵的欠平衡装备是制约着这项技术的障碍,欠平衡装备配套国产化是国内众多厂家关注的焦点.液气分离器是欠平衡装备配套中的一大关键设备,其作用是将井筒内循环出来的气体与液体分离,从而保持正常的钻井工作。