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摘要
本文从粒子冲击钻井注入系统的设计及数值模拟研究入手，从钻井注入系统的结构设计以及数值模拟的相关参数设置和结果分析两个方面综述了该研究的主要内容。在结构设计方面，我们根据具体使用需要进行了系统的结构设计，并使用SOLIDWORKS软件进行建模以及有限元分析。在数值模拟方面，我们采用了基于ANSYS Fluent的欧拉-拉格朗日双流体模型进行了模拟，并分析了模拟结果，对于流体动力学特性和注入效率等方面都进行了综合分析。
关键词：钻井注入系统；粒子冲击；数值模拟；欧拉-拉格朗日双流体模型
Abstract
This paper mainly focuses on the design and numerical simulation of the particle impact drilling injection system. The main content of this study is summarized in two aspects: the structural design of the drilling injection system and the parameter setting and result analysis of the numerical simulation. In terms of structural design, we designed the system structure according to specific usage needs, and used SOLIDWORKS software for modeling and finite element analysis. In terms of numerical simulation, we used the Euler-Lagrange two-fluid model based on ANSYS Fluent for simulation, and analyzed the simulation results. We comprehensively analyzed the fluid dynamic characteristics and injection efficiency, etc.
Keywords: Drilling injection system; Particle impact; Numerical simulation; Euler-Lagrange two-fluid model
正文
一、 研究背景
近年来，随着油气勘探开采技术的进步，越来越多的人开始借助钻井工具进行油气勘探工作。然而，传统钻井工具难以满足现代油气勘探的需要，因此需要开发一些新的钻井技术。
粒子冲击钻井注入系统是一种新型的钻井技术，其具有高效、低噪音、低污染等优势，被广泛应用于石油勘探、深海钻探等领域。本研究主要针对粒子冲击钻井注入系统的设计以及数值模拟进行研究。
二、 系统结构设计
1. 系统组成
粒子冲击钻井注入系统主要由下列组成部分组成：粉粒子贮存罐、高压泵、冲击罐、冲击器、环绕器、输出管道、注入器、阀门等。
粉粒子贮存罐负责存放粉粒子，高压泵将粉粒子注入到冲击罐中，冲击罐将其储存并提高其压力，然后通过冲击器将其喷射到钻头上。环绕器将钻井口保持在合理的压力范围内。输出管道用于将废油排出。
2. 系统结构图
我们使用SOLIDWORKS软件进行系统建模，整个结构设计包括贮存罐、高压泵、冲击罐、冲击器、环绕器、输出管道、注入器等组成部分。
三、 数值模拟
1. 模型简介
我们采用了基于ANSYS Fluent的欧拉-拉格朗日双流体模型进行了模拟。采用欧拉-拉格朗日双流体模型主要是因为其能够同时考虑气相和颗粒相的动态行为，从而更好地模拟了粒子气体混合流。
2. 模拟边界条件
入口边界条件：气体初始速度为0，颗粒粗细范围为10um-100um。
出口边界条件：出口的压力值固定为0。
壁面边界条件：钻头和管壁的表面为滑动界面。
3. 模拟结果
我们通过分析模拟结果，得到了以下几个方面的结论：
（1）气体和颗粒在钻头处产生的二次喷出在系统中的偏移较小，能够有效避免环境污染；
（2）系统内的压力变化不大，说明系统的环绕器设计合理；
（3）颗粒与油气的混合效果良好，注入效率较高。
四、 结论
本研究设计了一种结构合理、功能完备的粒子冲击钻井注入系统，并运用ANSYS Fluent进行一些针对性模拟，结果显示该系统具有高效、低噪音、低污染等优势，在油气勘探、深海钻探等领域具有广阔的应用前景。