（机械工程专业论文）注水管内壁钻通清洗机理及除垢系统设计研究.pdf

1 7 ， r e s e a r c ho nd r i l l i n gc l e a n i n gt h e o r ya n d s c a l i n g s y s t e md e s i g nf o rw a t e rp i p e l i n e at h e s i ss u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：r e n h o n g w e i s u p e r v i s o r ：p r o f l i uy a n c o n g c o l l e g eo f m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) _7 m7i6叭mm7，8ii1y 弓 乏，f ， z 毫 ， 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 衅一一 日期：矽f f 年莎月z 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 日期：弦f 年多月z 日 日期勘( f f 矽月乡 摘要 注水管是重要的采油管具，孤东油田由于注水水质较差，含c a ：+ 离子、h c 0 3 。离子 以及含砂量较高，注水管线经长时间使用内壁结垢现象严重，导致工作管径大幅缩小， 注水压力下降，注水效率降低，因此需要定期将注水管取出清洗后继续使用。现有的清 洗设备不能有效除垢，大量结垢严重的注水管面临报废处理，不能重复使用，增加了生 产成本，因此对注水管除垢清洗的研究有重要的现实意义。 钻削除垢是较理想的方法，注水管的钻削除垢属于深孔加工，与常规金属加工的区 别在于钻削对象材料和结构不同，针对这些特点，选用多刃错齿钻头作为钻型基础，建 立有限元模型进行静力分析，根据分析结果对钻头结构进行优化设计，设计出了新型除 垢钻头；对新型钻头进行瞬态、稳态有限元分析，为后续设计以提供了理论依据；根据 优化设计得到的钻头基本结构，对新型除垢钻头进行了详细几何参数设计，和排屑能力 分析，验证了新型除垢钻头的排屑效果；以注水管内壁和垢物为研究对象，进行受力分 析，验证了钻头主切削力和轴向力能够有效除垢，并对注水管内壁垢物进行静态应力分 析，显示了钻削过程管壁应力状态；采用c a d 软件对钻削除垢系统进行了三维建模和 装配，为后续设计和实验提供了基础。 通过改进钻头结构和刀齿分布规律，将应力分布在多个切削齿上，使钻头切削条件 得到了改善。在排屑能力分析中，与刮刀钻头、单刃钻头、多刃错齿钻头进行了对比， 结果表明新型除垢钻头的切削液输送槽结构有效提高了切削液输送效果，并且排屑口设 计更合理，在除垢钻削中有较好效果。 关键词：注水管，除垢钻头，优化设计，排屑能力，有限元分析 孑 0 r e s e a r c ho nd r i l l i n gc l e a n i n gt h e o r ya n d s c a l i n gs y s t e m d e s i g nf o rw a t e rp i p e l i n e pe nh o n g w e i ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl i uy a h - c o n g a b s t r a c t w a t e rp i p e l i n ei sak i n do fi m p o r t a n to i le x t r a c t i o nt o o l s ，g u d o n go i l f i e l di n j e c t i o nw a t e r h a sap o o rq u m i t y , w i t hc a 2 + i o na n dh c 0 3 i o na n ds a n d , w a t e rp i p e l i n es e a l i n gs e r i o u sb y p r o l o n g e du s e ，r e s u l ti nas u b s t a n t i a ld i a m e t e rn a r r o w e d ，w a t e rp r e s s u r ed r o p ，r e d u c e dw a t e r e f f i c i e n c y t h e r e f o r ew a t e rp i p e l i n en e e dr e g u l a rc l e a n i n g c u r r e n te q u i p m e n tc a l ln o t c l e a n i n ge f f e c t i v e l y ，n u m b e ro fs c a l i n gp i p ew h i c hc a l ln o tr e c y c l e ，i sf a c i n gs c r a pp r o c e s s i n g ， w h i c hi n c r e a s e dp r o d u c t i o nc o s t s s ot h er e s e a c ho n s c a l i n gh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e d r i l l i n gs e a l i n gi sa ni d e a lm e t h o d s c a l i n gi n j e c t i o np i p eb e l o n g st od e e pd r i l l i n g t h e d i f f e r e n c ef r o mc o n v e n t i o n a lm e t a ld r i l l i n gi st h ev a r i o u sm a t e r i a la n ds t r u c t u r e f o rt h e s e c h a r a c t e r i s t i c s ，c h o o s em u l t i - t o o t hb i ta saf o u n d a t i o n e s t a b l i s h e df i n i t ed e m e n tm o d e lf o r s t a t i ca n a l y s i s ，o p t i m a ld e s i g nd r i l ls t r u c t u r e ，c r e a t e dan e wt y p eo fs c a l i n gd r i l l c a r r i e do u t s t a t i ca n dd y n a m i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，p r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rf o l l o w - u pd e s i g n d e s i g nn e ws c a l i n gd r i l lg e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，a n a l y s i sc h i pc a p a c i t y t a k et h ei n s i d ew a l lo f i n j e c t i o np i p ea n ds c a l ea sr e s e a r c ho b j e c t ，s t a t i cs t r e s sa n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ed r i l l i n g p r o c e s so fw a l ls t r e s s ，v e r i f i e dt h ed r i l lm a i nc u t t i n gf o r c ea n da x i a lf o r c ec a ns c a l i n g e f f e c t i v e l y u s ec a ds o f t w a r em o d e l i n ga n da s s e m b l yd r i l l i n ge q u i p m e n ts y s t e m ；p r o v i d et h e b a s i sf o rs u b s e q u e n td e s i g na n de x p e r i m e n t b yi m p r o v i n gt h es t r u c t u r e ，d i s t r i b u t e ds t r e s so nm u l t i p l ec u t t i n gt e e t h ，i m p r o v e dc u t t i n g c o n d i t i o n s c o m p a r ec h i pc a p a c i t yw i t hb l a d ed r i l l ，s i n g l ee d g ed r i l l ，a n dm u l t i b l a d ed r i l l ，t h e r e s u l ts h o w st h a tt h en e ws c a l i n gd r i l li m p r o v e dt h et r a n s m i s s i o ne f f e c t so fc u t t i n gf l u i d e f f e c t i v e l y w i t hm o r er e a s o n a b l ed e s i g no nc h i pe x p o r t , t h en e ws t r u c t u r eh a ss o m e a d v a n t a g e si nd r i l l i n gs c a l i n g k e y w o r d s ：w a t e rp i p e l i n e ，s c a l i n gd r i l l ，o p t i m a ld e s i g n ，c h i pc a p a c i t y ，f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s 1 1 ? ：； 目录 第一章绪论1 1 1 研究的背景和意义1 1 2 注水管内壁清洗技术现状2 1 3 深孔钻削技术的发展4 1 4 论文主要研究内容5 第二章钻削除垢原理分析7 2 1 水质调查及垢物分析7 2 2 钻削除垢工作原理9 2 2 1 钻削除垢钻头分析9 2 2 2 钻削除垢特点及钻型选择1 2 2 3 切屑形成与排屑1 3 2 3 1 切屑形成。13 2 3 2 负压排屑机理1 4 2 4 本章小结1 6 第三章钻头结构优化设计1 7 3 1 分析软件的选择17 3 2 钻头结构静力分析1 9 3 2 1 钻头有限元模型的建立1 9 3 2 2 加载及求解2 2 3 3 钻头体的优化设计2 5 3 4 钻头体模态分析2 7 3 5 谐响应分析3 1 3 6 本章小结3 2 第四章钻削除垢系统结构设计3 3 4 1 钻头结构设计3 3 4 1 1 刀体及刀齿结构。3 3 4 1 2 切削力求解3 6 4 2 钻头排屑能力分析3 8 i l l 一) 0 一 ， 4 3 导向块设计4 2 4 3 1 导向块的几何参数设计4 2 4 3 2 导向块位置角的确定一4 2 4 4 钻杆设计4 5 4 4 1 钻杆的弯曲变形分析4 5 4 4 2 钻杆的稳定性及强度校核4 8 4 5 负压排屑系统设计4 9 4 6 钻削除垢系统建模研究5 0 4 6 1 钻头系统的建模5 0 4 6 2 钻杆系统的建模一5 3 4 6 3 钻削除垢系统装配：5 4 4 7 本章小结5 6 第五章钻头除垢能力分析5 8 5 1 钻头剪切破垢分析5 8 5 2 钻头挤压破垢分析5 9 5 3 注水管内壁应力分析6 1 5 4 本章小结6 4 第六章总结6 5 参考文献一6 6 攻读硕士学位期间取得的学术成果7 0 致谢7 l i v 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 注水管是重要的采油管具。孤东油田由于注水水质较差，造成了注水管结垢、堵塞 等问题，导致注水压力不足，降低了注水效率，增加了采油成本。现有的注水管除垢设 备效果不够理想，因此对除垢方法进行研究有重要意义，注水管的钻削除垢属于深孔加 工，通过研究注水管内壁清洗技术现状，和深孔钻削技术等问题来确定论文研究方向。 1 1 研究的背景和意义 本课题来源于横向课题中国石化胜利油田分公司孤东油田注水管内壁除垢清洗技 术及工艺研究。 注水技术是油田重要的开采方式，它可以有效地补充地层能量，提高采收率，所以 注水管是重要的采油管具。孤东采油厂各站污水水型为c a c l 2 型，含c a 2 + 离子、h c 0 3 。 离子，和含砂量均较高，井下及地面注水管线经长时间使用，结垢与沉砂双重作用使得 内壁结垢现象日益严重，导致工作管径大幅缩小，井下注水压力急剧下降，注水效率降 低，因此需要定期将注水管取出清洗后继续下井使用【1 】。 孤东油田拥有高压水清洗设备和机械钻通清洗设备各一套，其中机械钻通清洗设备 运行情况不甚理想，因为大量注水管的结垢情况较为严重，结垢物致密坚硬，现有钻头 不能有效的破碎垢层和排除切屑，钻具堵塞、卡钻现象经常发生，钻通效率很低。该套 设备基本处于停运状态，待清洗水井管直接进行高压水冲洗，但部分注水管结垢堵塞严 重，剩余未堵塞管径仅为10 - - - 4 0 m m ，高压水设备无法深入注水管进行清洗作业，并且 由于装置压力有限，仅有部分结垢情况较轻的注水管达到了清洗目的，返回现场继续使 用，大量结垢严重的注水管由于无法进行钻通处理，不能回收再利用，面临报废，造成 巨大浪费，增加了生产成本。 针对上述实际问题，拟对国内外现有钻通清洗技术展开深入研究，并以此为基础对 孤东油田现有技术及设备进行改进设计，提出一套拥有自主知识产权的新型高效管具钻 通清洗技术，达到水井结垢管的高效率钻通清洗目的，使大量待淘汰的结垢管得到重复 利用，以降低生产成本。采用计算机辅助造型技术建立三维数字化模型，进行静态和动 态仿真分析，避免了设备、软件的重复投入，为设备试制及实验打下基础。因此，该研 究具有十分重要的意义。 f f 0 一 ， 第一章绪论 1 2 注水管内壁清洗技术现状 从二十世纪七十年代开始，国内外针对油田用注水管内壁清洗技术开展了大量研 究，目前的清洗措施主要有化学清洗、高压水射流清洗和机械方法清洗等。 化学清洗分为清洗剂清洗和柴油浸泡清洗( 主要针对油管) 两种。清洗剂清洗是利 用化学清洗液跟垢物发生化学反应溶解，再随清洗液排出的内壁清洗技术，需要先对垢 物样本进行分析，了解垢物的组成成分。国内外现有的垢物样本分析方法是薄层层析法， 将有机物分离为单一的或某一类的有机物，通过各组分质量比来确定其在有机垢物中相 对含量，再用红外线光谱仪对分离出的组分中的特征官能团进行鉴定和识别；对分离出 的无机物，首先采用红外线光谱仪作初步鉴定，再用等离子发射光谱对不溶物中的金属 元素进行定量测定，垢物中的硫采用燃烧质量法测定 2 1 。样本分析完成后，需要根据垢 物样本的组分配置化学清洗液。在有机物较少时，采用常规的无机清洗液即可起到良好 的清洗效果，当有机物较多时，通常采用一套由表面活性剂、有机溶剂和酸工作液组成 的混合清洗液体系，该清洗液由有机和无机清洗液组成【3 1 ，有机清洗液与垢物接触后， 溶解垢物中的有机物，使无机物分散暴露出来，被无机清洗液清除，可获得良好清除效 果。在现场除垢过程中，由于盐酸溶解铁化合物，为防止管道金属的腐蚀，使用时必须 加阻蚀剂，还需要加一种铁的多价螯合剂，以阻止铁再次发生沉淀【4 j 。化学清洗方法的 缺点是除垢不均匀，清洗剂腐蚀管壁缩短注水管的使用寿命，同时清洗剂消耗大，易造 成环境污染【5 1 。 高压水射流是近几十年发展起来的一门新技术，由于水射流具有工作介质低廉、能 量集中、传输效率高、装置体积小和环保等优点，所以在煤炭、石油、化工、机械、冶 金、航空、交通、建筑和轻工业等各部门得到广泛应用【6 】。高压水射流内壁清洗是一种 利用高压水冲击垢物使其脱落并随高压水排出的清洗技术，把常温下的水经高压泵加压 到5 0 m p a 左右后，液流通过喷嘴形成高速射流，射流穿过空气，冲击在固体表面，液 体接触区产生高接触应力，剥离管内壁上的垢物，从而达到清洗目的，高压水射流设备 具有操作简单、自动化程度高等特点【7 】。高压水射流清洗装置一般包括：高压系统、传 输系统、外清洗线设备、内清洗线设备、自控系统、水处理循环系统、质量检测设备等 几部分( 工作原理如图1 1 所示) 。高压水射流清洗也存在不足之处，水射流设备长时 间在高压力下工作，高压泵精度高、造价贵、易损坏，维修保养工作量大，投入成本较 大，清洗范围存在局限性，且操作人员的作业危险性较高。 2 清理机理有两种，一种是利用清管器摩擦、刮削作用剥离管内壁垢物，另一种是用清管 器周围泄露的流体产生冲力对垢物进行冲刷、粉化作用，以达到清理目的【引。清管器清 洗技术最早产生于德国，目前已在发达国家广泛应用，清洗装置主要有清管器球、发射 器、接收器、压力测量仪表、清管器跟踪仪等，与其它清洗技术相比，具有清洗管径大， 清洗管线长，对管线无损伤，所需人工少，操作简便等特点，实施过程中，清洗经验较 为重要【9 1 。f e s m a e i l z a d e h 等对清管器清理过程建立了数学模型进行研究【1 们，s t t o l m a s q u i m 等人对清管器进行了设计和操作控制分析l l ，江苏油田周拾庆等进行了清 管器改进设计及现场实验，均取得了较理想的效果。但是清管器在线清洗方法仅适用于 堵塞情况较轻的管线，针对结构特别严重的注水管线实施困难，反而容易造成清管器卡 堵等问题。 取出清洗包括多种方法，国内多个油田正在不断研究新技术新方法，例如马俊生等 研究的螺纹清扣器，用于清理管内螺纹中的泥沙颗粒1 1 引，冯定等改进设计了油管钻通机， 采用了特殊的结构形式，大大提高了钻通清洗效率以及清洗合格率【l 引。国内外对机械钻 通设备的研究，主要是对钻具的研究，姜春荣等的研究表明，在除垢过程中走刀量比一 第一章绪论 般车床大得多，并采用比普通钻头大的螺旋升角，可起到排屑顺畅的效果；刀杆联接处 采用多头梯形螺纹，能承受较大的扭矩；冷却液出口处两边分开并直接喷向两个主刀刃， 以求冷却、润滑和排屑效果更佳【1 4 1 。冯定等对刀头设计的研究的表明，刀头和钻通速度 及钻杆旋转速度需相互匹配；刀头在圆周上两两相错对称分布，保证包络覆盖面，使圆 周上的切削力分布均匀，减小刀头切削时瞬间的冲击振动；整体采用锥形设计，钻削中 融合扩孔和钻孔；钻头前进可根据实际需要调节钻头前进速度，后退时为全速后退，加 快清洗速度。 注水管钻通清洗的过程属于深孔加工，需要有高强度的动力装置和传动器械，同时 钻进过程钻杆受力复杂，易产生弯曲和扭转变形，采用支架可将变形控制在较小范围内， 保证清理工作顺利进行。目前有研究表明减小挠度的方法主要是采用高强度材料，使钻 头、钻杆保持较高的同心度，并且轴向力不应过高，选择合适的机械转速可把钻杆摆动 控制在最低程度。 1 3 深孔钻削技术的发展 机械加工工艺中的深孔，通常指长径比大于5 的孔，与普通的孔加工相比，深孔加 工的主要特点为：加工过程处于封闭状态下，不能直接观察刀具的切削情况；深孔加工 中的钻头难以及时散热，易导致钻头磨损；随着钻头钻进，排屑路径不断增长，导致排 屑困难；钻杆细长，工作时容易偏斜及产生振动，影响孔的加工精度f 1 5 】。 深孔钻削按排屑方式分类可分为两种：外排屑式，切削液由空心钻杆内部输入，经 过钻头钻削区，带着切屑由钻杆外壁和被加工孔间排出，该方法易于实现，但是排屑过 程易划伤已加工孔壁；内排屑式，切削液由钻杆外壁和被加工孔间进入，经过钻头钻削 区，携带切屑由空心钻杆内排出【1 6 】，排屑效果较好，加工孔质量高，但密封要求高。 深孔钻的发展经历了如下阶段【1 7 】【1 8 】【1 明。 ( 1 ) 十八世纪后期，枪匠们发展了深孔钻削技术，来制造枪管和炮管要求较精密 的孔。1 8 6 0 年美国发明了麻花钻，是钻孔领域重要的里程碑。麻花钻的主要缺点是钻头 自导性差，钻孔容易产生偏斜，不能连续排屑，效率较低。十九世纪末至二十世纪初， 为了加工高质量的枪炮管，枪匠发明了枪钻，它在钻头外加导向套，给钻头导向，并将 高压切削液从钻杆内孔输送到钻头，进行冷却和排屑。枪钻解决了麻花钻在深孔加工中 的一些问题，但仍属于外排屑加工方式，主要缺点是钻杆强度较低，切屑排出过程中易 划伤已加工孔表面。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 2 ) 1 9 4 2 年德国的贝斯内尔发明了内排屑加工方式，二战后，德国、英国、法国、 瑞典等国家成立了国际孔加工协会( b o r i n ga n dt r e p a n n i n g a s s o c i a t i o n ，简称b t a ) ，发 明了b t a 钻头【2 0 1 1 2 。与枪钻相比，b t a 深孔钻增加了钻杆刚性，采用了内排屑方式， 加工孔的表面质量得到提高。经过几十年的生产实践，钻头的发展基本定型，内排屑深 孔钻削加工已经形成一套较完整的体系，瑞典山特维克公司把直径3 m m 以上的钻头系 列化，列为该公司的定型产品，使b t a 深孔钻得到新发展【2 2 】【2 3 1 。 ( 3 ) 1 9 6 3 年，山特维克公司为了解决b t a 钻系统密封装置制造复杂的问题，发明 了喷吸钻( d o u b l e - t u b ee j e c t o rd r i l l s ) 。喷吸钻是在b t a 钻基础上发展起来的，它内置 套管结构，形成专用的进液和排屑通道，并利用了流体的负压喷吸效应原理，将高压流 体通过喷嘴向排屑通道内高速喷射，在喷射流的周围形成低压区，造成排屑通道内的压 差，产生抽吸力，将喷嘴附近的切削液和切屑一起吸走，从而达到加速排屑的目的。喷 吸钻的发明进一步完善了深孔钻削加工，很好的解决的深孔加工中排屑困难的问题。 ( 4 ) 二十世纪七十年代，日本冶金株式会社发明了单管喷吸钻( d o u b l ef e e d e r ， 简称d f 钻) ，恢复了b t a 钻的简单结构，淘汰了喷吸钻的套管结构，在钻杆末端的输 油器空腔中设置产生负压作用的喷嘴，从而保留了双管喷吸钻的负压抽屑特点，解决了 小直径b t a 钻钻削中排屑困难的问题，由于采用单管系统代替双管系统，提高了钻杆 的刚性和强度，更有利于提高加工效率【2 4 】。 ( 5 ) 国内也对深孔钻削做了大量研究，西安理工大学等研究部门经过多年探索， 将振动钻削技术引入深孔加工领域，研究开发了振动钻削深孑l t j n 工技术，取得了很好的 实验效果，提高了钻孔效率和加工质量【2 5 】f 2 6 1 。 1 4 论文主要研究内容 油田用注水管经长时间使用，结垢现象严重，导致有效管径减小，降低了注水效率， 因此需定期取出清洗后继续使用，现有清洗方法对结垢严重的注水管清洗效果不佳，使 大量结垢严重的注水管面临报废，增大了生产成本，因此，对注水管清洗方法的研究有 重要意义。 在分析化学清洗、高压水射流清洗和机械钻通清洗机理的基础上，对比得出机械钻 通清洗是更适合的清洗方法。因为大量注水管结垢物致密坚硬，现有钻头不能有效的破 碎垢层，钻具堵塞、卡钻现象经常发生，钻通效率很低，所以需要对钻头及钻通设备进 行改进设计。现有钻头为两翼刮刀钻头，该钻型不适合于深孔钻削，而且刀体结构不利 5 第一章绪论 于破碎垢物，同时钻杆和刀体末端的外径与注水管内径相差不大，外排屑空间狭窄，不 能及时把切削下的垢物排出，积累太多时，垢物与钻杆的摩擦力增大，对钻杆的旋转运 动起阻碍作用，随着垢物的持续增多，摩擦阻力将变的足够大以致于使钻杆停止转动， 发生堵塞或卡钻的问题。 论文主要包括以下研究内容： ( 1 ) 分析孤东油田注水水质和结垢状况，以及垢物主要成分、特性。 ( 2 ) 研究钻削除垢工作原理和特点，设计新型除垢钻头钻型结构，并建立有限元 模型，进行静态、动态应力分析，根据分析结果进行优化设计。 ( 3 ) 设计新型除垢钻头几何参数，分析其排屑能力，为生产加工提供依据。 ( 4 ) 设计导向块结构，分析其位置角的选取方法，设计钻杆和负压排屑系统的结 构，分析钻杆加支架前后的弯曲变形，校核其稳定性。 ( 5 ) 分析钻头破垢能力以及注水管内壁所受应力情况，帮助更好的了解钻削效果 和管壁应力情况。 ( 6 ) 利用c a d 软件建立钻头及钻削除垢系统的三维模型和装配模型，检查装配干 涉情况、为后续设计和实验提供基础。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章钻削除垢原理分析 选择钻削方法对注水管内壁进行除垢加工，与常规钻削加工不同的是，除垢钻削属 于深孔扩孔加工，加工对象材料及结构都有自身特点，普通用于金属加工的钻头不适合 用于除垢钻削，所以需要通过分析钻削除垢特点，选择合适钻型。 2 1 水质调查及垢物分析 选择孤东采油厂的一号到四号联合站以及k d 5 2 1 大站进行水质分析，用离子测定 方法分析不同的结垢情况，水质分析结果见表2 1 。 表2 - 1 孤东各站水质情况 t a b l e 2 - 1w a t e r q u a l i t yo fg u d o n gs t a t i o n s 取水样点 h c 0 3 c 1 c a 2 + m g + b a ( s r ) 2 +k + ( n a + )p h m g l 1m g l 1m g l 1m g l - 1m g l - 1n a g l 1 一号站5 0 9 6 71 0 1 6 81 8 3 4 77 5 6 0 45 5 6 7 02 3 3 4 57 7 二号站4 1 3 6 31 1 1 3 21 8 7 0 23 3 0 0 8 3 0 3 7 2 2 2 1 3 7 7 8 三号站3 6 1 7 3 9 0 1 2 21 2 4 6 2 4 7 9 2 31 0 3 9 32 4 5 6 8 7 7 四号站3 8 7 9 09 7 7 5 6 1 4 5 6 75 7 5 6 77 7 8 9 3 2 6 7 8 。4 7 6 k d 5 2 1 1 1 1 5 4 2 3 3 7 2 1 1 2 6 4 3 6 1 2 7 7 0 1 2 2 2 32 8 8 9 6 7 9 从表中可以看出，k d 5 2 1 大站的矿化度最高，为4 2 9 3 8 8 3 m g l 。由污水结垢的溶 度积和饱和指数法规则可知k d 5 2 1 大站的结垢情况为最严重，这与实际情况相符合口7 】。 形成的垢物的性质属类见表2 2 。 表2 - 2 垢物性质属类表 t a b l e 2 - 2c l a s sw h i c hs c a l en a t u r eb e l o n gt o 垢物 物理性状溶解性 b a s 0 4 不溶于盐酸，其中b a s 0 4 最难 无其它杂质坚硬致密的白色或浅色细颗粒 c a s 0 4 溶，垢层坚硬不易清除 s r s 0 4混有腐蚀物或常温下不溶于盐酸，加热后褐色 褐色致密物 混合氧化铁等物溶解，白色物不溶 7 第二章钻削除垢原理分析 无杂质致密的白色细粉末易溶于酸且产生气泡 含m g c 0 3 碎成菱形晶体溶解慢 c a c 0 3 易溶于4 的盐酸，剩余物为黑 含f e o 或f e s致密的黑色或褐色物 色或褐色物 f e s 铁与硫化氢反应的产物易溶于盐酸，剩余白色晶体 运用物相分析理论针对k d 5 2 1 大站的垢物成分、结垢部位进行分析，从结垢管线 多处解剖情况来看，管线结垢( 见图2 1 ) 呈现两种状况： ( 1 ) 注水管内壁坚硬致密的结垢物，主要成分是c a c 0 3 ： ( 2 ) 与致密结构物混合附着在注水管内壁的杂质，成分为松软油泥、砂土等。 a 大量因结垢报废的注水管b 管内结垢情况e 垢物样本 图2 - 1 结垢注水管 f i g 2 - 1s c a l i n gw a t e rp i p e l i n e s 根据分析结果，结垢情况不是单纯的水结垢，而是结垢和沉砂的双重作用。相对致 密坚硬的结垢物产生原因是所注污水含钙量高，松软泥砂产生原因是供污水循环利用的 沉淀罐体积小，污水沉淀时间短，所含泥砂没有得到彻底沉淀清除。注水管结垢对注水 效果有很大影响，主要表现在以下两方面口8 】： ( 1 ) 干线注水管结垢严重，导致供水能力不足，影响生产。调查发现从9 号站至2 号站干压由3 8 m p a 降至1 4 m p a ，管损2 4 m p a ，导致2 号站注水压力低，无法保证正 常注水，使部分单井正常生产受到影响。其中k d 5 3 注水管线由于结垢，其中2 0 米管 线全部堵塞，无法供水作业。 ( 2 ) 部分单井管线结垢严重，注水压力高压差小，无法正常调节注水量，目前因 结垢造成注水压差小于o 8 m p a 的井有6 口。 依据石油天然行业标准s y t 0 6 0 0 1 9 9 7 油田水结垢趋势预测，对各部位所取结垢 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 物进行分析。垢样分析结果见表2 3 。 表2 - 3 垢样分析结果 t a b l e 2 - 3s c a l es a m p l ea n a l y s i sr e s u l t s 组成成分东一联东二联东三联东四联 水分含量， 6 5 17 4 56 5 86 3 l 灼烧失量( 原油等有机物) ， 2 6 52 7 42 6 o2 6 7 酸不溶物( 泥沙粘土矿物) ， 3 1 03 0 23 1 0 2 9 0 三氧化二铁， 0 5 7 0 5 2 o 5 50 5 5 碳酸钙， 4 9 84 9 94 9 65 0 3 3 碳酸镁， 1 0 2 0l o 1 71 0 3 61 0 0 7 从表2 3 可以看出垢样主要是碳酸钙垢，同时原油等有机物含量均较高。 根据对水质调查及垢物分析，选定砂岩作为设计分析中的计算标准。砂岩由石英或 长石颗粒形成，组成成分及所占比例见表2 - 4 ，其结构稳定，通常呈淡褐色或红色，主 要含硅、钙、黏土和氧化铁。 表2 - 4 砂岩组成成分及所占比例 t a b l e 2 4s a n d s t o n ec o m p o s i t i o na n dt h ep r o p o r t i o n 组成组分石英粘土针铁矿其它物质 所占比例， 5 21 51 81 5 根据垢物成分及砂岩的成分表可以看出，成分相似，并且各成分的比例也基本相同， 所以在设计分析中可以采用砂岩的参数模拟垢物。 2 2 钻削除垢工作原理 常用的深孔钻头有深孔麻花钻、枪钻、单刃内排屑深孔钻、多刃错齿内排屑深孔钻 及喷吸钻等。对上述几种钻头的钻削特点进行分析，选择合适钻型进行新型除垢钻头结 构设计。 2 2 1 钻削除垢钻头分析 ( 1 ) 深孔麻花钻 9 第二章钻削除垢原理分析 深孔麻花钻( 见图2 2 ) 的螺旋角、钻心厚度及容屑空间都比普通麻花钻大，适用 长径比小于2 0 的深孔钻削。由于麻花钻制造和刃磨较复杂，分屑、断屑不可靠，切削 效率低，钻头耐用度不高，因而应用范围受到一定限制。图2 3 是莫尔斯钻头，它是由 双刃麻花钻演变而来的，在麻花钻的对称切削刃后刀面上磨出间隔有序的分屑刃，有利 于分屑和断屑，刀柄为可拆卸结构，这种结构成为了内排屑深孔刀具柄部的通用模式。 切削部分导向部分刀柄 螺旋檀 图2 - 2 深孔麻花钻 f i g 2 - 2d e e ph o l et w i s td r i l l ( 3 - 1 1 ) 式中 酽结构的刚度矩阵； 御一节点位移； 2 7 第三章钻头结构优化设计 倒一离散体上的节点载荷。 当载荷随时间t 变化时，可以记作 r ( t ) ) ，它可以是作用在弹性体上的动载激励 f ( t ) ，可以是弹性体上的惯性力 p 水) ) 或阻尼力 p 。( t ) ) ，即： r ( t ) ) = f ( t ) ) + p t ( t ) + p 。( t ) ) ( 3 - 1 2 ) 而惯性力可以表示为： p t ( r ) ) = 一m 即) ( 3 1 3 ) 式中盱离散体的质量矩阵； j ( f ) 一加速度矩阵 因此弹性体振动的基本方程为： 叫确) + 【c 】 支( r ) ) + k 杠r ) ) = m ) 2 ) 固有频率和振型 固有频率和固有振型是分析结构动力响应和其它动力学特性问题的基础，对于无阻 尼的自由振动，其动力学方程为： 【m 扭叫+ 叫x ( r ) ) - o 根据叠加原理上述方程有如下的简谐振动解： x ( t ) = ) ( o s i n o a t ( 3 16 ) ( 【k 】分【m 】) x 0 ) = o ( 3 1 7 ) 在自由振动时，结构中各节点的振幅 x o ) 不全为零，所以式( 3 1 7 ) 括号内的矩阵 行列式的值必须为零，也就是： ( 】目( 0 2 【m 】) = 0 ( 3 18 ) 结构的刚度矩阵 k 】和质量矩阵【m 】都是1 1 阶方阵。所以，式( 4 7 ) 是关于2 的1 1 阶代数方程。由此，可以求出结构的厅个固有频率，对每个固有频率，可以根据式( 3 1 7 ) 确定各节点的振幅值 x o ) ，称为结构的振型。 ( 2 ) 模态分析结果 本文对新型除垢钻头进行模态分析，采用静力分析时建立的有限元模型进行分析， 选取模态提取方法，a n s y s 提供的模态提取方法主要有：子空间法( s u b s p a c e ) 、分块 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 兰索斯法( b l o c kl a n c z o s ) 、p o w e r d y n a m i c s 法、非对称法、阻尼法( d a m p e d ) 、q r 阻 尼法( o rd a m p i n ) 、缩减法( r e d u c e d ) 4 4 1 。 分块兰索斯法运算速度快，特征值和特征向量求解精度高【4 卯，适合选用为分析中的 模态提取方法，所以采用该方法提取钻头前五阶模态。模态分析过程如下： 1 ) 设定材料属性及施加约束。采用静力分析模型及所选材料属性，以及自由度约 束，重新划分网格，对钻头这一结构来说，应力分析时划分疏密不同的网格，而计算固 有频率时则应趋于采用较均匀的网格，因为模态分析不存在应力集中现象，固有频率和 振型主要取决于结构质量分布和刚性分布，采用均匀网格可减小数值计算误差。 2 ) 模态分析过程。钻头的振动是低阶模态起主导作用的，因此取低阶模态进行分 析。进入求解器求解，指定模态提取的频率范围为0 - - 1 0 0 0 0h z ；采用分块兰索斯法提取 了钻头前五阶模态，观察模态分析结果；对模态分析结果进行扩展模态分析，将钻头模 态分析的结果数据转换为可供图形显示的结果文件。 3 ) 结果分析。在结果后处理器中，将模态分析的结果用图表、彩色云图的形式表 现出来，得到钻头前五阶模态固有频率如表3 2 所示。 表3 - 2 钻头的自振频率 t a b l e 3 2n a t u r a lf r e q u e n c yo ft h eb i t 阶数l 23 45 频率( h z )4 5 4 3 5 5 7 26 4 2 76 6 0 48 1 2 6 从表3 2 可以看出，随着阶数递增，钻头自振频率增大，最大变形也随之增大，这 与理论相符。钻头前5 阶模态振型如图3 1 4 所示。 9 q 抖 州& z l g - 婚扯 - h ( 丑) 一阶振型图 o i , i i i g - i l q l n d i h曩- ( b ) 二阶振型图 第三章钻头结构优化设计 t l b h “当 ( c ) 三阶振型图 - h h ht4 t , e 4 f r ，j - _ ( d ) 四阶振型图 婚“t h - 4 h “i t ( e ) 五阶振型图 图3 1 4 钻头前五阶振型图 f i g 3 - 1 4f i f t h - o r d e rv i b r a t i o nm o d eo ft h eb i t 由图3 1 4 可以看出，第l 阶振型主要表现为钻头作大幅前后的一阶轴向摇摆振动， 无明显的其他振动；第2 阶振型主要表现为钻头作大幅的一阶径向摇摆振动，同时伴随 着钻头上体轻微的绕z 轴旋转运动；第3 阶振型主要表现为钻头上体比较强烈绕z 轴的 一阶旋转运动，其他振动不明显；第4 阶振型主要表现为钻头作大幅前后的二阶摇摆振 动，无明显的其他振动；第5 阶振型主要表现为钻头作大幅的二阶左右摇摆振动，同时 伴随着钻头上体比较强烈的绕z 轴的二阶旋转运动。 钻头的自振频率最小值为第一阶，为4 5 4 3 h z ，生产上选择的电动机型号为y 2 8 0 s 6 ， 功率为4 5 k w ( 5 6 8 h z ) ，钻头一阶自振频率远大于电动机自振频率，钻头的其他阶自振 频率就更加远离电动机的自振频率。根据结构动力学基本原理可知【4 6 】，不会发生共振。 3 5 谐响应分析 谐响应分析是一种线性分析，非线性特性被忽略，用于确定结构在承受随时间按简 谐规律变化的荷载时稳态响应，该技术不考虑激励开始时的瞬