（油气井工程专业论文）低压脉冲射流的调制及调制器研制.pdf

s t u d yo nm o d u l a t i o no fl o w p r e s s u r ep u l s ej e t a n dd e v e l o pt h em o d u l a t o r x i aw e n a n ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o ry a n g y o n g - y i n a b s t r a e t b a s e do nk n o w i n ga n ds t u d y i n gt h em e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e l o w p r e s s u r ep u l s e dj e t t or a i s er a t eo fp e n e t r a t i o n ，t h em e t h o d so ft h e m o d u l m i n ga n d t h ed e s i g no ft h e l o w p r e s s u r ep u l s e dj e tm o d u l a t o rw e r e i n v e s t i g a t e da n da n a l y z e d o nt h eb a s i so f t h et r a n s i e n tf l o wt h e o r i e s ，an e wt y p e o f t h er o t o r s t a t o rl o w - p r e s s u r ep u l s e dj e tm o d u l a t o rw a sd e v e l o p e d ，w h i c hh a sa s i m p l es t r u c t u r ea n dg o o dp u l s a t i o na n dt h el o w e rc o s t ，a l s oo v e r c o m e st h e d i s a d v a n t a g eo fu s i n gt h es p r i n g t h ed e s i g nt h e o r i e sa n dt h ew o r kp r i n c i p l e so f t h em o d u l a t o ri sb u i l tu p t h ep e r f o r m a n c eo ft h em o d u l a t o ri se x p e r i m e n t a l l y s t u d i e dw i t ht h eb & ks o u n d p r e s s u r et e s ts y s t e m t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o fan e w l yd e s i g n e dl o w p r e s s u r ep u l s e sm o d u l a t o ra r es t u d i e da c c o r d i n gt oi t s s t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dt h ew o r k i n gh y d r a u l i cp a r a m e t e r ss u c h 嬲t h es t a t o r s o b l i q u i t y0 ，t h er o t o r sm a s sm a n dp r e s s u r ed r o pj d ，f l u i dv o l u m eqa n ds oo n t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ts h o wt h a tf r e q u e n c yo ft h em o d u l a t o ri n c r e a s ew i t h i n c r e a s eo ft h ef l u i dv o l u m eoa n dt h es t a t o r so b l i q u i t y0 ，w h i c hp r o v i d ea n e f f e c t i v e a s s i s t a n tw a yi nt h ef u r t h e rs t u d ya n da p p l i c a t i o no ft h ef u l l - s i z e r o t o r s t a t o rl o w p r e s s u r ep u l s ej e tm o d u l a t o r k e yw o r d s ：l o w p r e s s u r ep u l s e ，j e t ，m o d u l a t i o n ，o s c i l l a t i o n ，e x p e r i m e n t 独创i 生声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：玉。皇交 如f 年占月e t 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 白论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：整皇交 kg 年彳月日 导师签名：塑j 生# 炒占年月? 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 课题来源及研究意义 本课题来源于c n p c 钻井工程重点实验室基础研究项目，开展低压脉冲 射流的调制及调制器研制，以提高深井、超深井机械钻速。 在经济全球化和国内外石油资源日益匮乏这两大因素的推动下，油气田 勘探开发不断深入，深井、超深井数量不断增加，然而深井钻井速度低，成 本高，周期长的问题非常突出，严重影响了整个油气田的勘探开发速度。因 此研究深井、超深井钻速提高的机理和技术具有重要的战略意义。 提高深井钻井速度，是目前国内外各油气田的迫切需要。我国西部地区 的石油资源量占全国总资源量的3 8 ，而探明率仅为9 ，是我国石油产量 的主要接替地区，但是西部地区石油资源量的7 3 埋藏在深部地层，要靠深 井进行勘探和开发；东部地区是我国石油的主力产区，浅层和中深层的勘探 程度较高，深层较低，深部地层尚有5 3 亿吨的石油储量可供勘探和开发； 中部地区是我国天然气的集中区，但探明率极低，有5 2 的天然气资源量在 深部地层，中部地区深井的钻井工作量同样也将大幅度地增加。由此看来， 深井钻井技术在我国具有广阔的前景。进入2 l 世纪，我国深层钻探工作将 进一步加强，需要完成的深井比例将进一步增加，全国各油田都将面临着提 高钻井速度的迫切需要。 钻井是油气藏开发中投资大、风险高的工程，钻井工程费用占勘探开发 成本的5 0 以上。从目前的实际勘探效果来看，降低井底压持效应提高破岩 效率是降低成本的最佳途径。 1 2 影响机械钻速的因素和解决途径 影响机械钻速的因素很多，在目前科学技术发展条件下，在钻深井、超 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 深井【l 】时，除了钻井设备、深部致密性硬地层或塑性泥页岩等难钻地层等客 观因素之外，影响深井、超深并机械钻速提高的主要因素是井底压差大、摩 阻大和水力能量不足等。 对于深井和超深井随着井深增加，岩石的硬度和强度相应增加，地层可 钻性大大变差。根据现场调查，钻探一口3 0 0 0 m 左右深的井只需要一个月时 间，而钻探一口6 0 0 0 7 0 0 0 m 的井需要一到两年的时间，可见钻探深井时机 械钻速随井深明显下降。这除了随着井深沿程水力能量损失原因之外，主要 是井底压差的增大，在很多情况下岩屑不能及时清除，造成钻头的重复破碎， 甚至钻头泥包，致使钻头的机械钻速迅速下降，降低了钻头的破岩效率。由 此可见深井、超深井钻进过程中，井底压差是影响钻进速度的最突出的原因。 欠平衡钻井技术【2 】大幅度提高机械速度的实践同样也说明井底岩石上下的压 力差是影响机械钻速提高的主要因素。 因此研究如何最大限度地减少井底岩屑的压持作用，从而实现在现有钻 井设备条件下钻井速度最快和钻井成本最低具有实际的现实意义。 高压水射流技术是近几十年发展起来的- l - j 新技术，由于其具有传递能 量集中、无机械磨损、无火化和尘埃等特点而在各工业部门中得以广泛应用 ( 3 】。随着工业发展的需要，不断出现诸如脉冲射流、气蚀射流、磨料射流、 自激振荡气蚀结构射流等新型射流【4 】。高压射流辅助钻井技术【5 乱阼为2 1 世 纪钻井科技重点开发的5 项钻井技术之一，是石油工业钻井史上的一次重大 变革，使钻井速度第一次获得解放。 在研究射流理论的过程中，人们发现周期性的间断射流( 脉冲射流) 比 普通连续射流性能更为优越。因此把脉冲射流应用于钻井成为研究新型高效 射流直接破岩的钻井新方法。从低压脉冲射流技术提高深井钻井速度的机理 上看该技术能很好的解决深井钻进中的井底压持效应，有效提高钻头的破岩 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 效率。因而研究产生脉冲射流的设备成为该技术由理论走向现实应用的重要 途径。本论文所研究的脉冲射流装置就是利用井下水力能量实现高效射流， 实现降低深井钻进中的井底压持效应，提高钻井速度的一种装置。 1 3 本文的研究内容及方法 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 调研目前各种射流脉冲调制器的优点和不足，基于瞬变流理论，设 计出性能可靠而又经济可行的新型脉冲调制器。 利用计算机辅助技术设计具体的工具样机尺寸参数，并进行样机加工。 ( 2 ) 室内台架实验：通过测量低压脉冲射流调制器的工作性能，以及有 关工作参数和射流的脉动特性，进而优化调制器的各结构参数。 ( 3 ) 通过实验分析确定影响脉动调制器的工作频率以及低压幅值的因素 和规律。 1 3 2 研究方法 本文根据“理论学习调制技术研究工具设计一实验验证”的 技术路线开展研究工作。 ( 1 ) 对低压脉冲射流钻井技术的研究概况进行详细的调研，总结分析低 压脉冲射流提高机械钻速的机理。 ( 2 ) 根据低压脉冲射流调制器的工作原理和要实现的功能，研制定转子 式低压脉冲射流调制器样机，利用b 缄声压测试系统，在实验工作条件下对 其振动特点进行实验研究。 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章低压脉冲射流钻井技术的研究进展 第2 章低压脉冲射流钻并技术的研究进展 近年来低压脉冲调制器技术已经得到快速的发展，人们不但对低压脉 冲射流提高钻井速度的机理有了深刻的认识，而且研究了多种脉冲调制方 法并研制出了各种类型的脉冲调制器，为了更进一步的发展该技术，对目 前该领域的发展情况做了深入的调研。 2 1 低压脉冲射流钻井技术简介 低压脉冲射流钻井技术川是指在常规钻井的过程中，利用连接在钻头与 钻铤间的低压脉冲射流调制器( 图2 1 ) 【s l 调制射流使其能够在井底钻头附 近区域内产生脉动低压，以降低并底“压持效应”的影响，大幅度提高机 械钻速的一种新钻井技术。 图2 - 1 低压脉冲射流调制器应用示意图 低压脉冲调制器调制射流产生脉动低压的基本工作原理是在内部安装 开关阀，在钻井的过程中周期性阻断钻柱内钻井液的流动( 如图2 - 2 ) 【9 1 ， 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章低压脉冲射流钻井技术的研究进展 调制射流使得井底压力产生周期性的瞬间降低。 在开关阀阻断钻井液流动的瞬间，钻头附近区域内的钻井液在惯性作 用下继续流动，这就使得该区域内瞬间产生脉动低压，根据该脉动低压与 地层孔隙压力之间压力差的大小，作用在井底岩屑上的“压持效应”得以 降低或克服，达到提高机械钻速的目的；当开关阀开启时，钻柱内的钻井 液开始流动，并通过钻头到达井底，完成清洗冷却钻头、携带岩屑等作用， 这样就实现了低压脉冲射流钻井。 幽2 2 低斥脉冲射流钻井技术原理 2 2 低压脉冲射流钻井技术提高机械钻速的机理 井内静液柱压力与地层孔隙压力之间的压差【l0 l 是影响钻速提高的重要 因素之一。室内实验和钻井实践证明压差增加将使钻速明显下降( 如图 2 3 ) ，其主要原因是井底压力差对刚破碎的岩屑有压持作用，阻碍岩屑的及 时清除，影响了钻头的破岩效率。在低渗透性岩层钻进时，压差对钻速的 影响比在高渗透性岩层内的影响更大，这是由于钻井液更加难以深入低渗 透性的岩层孔隙中，不能及时平衡岩屑上下的压力差。 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章低压脉冲射流钻井技术的研究进展 4 8 上3 6 1 函2 4 露 1 2 0 彳 02 85 68 4 井底压差肝a 图2 3 钻速随井底压差的变化规律 一 鲍格因等人通过对以往的大量实验数据进行分析、处理后指出，压差 与钻速的关系在半对数坐标上可以用直线表示，其关系式为： = 0 8 一脚 ( 2 i ) 式中y 二一实际钻速，m h ； k 。一零压差时的钻速，m h ； p 井内液柱压力与地层孔隙压力之差，； 一与岩石性质有关的系数 从式( 2 1 ) 中可以看出，钻速与井底压差成负指数关系，即井底压差越大， 钻速越低：压差越小，钻速越高。由此得出，要提高机械钻进速度，必须 采取措施降低井底的压差。 ( 1 ) 脉动低压降低井底岩石的抗破碎强度 石油大学( 华东) 杨永印认为降低井底压差之所以能够提高钻井速度 的原因除了能够促进携岩效率外，还可以从两个方面考虑：一是降低井底 待破碎层岩石的塑性，减小岩石的抗破碎强度，提高钻头的破岩效率；二 6 中国i i 油人学( 华自：) 硕十论文第2 章低压脉冲射流钻井技术的研究进眨 是减小或者消除井底的“压持效应”，加快新产生的岩屑及时脱离井底岩石 母体的速度，避免重复破碎【1 。 岩石材料的破碎强度不仅取决于载荷的性质，更取决于岩石的应力状 态和应力水平，在不同应力状态下岩石所表现出的塑、脆性对其抗破砰能 力有重要的影响。 井底岩石的受力为非均匀的三向压缩状态，假设井眼中井底的静液柱 压力为只，地层孔隙压力只，则作用在井底表层岩石某点的有效法向主应 力及水平主应力盯；和可表示为： 盯：= 只一叱 ( 2 2 ) 盯；= 仃一吧 ( 2 3 ) = o h 一峨 ( 2 4 ) 式中口与孔隙连通性有关，一般为0 8 0 o 9 5 ； 仃一最大水平地应力； 一最小水平地应力。 对于平衡压力钻井，理论上为零；对于常规油井钻井，一用当量密度表 示一般为0 0 5 0 1g c m 3 ，并且随钻井液密度的增加而增加。两个水平主应 力盯；和代表了井底岩石的骨架应力，因为只在只影响下的变化值在量 级上与e 和相比较小，一般可以忽略。根据式( 2 2 ) 、式( 2 3 ) 、式( 2 4 ) ， 仃；和一般都远都大于。 在钻进过程中，假设钻井液循环造成井底出现的附加压力为只，则法 向主应力变为： 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章低压脉冲射流钻井技术的研究进展 o - ：= 只一鸣+ 必 ( 2 - 5 ) 由式( 2 - 5 ) ，如果增加只或者纰，则法向应力也随之增加，根据莫尔 强度准则( 图2 - 4 ) ，当西不变时- 随着最小主应力的增大，盯；和形 成的莫尔圆变小，对应的有效剪应力将低于破坏包络线，岩石变得不容易 破碎，即相当于岩石的塑性提高。所以，越大岩石的塑性越强，即岩石 的抗破碎强度增加。 图2 - 4 井底岩石表面单元体受力及破碎的莫尔强度准则 而当井底出现低压差波动巴，即只减小时，则井底岩石的最小主应 力将在式( 2 5 ) 的基础上减小必，即= 只一啦+ 嵋一蝇。根 据图2 4 ，当嵋不变时，随着最小法向主应力的减小，和形成的 莫尔圆变大，并超过岩石的破坏包络线，在此应力状态下的岩石不经过旖 加外载荷也可能发生破碎，即当并底出现低压差b 时，鲍降低使得岩 石的塑性和破碎强度也随之降低，在相同破碎载荷作用下，较低破碎强度 状态下的岩石破碎效率将提高。 在钻井过程中，为了保证钻井施工的安全。通常情况下井底的液柱压 8 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章低乐脉冲射流钻井技术的研究进展 力e + 必一般比乞高3 5 。若必较大，例如1 0 ，则将变为一( 7 5 ) 吖l 一口) 只，此时大多数深并钻井中，井底岩石的最小主应力基本为负的拉 伸应力，而井底水平主应力盯；仍是压应力，数量值基本不变，根据莫尔强 度准则，此时岩石的应力状态已经接近或者超过岩石的抗破碎强度，当钻 头在井底岩石上施加一个比较小的水平载荷时，即可导致井底岩石破碎。 ( 2 ) 脉动低压促进岩屑及时脱离井底岩石母体 假设井底的岩石在钻头作用下，已经形成骨架结构基本独立的岩屑， 而岩屑尚未脱离井底岩石母体( 图2 ，5 ) ，此时该岩屑所受到的法向压持力 包括钻井液产生的静液柱压力只、钻井液循环产生的循环压力只，而岩屑 与岩石母体间裂纹内流体的压力仍近似为地层孔隙压力只。 以井底岩屑为研究对象，作用在井底岩屑上的法向压持力只十只大于 地层孔隙压力0 ，即最+ 叱 0 ，为了使岩屑能够脱离井底，必须对岩屑 施加一个最小的水平载荷，口，可由摩擦定律近似得出： f = t a n 0 ( 只+ 只一只+ 阡，) ( 2 6 ) 式中肜一岩屑的重量； 0 - - 岩屑与母体问新表面摩擦角及与表面形状有关残余摩擦角之和。 从式( 2 6 ) 中可以看出，井底岩屑上的法向压持力只+ 妃越大，产生 的“压持效应”越强，使得施加在岩屑上的最小的水平载荷f 值变大，即 井底岩屑就越不容易脱离岩石母体，导致岩屑的重复破碎，降低钻井速度。 但是，当井底瞬间出现脉动低压妮时( 图2 5 ) ，在脉动低压的持续 时间内，井底岩屑所受到的总压持力己+ 必一只+ 将减小蝇，根据 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章低压脉冲射流钻井技术的研究进展 式( 2 6 ) ，其结果就使得岩屑脱离井底所需的最小的水平载荷f 相应减小 如果产生的脉动低压蝇效果较强，当井底岩屑上的压持力满足 只+ 己一只一只+ w 0 时，由式( 2 - 6 ) 和图( 2 - 5 ) 可知，井底岩屑 所受的合力向上，此时不但井底无“压持效应”，而且岩屑一旦产生就有自 动脱离井底岩石母体的趋势l x 3 。 p b + , m l 。p b 图2 - 5 井底岩屑的压持效应模型 2 3 低压脉冲射流调制技术的研究概况 根据以上分析可知，低压脉冲射流调制技术是产生脉动低压的核心， 是实现低压脉冲射流钻井技术的关键部分。 低压脉冲射流钻井技术出现于上世纪的5 0 年代初期【1 4 1 ，但是由于钻井 设备、钻井工具等条件的限制，该技术并没有得到广泛应用。随着钻井向 着深部地层发展以及钻井设备的更新，低压脉冲射流钻井技术又逐渐成为 各国研究的热点。目前，由于钻井工艺以及设备材料等条件的限制，低压 脉冲射流钻井技术在国内还处于发展阶段。 2 3 1 低压脉冲射流调制的机理和基本方法 脉冲射流的调制机理分为压力波调制和剪切波整流两大类【1 5 1 。低压脉 冲射流调制是指淹没条件下使喷速瞬间发生变化，促使射流中产生压力波 的激励过程。剪切波整流是通过一定模态和频率的扰动促使射流中具有相 1 0 中国f i 油人学( 华尔) 硕十论文第2 章低压脉冲射流钻井技术的研究进展 关频率的不稳定剪切波得以发展、合并最终形成大涡环的激励方法。前者 调制压力波，属于纵波整流，射流中可产生频率相对固定的压力波；后者 调制的是涡，属于波涡祸合整流范畴，射流中静压力变化不大，速度或动 压力发生波动，波动振幅有限，频带宽。 因此，若使射流产生一定频率的压力脉动，必须采取压力波整流。压 力波动在管道输运工程中是极力设法避免的有害现象，如管道流在某处瞬 间启闭时，则在上下游产生水击增压波或降压波，容易导致上下游管道的 破裂【怕】。而低压脉冲射流的调制正是利用这一瞬变流原理来调制射流产生 低压波，将其应用于钻井工程，变害为利，从而改变井底岩石的压力状态 以促进钻井速度的提高。根掘瞬变流原理【”1 ，管道内的压力波动与流体性 质和流动状念有关，当流量产生瞬间变化时，下游产生的水击压力波动可 由动量原理得出： a p = a v f p - e ( 1 + 丽v o + 万a v ) ( 2 - 7 ) 当流动瞬问变化a v = 一时 a p = a v ，、p e 式中p 一介质密度，k g m 3 ； v 一速度变化，m s ； v 。一初始速度，m s ： e 一流体体积弹性模量，p a ； p 一压力差，p a 。 式( 2 7 ) 给出了流动瞬1 日j 停止和开启时等直径刚性流道下游产生的压 力升降值。因压力波为纵波，所以实际产生的水击压力大小与流动启闭过 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章低压脉冲射流钻井技术的研究进展 程的持续时间t 关系很大，而且不同时刻不同位置处的压降值直接由压力波 和反射波的叠加确定。如下游限流流道的长度为l ，当t 2 0 0 0 其流态为紊流，因而由相似原理计算出试验模型尺寸。 根掘流动相似条件，由于是不可压缩粘性流体管内流动，因此模型实验保 持r e 数与原型相等。 r e ：p v d ：堡( 3 1 7 ) i t ” 式中p 一流体密度，k g m 3 ； v 一流体速度，m s ； 口一动力粘度，n s m 2 。 分别设现场实际参数为：q i = 2 4 l sd i = 1 0 0 m m 由( 3 - 1 7 ) 式得： 式中q 现场排量，l s n 一钻杆直径，m ： 弘参 。- 1 8 ) 形一钻井液流速，m s 。 实验模型参数：q ：= 6 l s 由式( 3 1 8 ) 得：以：旦l 三d ； 式中 q 一实验室实际排量，m 3 s ； ( 3 1 9 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章定转子式低压脉冲射流调制器的研制 d 2 一调制器定子流道当量直径，m ； 玛一实验用水的流速，m s 。 由相似原理有r 。：旦堕：堡垒 l ，y k d t = 吃d 2 旦：旦 兰d f d 2 4 1 4 一 把数据带入式( 3 2 0 ) 得： 见= 警= 等秘一 d 2 为过流孔的当量直径，见单个过流孔的当量直径： ( 3 2 0 ) 目前设计在定子上开三个等径的倾斜流道，则单个过流孔的当量直径： 皿= 1 4 , 4 r a m 由此单个过流孔中心圆弧长：1 4 + 1 4 = 2 8 r a m 在定子上开三个等径的倾斜流道，则 三个过流孔中心圆弧长：2 8 3 = 8 4 r a m 则整个中心圆周长为：8 4 2 + 6 x 3 = 1 8 6 r a m 中心圆直径：西o = 1 8 6 + 3 1 4 = 6 0 r a m 地 舅 r，u， 砬 眦m b 万 e 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章定转子式低压脉冲射流调制器的研制 则内圆直径：l = 6 0 - 1 4 = 4 6 r a m 外圆直径：0 2 = 6 0 + 1 4 = 7 4 r a m 大圆直径：母= 7 4 + 6 + 8 = 8 8 r a i n 定子流道剖面图 定子 道 图3 - 4 定子结构示意图 由此确定出了整个定子的内外径尺寸和流道尺寸。 定子的高度设计 对于定子的高度是有一定的要求的，如果定子高度不足，则不能确保 定子中的流道具有足够的长度，进而不能使上部流体通过定子后改变流向， 为了使流体能被充分变向，定子的流道必须有一定的垂向深度，但是流道 也不能过长，流道太长则会造成液流的压降损耗增大，因而此处根据经验 把定子的高度设计为孔道直径的2 3 倍。 定子流道的倾角设计 流道的倾角是定子的主要设计参数，倾角0 的大小决定着定子迫使流 体变向的能力和对下部转子的切向冲击力，进而关系到转子的转动周期。 由于还没有确定的公式计算出确定具体的参数大小，只有通过实验的方法 3 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章定转子式低压脉冲射流调制器的研制 来归纳确定，因而对倾角设计了从1 0 。、2 0 。、3 0 。、4 5 。不等的几组参数，有 待于进一步通过实验来总结规律。 表3 - 3 定子尺寸 i ) f 径m m 流道当量直径m m流道数量厚度n u n倾角 l 8 81 4 433 01 0 02 0 03 0 。4 5 。 定子流道个数的确定 流道的个数也是定子的主要设计参数，定子流道个数越多，定转子式 低压脉冲调制器的振动频率就越大，但是定子的截面是有限的，不可能无 限的增大流道的个数。此外定子流道个数过多，也会增大定子的水力摩阻， 增大了定转子式低压脉冲射流调制器的压力损耗。在此根据定子截面大小 设计3 个流道。 ( 2 ) 转子的参数设计 转子是调制器的唯一一个运动部件，转子的各项参数决定着调制器的 工作性能。转子的内外径尺寸以及流道数量和定子的尺寸和数量等同，不 同的是流道为垂直的。在转子内外径尺寸确定后，其高度是转子质量大小 的决定因素。由刚体绕定轴转动规律知，动量矩是表征物体绕轴机械转动 强度的量度。 1 由转子的动量矩g z = 以= 妻m ( r 2 + 如2 徊公式知，转予的质量对转 二 子的转动有很大的影响，当转子的质量较大时，其转动惯量大，则其转动 惯性增大，容易克服转子的运转死点问题。但是当转子质量变大时，相应 转子的高度增大，与中心轴及流体的接触面增多，这样就增大了转子在运 动中的机械摩阻和水力摩阻。因此，针对质量对脉冲调制器性能的影响问 题，则设计了几组不同厚度的转子，将通过实验进行进一步的研究。转子 的具体尺寸见( 表3 - 4 ) 。 表3 - 4 转子尺寸 i 外径m m流道当量直径m m流道数量 质量k g ( 高度r a m ) i 8 81 4 43o 8 ( 2 0 )1 6 ( 4 0 )2 4 ( 6 0 ) ( 3 ) 外简体的参数设计 由定子的外径进而确定出了筒体的内径尺寸。外筒体是脉冲调制器的 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章定转子式低压脉冲射流调制器的研制 载体，在调制器工作过程中承受内部流体的高压冲击，为了确保实验的安 全性，必须对外简体进行强度校核。 把外简体看作圆环问题，则根据其几何体压力公式口2 】 径向应力： 周向应力： 铲南吼一蔫吼 ( 鱼) 2 + 1l + ( 旦) 2 铲南吼一。一。刍r ：吼 ，= 丢( 4 删 式中口一简体内半径，m ； 6 一简体外半径，m 。图3 - 5 简体内壁受压示意图 4 5 m m ，b = 5 5 r a m ，= 5 0 r a m ，q 。= 6 0 m p a , q 6 = o m p a 带入上式，计算 得q = 赛删硝 = 籍棚瑙s s 姗a 4 5 。钢的性能为o s = 3 5 3 m p a ，所以筒体的以 0 0 o i = 3 5 3 m p a ，所 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章定转子式低压脉冲射流调制器的研制 以下显著特点： ( 1 ) 构造简单。定转子式低压脉冲射流调制器内部结构简单，主要由 调制器壳体、定子、转子、中心轴和固定螺母等部件组成。仅通过定子的 导流、转子在液压驱动下的相互运动即可达到调整射流产生脉动低压的目 的。 ( 2 ) 克服了弹簧使用寿命的影响。定转子式低压脉冲射流调制器采用 无弹簧式设计，这就从根本上解决了弹簧使用寿命短的问题。通过精确设 计，利用钻井液压力和定子流道倾角导流提供转子转动，而无需使用弹簧， 简化了调制器的设计加工。 ( 3 ) 节省时间、降低成本。该调制器结构简单，加工方便。 3 4 小结 基于瞬变流理论和水力学原理，对比和吸收了国内外多种水力脉冲调 制器的优缺点，研究分析了调制器的基本调制方法，在调研和创新的基础 上自行研制出定转子式机械阻断法脉冲调制器，并对该脉冲调制器的结构 参数和设计参数进行了计算和强度校核。具体得出如下结论： ( 1 ) 建立了定转子式低压脉冲射流调制器工作的原理和旋转动力数学 模型。由数学模型知其转子的旋转动力与流体的流量q 和定转子式低压脉 冲调制器内定子的倾角e 有关。 ( 2 ) 推导出了定转子式低压脉冲射流调制器调制低压脉冲的振动频率 公式。得出水力参数流量q 和调制器的结构参数0 是影响调制调制低压脉 冲振动频率器频率的主要因素。 ( 3 ) 通过定转子式低压脉冲射流调制器的流量q 是影响脉冲压力幅值 的主要因素。 ( 4 ) 定转子式低压脉冲射流调制器的压降损耗与调制器内定子和转子 的流道长度和过流面积有关。 4 2 中国符油人学( 华尔) 硕十论文第4 章定转子式低压咏冲射流调制器动态持性实验 第4 章定转子式低压脉冲射流调制器动态特性实验 理论分析和实验研究是研究低压脉冲射流调制器动态特性的主要途 径，是其他研究方法不可替代的。采用b k k 声压测试系统对定转子式低压 脉冲射流调制器的工作性能进行实验研究，能够了解调制器的实际调制性 能。 4 ，1 实验系统 ( 1 ) 实验目的 本实验研究在中国石油大学( 华东) 高压水射流研究中心完成。为了 解调制器的实际工作特性，采用1 0 0 k h z 的b & k 声压测试系统对定转子式 低压脉冲射流调制器的振动频率随钻头压降尸、钻井液流量q 、定子倾角0 、 转子质量四组参数变化的规律进行实验研究，并且测试调制器产生的脉动 低压的波动范围，为下一步调制器的优化设计提供帮助。 ( 2 ) 测量原理 调制器振动频率的测量 实验测量定转子式低压脉冲射流调制器的振动频率时，根据其结构设 计原理，调制器内的转子在流体切力的作用下旋转，当转子的流道和定子 的流道相遇时，通过定子向下部流动，当转子旋转到一定时就会瞬间阻断 定子的流道而阻断流体，此时调制器下部钻具内的流体在惯性的作用下继 续流动，就在钻头附近区域瞬时产生了强大的水击压力，这样便使得调制 器内的流体产生瞬间的脉动。因此可以通过测量调制器下部流体的脉动流 动变化的方法确定调制器的振动频率。具体操作方法是在调制器出口处安 装压力传感器，测试数据输入计算机后以波形图的形式显示，根据波形图 中波峰、波谷的变化特点，确定低压脉冲射流调制器的振动频率。 调制器脉动低压的测量 4 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章定转子式低压脉冲射流调制器动态特性实验 基于定转子式低压脉冲射流调制器工作原理的分析得出，当转子阻挡 定子流道时，上游来流中断，下腔室内的液体在惯性作用下继续流动，使 得腔室内的压力值降低；当定子的流道被打开时，液体进入下腔室，使得 腔室内的压力值升高。因此利用压力传感器可以测量下游低压幅值的变化， 输入计算机后以波形图的形式显示，根据波形的变化特点确定脉动低压的 波动范围。 ( 3 ) 实验系统 实验系统主要包括六部分：高压供水系统、定转子式低压脉冲射流调 制器、b & x 声压测试系统、压力表、压力传感器。 高压供水系统：高压泵、供水水箱、调压阀、高压管线。 a 高压泵是高压射流的能量源，实验中使用的是兰州石油机械厂生产 的三缸柱塞高压泵，其型号为y l c 5 0 0 型撬装泵。 主要性能指标见表( 5 - 1 ) 及表( 5 - 2 ) 。 表5 - 1 撬装泵性能 最大压力5 0 冲程1 2 0 栅 最大排量 5 1 0 l m i n 冲次4 0 1 c m i n 外形尺寸 3 8 0 0 x 1 6 0 0 x 1 3 0 0 m m 整车重量5 4 0 0 k g 表5 - 2 撬装泵压力一排量 档位 l234 压力，m p a 5 02 5 41 9 21 3 4 排j j l m i n 1 6 02 4 03 5 0 5 l o 中国石油人学( 华东) 硕十论文第4 章定转子式低压脉冲射流调制器动态特性实验 图4 1y l c 5 0 0 型撬装泵 b 供水水箱：具有一定的水位差保证高压泵的上水效率，容积3 m 3 。 c 高压管线：采用沈阳生产的高压管线，其型号为q s x s j 0 2 7 2 2 4 d 一3 2 3 2 型。 压力表：量程o 6 0 ，1 5 级，济南东华压力仪表有限公司制造。安 装在定转子式低压脉冲射流调制器入口处，测量工具压降。 殿足声压测试系统。实验采用丹麦制造的b & k 声压测试系统，量程 为0 l o o k h z 。 压力传感器。采用的北京威斯特中航机电技术有限公司生产的 c y b 2 0 s 型高精度、高频响溅射薄膜压力传感器。其量程范围为o 1 5 ， 输入电压1 3 3 6 v d c ，输出电压4 - 2 0 m a ，编号：5 2 0 6 0 3 。 定转子低压脉冲射流凋制器是根据其工作原理自行研制的样机。 其中定转子式低压脉冲射流调制器振动频率的实验系统如图( 4 2 ) ， 4 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章定转子式低压脉冲射流调制器动态特性实验 7 8 图4 2 低压脉冲射流调制器脉动低压实验系统 1 b & k 声压力测试仪2 计算机3 外简体4 压力表5 高压软管6 高压水泵 7 水箱s 调压阀 9 压力传感器l o 上接头1 1 下接头 ( 4 ) 实验步骤 定转子式低压脉冲射流调制器动态特性实验研究采用单因素法，即在 考察某一因素的影响规律时，保持其他因素不变。实验步骤如下： 按照调制器振动频率实验系统图组装实验装置； “ 检查各装置的连接情况，打开调压阀； 启动高压泵，待调制器工作后，调节调压阀，达到预定的排量和压 力； 启动脚滋声压测试系统； 停泵； 4 6 l _ 中国f 袖人中( 华尔) 硕十论文第4 章定转子式低压脉冲射流调制器动态特性实验 确定下一组实验参数，重复以上2 5 步，进行下一个实验。 4 2 实验结果及分析 在实际条件下，实验测量得到的定转子式低压脉冲射流调制器下部流 体脉动波形如图( 4 3 ) 。其他参数条件下的实验测量波形图见( 附表调制器 动态特性实验测量波形图) 。 6 m 荆 枷 3 m ：，i。j t 。+f 。”，f l ， l 。 ”。p 1 7 ”w 。“”1 吖”1 i r 、v 、| 1”、”v ”、i + ”雕。”、f y y ”叫”、| - 州y l i f i l i i ll jl l ， 2 ，l 1l 01 撕孙m n7 0 0 m l ( 实验条 ，j ：定子流道倾角2 0 。，排晕q = 2 4 0 l m i n ，压力p = 5 m p a ，质龋m = 1 6 k g ) 幽4 - 3 调制器f 游流体脉动波形 通过实验的方法测量定转子式低压脉冲射流调制器的振动频率随钻头 压降p 、钻井液流量q 、定子倾角0 等几组参数变化的规律以及调制器产生 脉动低压的幅值，通过实验数掘得出一定的规律。 4 2 1 水力参数对定转子式低压脉冲射流调制器影响 ( 1 ) 流体流量q 的变化对定转子式低压脉冲调制器性能的影响 在现场钻井过程中，为了达到最优的井底净化效果，提高机械钻速， 必须进行水力参数优化设计，而钻井液流量q 是水力参数设计过程中的一 个重要参数。低压脉冲调制器就是要充分利用钻井液的流体动力能量束工 作，同时又要在保证钻井液对钻头冷却、清洗、和携岩屑的基础上进一步 优化钻井液的使用效果，降低钻井液对井底的压持效应，提高钻头的破岩 效率。 流体流量q 的变化对定转子式低压脉冲调制器振动频率的影响 图( 4 4 ) 是定转子式低压脉冲射流调制器的振动频率随钻井液流量q 变化的特点。可以看出，调制器振动频率的变化趋势都是随着钻井液流量q 4 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章定转子式低压脉冲射流调制器动态特性实验 的增加而增大。 图4 - 4 低压脉冲射流调制器振动频率随钻井液流量q 变化的规律 实验结果分析：由于通过调制器流体流量q 的增大，在不变的流道中 产生的流速相应增大，由公式c = p q s i n o 知，随着流量和流速的增大， 转子受到的水平切向力也就相应增加，则转子旋转周期缩短，阻断定子流 道的频率增大，故而射流脉动频率增加。反之随着流量q 的降低，流速也 降低，则转子受到的流体切向力减少，转子的旋转周期增大，阻断定子流 道流体的频率减少，因而调制器下部流体的射流脉动频率降低。 流体流量q 对定转子式低压脉冲射流调制器振动低压幅值的影响 图( 4 5 ) 是定转子式低压脉冲射流调制器振动频率幅值随流体流量q 变化的特点。从图中可以看出，实际情况下调制器的振动频率幅值的变化 趋势是随着流量q 的增大而增大的。 实验结果分析：在一定的流量范围内，由于流量q 越大，调制器的脉动频 率增大。则相应的在单位时间内速度变化量增大，由水击压力公式： a p ：y 万( 1 + v o 幕+ 亍a ，v ) - 知，则脉动低压的幅值a p 是随着速度变化量 - 也l p 4 8 中国朽油人学( 华东) 硕七论文第4 章定转子式低乐脉冲射流迥型墨垫查竖壁实验 矿增大而增大的，反之，q 减小，调制器的脉动频率越低，则相应的在单 位时间内速度变化量碱小，产生的脉动水击压力就减小，因而振幅就降低。 图4 - 5 低压脉冲射流调制器振动低压幅值随流体流锗q 变化的规律 ( 2 ) 压降p 的变化对定转子式低压脉冲射流调制器振动性能的影响 在钻井中，要提高射流喷速和射流冲击力，主要是靠提高钻头压力降， 因而钻头压力降对调制器脉动性能的影响非常重要。 压降p 的变化对定转子式低压脉冲射流调制器振动频率的影响 图4 6 定转子式低压脉冲射流调制器振动频率随钻头压脐尸变化的规律 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章定转子式低压脉冲射流调制器动态特性实验 图( 4 - 6 ) 、( 4 - 7 ) 是定转子低压脉冲射流调制器振动频率随钻头压降p 变化的特点。从图中可以看出，钻头压降尸的变化对调制器振动频率的影 响规律基本相同，随着钻头压降尸的增加，调制器的振动频率基本无变化。 实验结果分析：由于转子关闭定子的流道的动力来源于上部流道的流 体，只与水力参数流量q 和流速有关，而与压力降无关。故不影响调制器 的脉动频率。 图4 7 定转子式低压脉冲射流调制器振动频率随压降，变化的规律 ( 不同倾角0 、不同流量9 压降尸的变化对定转子式低压脉冲射流调制器脉动低压幅值的影响 图( 4 - 8 ) 是定转子式低压脉冲射流调制器调制射流产生的脉动低压的 幅值随钻头压降，变化的规律。从图中可以明显看出，随着钻头压降，的 变化，调制器的振动脉动低压幅值基本无变化。 实验结果分析：通过定转子式低压脉冲射流调制器的流量q 不变时， 调制器的流道也是定值，因而流速不发生变化，所以钻头压力降对其产生 的脉动幅值没有影响。 由此说明定转子式低压脉冲调制器对钻头水功率不会产生影响，这更 中国f 袖人学( 华尔) 硕十论文第4 章定转于式低压脉冲射流调制器动态特性实验 证明了该调制器的优良性质。 l 兰| 4 - 8 脉动低压随压降，变化的规律 4 2 2 定转子式低压脉冲射流调制器结构参数的影响 ( 1 ) 定子流道倾角e 的变化对定转予式低压脉冲射流调制器性能的影 响 定子是改变上部束流流体流向、使流体产生横向切力的主要构件，定 子流道的倾角强迫流体改变流向，对定子下部的转子产生切向冲击力，迫 使转子旋转，因而定子流道的倾角是影响调制器的脉动特性的一个不可忽 视的重要参数，如果没有倾角或者倾角太小都不能迫使转子旋转，转子不 动就不能阻断上部来流，也就不能产生流体脉动频率。 定子流道倾角e 的变化对定转子式低压脉冲调制器振动频率的影响 图( 4 9 ) 是定转子式低压脉冲射流调制器振动频率随定子倾角0 变化 的规律，可以看出，调制器的振动频率在实际情况下是随着定子倾角e 的 增加而增大的。 实验结果分析：定子是定转子脉动调制器中起主要作用的结构件，定 予的倾角强迫上部流体变向，使得转子受到变向后流体的切向冲击力，这 样转子才能够在该切向力的作用下转动，故而定子的倾角对调制器的脉动 5 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章定转子式低压脉冲射流调制器动态特性实验 频率有很大的影响，由切向力公式巧= p q s i n 口可知。随着0 的增大，转 子受到的切向力相应增大，则转子的转动周期变小，因而脉冲调制器的频 率变大。 图4 - 9 低压脉冲射流调制器振动频率随定子倾角。变化的规律 定子流道倾角e 的变化对定转子式低压脉冲射流调制器脉动低压幅 值的影响 图4 - 1 0 低压脉冲射流调制器脉动低压幅值随定子倾角0 变化的规律 图( 4 - 1 0 ) 转子式低压脉冲射流调制器脉动低压幅值随定子倾角e 变化 中国f i 油人学( 华尔) 硕十论文第4 章定转子式低压脉冲射流调制器动态特性实验 的规律，可以看出，调制器的脉动低压幅值在实际情况下是随着定子倾角0 的增加而增大的。 实验结果分析：随着定子倾角的变大，则作用在转子上的流体的冲击 力增大，转子转速增大，故阻断流体时间变短，所以经过调制器调制的流 体速率变化量增大，故脉动低压幅值增大。反之则，随着转子倾角的变小， 脉动低压幅值变小。 通过分析定转子式低压脉冲射流调制器在一定参数条件下产生的脉动 低压幅值的波形图( 附表调制器下阎腔室内压力测量波形图) ，可以明显 看出，调制器在实际条件下产生的脉动低压幅值可达2 4 m p a 。 ( 2 ) 转子质量m 对定转予式低压脉冲射流调制器振动频率的影响 转子质量是决定转子转动能力的主要参数，转予的机械摩阻和水力摩 阻都和转子的质量密切相关，因此实验研究转子质量对定转子式低压脉冲 调制器调制低压脉冲振动