（油气井工程专业论文）附壁式双稳射流调制机理及机构研究.pdf

s t u d yo nt h em e c h a n i s ma n ds t r u c t u r eo f 、a u a t t a c h e db i s t a b l ef l u i d i ce l e m e n t s m a r u t a o ( o i l & g a sw b l ld r i l l i n ge n g i n e e r i n g ) d i r e c t i 耐b yp r o f e s s o rx uy 可i a b s t r a c t f l u i d i ct e c l l l l i q u ew a sb i r d l e di nt h eb e g i n 凼go ft h e2 0 t 王1c e n n 峨a 1 1 df l o 耐s h e dd 嘶n g 19 6 0 st o19 7 0 s av a s tm 旬o r i 锣o fo u t s t a l l d i n gt 1 1 e o r i e sc a m eo u t ，a n dc h i n e s er e s e a r c h e r s b r o u g h tt h et e c l l i l i q u ei m od r i l l i n gm e c h a l l i c s ，、o r k e do u th y d r o i 如ce m u xh a m me r w h i c hi s 瞳t i c 2 l lt ot h ed e v e l o p m e mo fr o t a r yp e r c u s s i o nd r i l l i n g h o w e v e r ，“sh a i i 】m e rl l a sr l o tb e e n 谢d e l yu s e du m i l 也e s ed a y s a m o n gm a n ys h 印i n gf a c t o r s ，a b o v ea l l i st h er e l i a b i l i 锣o fi t s c o n n o lm e c h a i l i s m f 1 u i d i ce l e m e n t sw o r 虹n gl i f ei sm e r e l yt e n so fh o u r so re v e nl e s sd 嘶n g ( 1 r i l l i n gp r o c e s s ，、) l ，_ h i c hb e c o n l e sah e a v yb u r d e no fr o t a r yp e r c u s s i o nc l r i u i n g a c c o r d i n gt 0t h es u l n m a l ya 1 1 da n a l y s i so ft h et h e o r i e sa n dt e s t s ，m i st l l e s i ss t a i l d so nt | l a t i ti su 玛e mt or e s e a r c ht h ed e s i g nt h e o d e sa 1 1 dw o r k i n gm e c h a n i s mo fn u i d i ce l e m e n t s ，w 1 1 i c h i sv i t a lt ot h ed e v e l o p m e mo fe 筋u x 衄彻】e r t h r o u 曲t h ep r i n c i p l eo f l e o r i e sc o u p l e dw i t l l t e s t s ，m i sp a p e r a t t a i 玳i ds e v e r a la c h i e v e m e n t sa l sf o l l o 、s ： 1 ) d e s i 萨e dn u i d i ce l e m e n ta 1 1 di t sa c c e s s o 巧d e v i c e ，t e s t e dt l l er e l i a b i l i 锣o ft 1 1 ee l e m e n t ， b a s e do ne x p e r i m e n t s 2 ) b a l s e do no r t h o g o n a lt e s td e s i g nt h e o r y ，t h i sp a p e rd e s i g n e ds e v e r a ls 仃u c t u r e so ft h e e l e m e 咄a 1 1 dl a b o r a t o r yt e s t 、v a sc a 玎i e do u t 3 ) a c c o r d i n gt o 廿l er e s u h so fo 吡o g o n a lt e s t ，c o u p l e d 谢t h 砥g e o m e t r i c 咖叽鹏，t h i s p a p e rd e d u c e d t h el a wo fe a c hs t m c t u r ep a r 锄e t e rf o ri n n u e n c i n gt h ew h o l ed e v i c e 4 ) u s e d 她w i r ea n dp m m a a s s e m b l et oo b s e r v et h et r a c ko ft 1 1 ej e t n o w 5 ) b a s e do nh y d r a u l i c “v em e 嘶e s ，t 1 1 i st h e s i sm a d eas i m u l a t i o n 锄a l y s i so ft l l e d y n 锄i c c h a r a c t e r i s t i c sf o r h y d r o l y t i c e m u xh a m m e r a n d d e s i g l l e d i t ss 訇m c t u r c f h l l ( 1 锄e n t a l l y y e tm ew o 触l gc o n d i t i o no fh y d r o l y t i ce 扭u xh a m m e ri sr a t h e rc o m p l e x ，a 1 1 di ti s d i 街c u l tt op r e d i c tt 1 1 ec a u s e so ft h ef a i l u r e c o n s e q u e m l y i no r d e rt os o l v em ep r o b l e mo fa l e r e l i a b i l i 饥t 1 1 e o r i e ss h o u l djo i nh a l l d sw 砧p r a c t i c a l 印p l i c a t i o n ，w h i c hi st h e 矗1 c u r e 、0 r ko f t h i sp 印e r ，a 1 1 dm e 嘶t i c a la p p r o a c ht oi m p r 0 v em eh a l t n e r k e yw o r d s ：w a l l a | h e dj e t - n o w ，s w i t c h i n gm e c h 觚i s m ，o m l o g o 谳t e s t ，n u i de m u ) 【 h 2 i i m n e r ，d y n 锄i cc h a r a c t e r i s t i c s 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作出了明确的说明。 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：马丝鲞一 日期：汐西年少月形日 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。 学位论文作者签名：丕丝盏 指导教师签名： 日期：绷年夕月彩日 日期：川年上月彩日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 流控技术与附壁射流概述 第1 章绪论 流控技术( f 1 u i d i ct e c h n i q u e ，也称射流技术) 出现于上世纪5 0 年代末，是以流体 信号控制流体系统进行检测、运算、放大等任务的技术。在其出现后的短短十佘年间迅 猛发展，至1 9 7 0 年前后便已经走出实验室，进入了实际应用阶段。 流控技术的突出优点是对信号的检测、调节和执行整个过程勿需对信号进行中间转 换，可以完全做到以流体信号控制流体进行动作；此外，流控技术的环境适应能力很强， 尤其能够抵抗恶劣的外界环境，能够应用于一些特殊的工况，比如要求抗磁、防爆、耐 腐蚀等场所。鉴于该技术的独特优势，国内外都对它进行过广泛的研究和应用。7 0 年代 开始，美国就将流控技术引入航天器推力控制装置和直升飞机的增稳系统；日本将其引 入金属工业冷却水的自动切换过程，均取得良好效果。之后，美、日等国又将流控技术 应用于海洋开发；用于农业上稻田水位控制、播种机播种；用于医疗上的呼吸器、人工 肺甚至用于人们日常生活中的洗浴用具等。在国内，流控技术则主要用来改造老设备， 实现单机和生产线自动化，有不少成功应用的实例。 流控技术之所以有如此广泛的应用，是由于这些工作场合对纯流体系统强烈的依赖 性。流控技术直接以流体信号对系统进行控制，极为方便。然而，这项技术在其发展过 程中，曾于6 6 年和7 0 年前后出现过两次低潮。从技术上说，一个主要原因就是同时期 电子元件的飞速发展极大限制了流控技术的应用场合；另一个原因是射流理论落后，妨 碍了流控技术应用水平的提高和新的应用领域的开拓。面对技术“萧条”的时候，学术 界出现了两种论调，一种全面否定了流控技术的发展前景：一种保持了清醒的头脑，继 续挖掘这项技术的潜力。 应该感谢那些具有远见卓识的科研工作者，由于他们的努力，今天我们才能够看到 流控技术在生命科学、纳米技术、微电子、航空航天、石油工程等高技术行业的精彩应 用。微射流技术( m i c r o f l u i d i ct e c h n i q u e ) 是近几年来在微观领域兴起的技术应用，其 基本原理便基于流控技术，在生命科学研究中用于控制和移动蛋白质等大分子，合成新 生命物质等；在微电子行业中用于微射流信号c p u 以及电子元件的冷却系统的研制等； 在兵工上可用来精确控制飞弹的飞行轨迹等。此外，我国科研工作者将流控技术引入了 大陆钻探和石油钻井行业，诞生了颇具特色的液动射流式冲击器。 第l 章绪论 谈到流控技术的作用机制，就不能不提到附壁射流。早在1 8 0 0 年，就有人提出过 射流的附壁倾向，当时英国的t h o m 2 u sy o n g 就有过射流附壁的观察报告。1 8 7 0 年英国 r e y n o l d s 在研究垂直向上喷出的水射流顶端的浮球稳定性问题时，观察到射流附壁区有 压力降低的现象。1 9 2 9 年法国的l e a 句和r a v a l l i 也提出过类似问题。1 9 3 1 年法国的 a b b o t tc a n i e r 和h e l l r ib o u n c e 重做y o n g 的实验，提出相应叙述。直到1 9 3 5 年，法国 的h e m ic o a l l d a 发现了利用附壁的手段造成射流偏转的方法。起初他是从飞机喷出的燃 气总是向机身附着，最终引起燃烧获得了启示，其后继续研究，终于发现射流沿着由一 系列有不断向外扩张的小段构成的侧壁流过时，有附壁现象发生。附壁同时，还有两种 效应：近壁处压力总是小于周围环境的压力，因次，当上游情况一定时，经过喷口的 流量有所增加；射流所卷吸的周围流体有增加。c o a i l d a 当时更多注意的是这种附壁 效应的应用，而不是对它作更深入的了解。他利用上述效应，强化了内燃机换气作用； 研制了加强推力的喷嘴，提高了机翼的最大升力系数。1 9 4 8 年，法国的m e t a l 和w e h l e r 把这种效应命名为“c o a l l d a 效应”。1 9 5 9 年美国的“h a 删钻石实验室 的h o r t o n 由于 要解决用电子控制不能解决的有关控制手段的问题，研究在两股圆形截面射流相互作用 下的偏转问题。最初的目的是想研制种功率放大器，但结果得到的放大倍数很小，不 令人满意。该实验室的w a 玎e n 和b o w l e s 继续研究，改用矩形喷口，这样就构成有上、 下盖板和侧壁的元件。当时，在比例放大器的研制上，并不成功，但却获得了另外一项 重要发现，即利用附壁效应可以构成双稳元件。这对流控技术的发展起了不小的推动作 用。此后，附壁效应便广为人知并加以利用开来。 在理论研究方面，有关附壁射流的问题也是在形成射流技术之前就有过一些。例如， 从1 9 3 8 年到1 9 5 5 年，有过如m e t r a l ( 1 9 3 8 ) ，m j l i 曲t h i l l ( 1 9 4 5 ) ，m e 缸面和z e m e r ( 1 9 4 8 ) ，k t y e n ( 1 9 5 5 ) 等人对于二维非压缩性射流绕不同圆柱形侧壁流过时，用势 流理论在速度矢平面内求解。从得出的结果可以预测流量的增加，这其实就是c o a l l d a 观察到的现象之一。但是，这些研究都是以忽略射流对周围流体的卷吸作用为前提的， 因而不能预测射流对侧壁的附着，也不能预测射流从侧壁分离的具体情况。 后来出现的流控技术的应用推动了附壁射流理论的研究进展。综合考虑射流卷吸效 应的附壁理论，是1 9 6 0 1 9 6 1 年由英国的n e w m 趾和法国的b o u r q u e 最早提出的。 n e w m a i l 提出的论点考虑了前述c o a n d a 发现的两种效应的近似性理论，它的基础是量 纲分析、动量原理以及自由射流理论。他考虑了两种情形，一是射流绕圆柱体流动；一 是射流对倾斜侧壁的附壁流动。他证实了无论对前一种流动的分离问题或后一种流动的 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 附壁问题，卷吸都是起基本作用的因素，而这一点是以往的流体力学所没有涉及的问题。 此后，在这方面有不少研究，主要是解释附壁作用和计算附壁点的位置在b o u r q u e 和 n e w m a n 方法的基础上，不断有关于附壁射流理论的完善和发展。例如，最初的分析模 型是射流流过一个有位差的平行壁面的情况和流过一个斜壁的情况，到1 9 6 2 年，就有 理论模型包括了控制流对于低压漩涡区的影响，但没有考虑动量效应；也有的考虑了既 有位差又有张角的情形，但没有考虑控制流的作用。后来，到1 9 6 4 年，提出了包括主 射流和控制流动量互作用效应在内的、沿着有位差和张角的壁面流动的理论模型。到 1 9 6 8 年，日本的木村和光岗提出非对称型速度分布的射流模型的附壁理论。1 9 7 0 年美 国的m c i 瀛和e d w a r d s 提出对三维紊动射流的附壁理论研究。1 9 7 2 、1 9 7 3 年又有j 。p ：融e s 和t d r z e w i e c l ( i 等人提出附壁射流元件动态特性预测研究。此外，关于附壁射流的切换 过程和特性，从1 9 6 0 年以后也不断有研究成果发表。那么显而易见，流控流体力学在 这方面的研究进展也是极为显著的。 虽然如此，但这方面仍然有不少问题有待进一步解决。例如附壁射流的经典理论中， 一般都对射流进行诸多理想化假设，而实际情况远比那些假设复杂的多。近几年来，科 研人员致力于研究流控技术的应用，在生命科学、微电子等行业重屡创佳绩，但鲜有理 论方面的综合报道。不过，应该注意的是，计算机技术的进步已经使人们可以采用多种 手段仿真、模拟甚至直接观测附壁射流的流场情况。可以预见，流控技术的未来发展将 与计算机密不可分。 1 2 射流元件及其应用 射流元件是不依靠机械运动部件而控制流体流动状况的元件的总称【1 1 。它诞生于2 0 世纪初，以其独特优势引起广泛关注，在其后的几十年内取得快速发展，于6 0 至7 0 年 代随着流控技术的发展达到顶峰，但受到5 0 年代末兴起的集成电子元件的强劲挑战， 最终归于没落。6 0 年代至今，电子元件随着计算机技术的日新月异而高速发展，性能不 断改善，可以说能够通电的地方就会有电子元件。然而，毕竟有些场合是不适合通电的， 比如强磁场、高辐射、易燃易爆的工作环境或者纯流体工作系统，这些场合都是射流元 件的用武之地，所以，射流技术虽然没落，却并没有退出历史舞台。9 0 年代后期至今， 随着一些复杂工况的出现，又有学者重新将目光锁定在射流控制技术上，提出许多新的 见解。 我国自6 0 年代初期开始射流元件的相关研究【2 】，在特殊的历史背景下，研究一度受 3 第l 章绪论 挫，因而并没有出现优秀的理论成果。但研究人员引入了国外大量资料，进行了总结分 析，并设计制造了多种元件，将其广泛应用到各个工业部门，取得了很大成就。尤其在 最近的3 0 年里，获得了很多成果i n 5 j 。 1 2 1 工作机理 按工作原理的不同，射流元件可以模拟元件和数字元件两大类【1 】。模拟元件也称比 例元件，能够将输入的主射流信号做比例变换后以射流形式输出。模拟元件的输入和输 出都是连续变化的信号；相反的，数字元件的输出不是连续信号，而进行预定的阶段性 变化。数字元件的输入可以是连续信号，也可以是阶跃信号。 模拟元件又可以分为很多类别，比如冲撞型、涡流型、偏向型等等，其中，以偏向 型元件应用最广，下面以此为例介绍模拟元件的工作机理。 偏向型射流元件的流道如图1 1 所示，将这种流道加工在一块平板上，上下各用一 块板密封后就制成了射流元件。其工作原理是：由能量源提供的流体经过主喷嘴后产生 高速主射流，主射流喷向工作室的大空腔，在那里与侧面输入的控制流发生干涉。主射 流会在控制流作用下发生偏转，从而使下游接收主射流的受流口内的流量发生变化。如 此一来，对于同样的主射流，受流口可以输出不同的流量信号，完成比例变化的任务。 数字元件则可以分为或非元件，计数元件，振荡元件等等，其分类与电子元件极为 相似，事实上，几乎所有的电子元件能够完成的控制任务，都可以使用数字射流元件完 成，只是在集成电路铺天盖地的时代里，数字射流元件已很少使用，但其中的附壁型元 件异军突起，在石油钻井工业中获得重要的应用。下面以附壁型射流元件为例，介绍数 字射流元件的工作机理。 附壁型射流元件的流道如图1 _ 2 所示，能量源提供的主射流进入工作腔后，射流会 在压差作用下贴附到某一侧壁上流动。这种现象为柯安达在1 9 3 2 年发现，称为柯安达 效应。附壁的流体只能经由附壁一侧的输出口输出，而对侧的输出口则几乎没有流体。 这样，输出口就得到了两个截然不同的信号，类似于计算机逻辑，可以将这两个信号定 为“开 和“关，或者“1 ”和“0 。当需要改变信号时，只需在附壁一侧输入控制流， 射流将在控制流的冲撞下发生偏转而附壁于对侧，此时输出信号也发生阶跃变化，从而 完成数字逻辑任务。 上世纪中叶大行其道的射流元件绝大多数以气体为工作介质，称为气动射流元件。 它们的体积都很小巧，但为了完成一组比较复杂的操作任务，常常需要大量元件串( 并) 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 联入流路当中。这种结构是和同时代的集成电路相类似的，据报道，当时每立方英寸面 积上甚至可以安放l0 0 0 个元件【1 1 。以液体为工作介质的液动射流元件虽然有应用，但 很少见到相关报道。直到9 0 年代中后期，射流元件被应用的到钻井工业中，液动射流 元件才受到越来越广泛得重视。 1 2 2 优势与不足 弋- 弋 图1 一l 模拟元件流路示意图 f i g l ls i m u l a t i n ge i e m e t l 输入口2 _ 一控制口 3 干涉区域卜输出口 图l 一2 数字元件流路示意图 f i 9 1 2d i g i t a le l e m e n t l 柏入口2 控制口 3 一排空口4 分流劈5 一输出口 同样作为控制元件，与电子元件相比，射流元件具有如下不足【1 6 7 】： ( 1 ) 信号传递速度慢电子元件中，信号是以光速传递的，几乎不存在响应时间 问题。而对气动射流元件而言，信号的传递是靠流道内气体的流动来实现的，其最大移 动速度为声速，所以，毫秒以下的信号传递不宜使用射流元件。另外，由于流体在流道 中运动时，输送信号的波形会发生变化，所以得不到尖锐的脉冲波形或标准的矩形波形。 ( 2 ) 能量源不易获得发达的电网让电力成为非常易得的资源，这对电子元件的 应用是非常有利的。而射流元件的流体源有时会不在附近，若增设流体源，其费用会比 较高。而且，流体源必须有稳定化装置才可以保证射流装置的正常运行。 ( 3 ) 能量消耗大电路关闭时，电子元件是不消耗电功率的。但射流元件不同， 无论使用与否，必须不断将流体通入元件内部。比较大型的射流元件会消耗较大量的流 体，因而运行费用较高。特别的，当使用射流元件作配流管时，该缺点不再存在。 ( 4 ) 线路改装困难电子元件连成电路后，需要更换元件或改装线路时，只需要 烙铁就可以了。对于现在的集成电路，这种改装显得更加容易。但在流体装置中，如果 要改变已完成的配管，工程量是很大的。而且在各部件之间进行配管时，连结部件的费 用也比较多。另外，普通管路不能连成紧凑的系统，只能在一块平板上用蚀刻等方法来 制作元件和管路。 从上面的不足之处来看，在与电子元件的竞赛当中，射流元件似乎没有丝毫胜算。 5 第1 章绪论 事实上，上述不足也正是射流元件在7 0 年代之后逐渐没落的原因。但是，时至今日， 电子元件仍然没有完全取代射流元件，并非没有缘故。射流元件具有一些独特优势，这 些优势让电子元件望尘莫及。 ( 1 ) 在线检测容易，维修简便检测电子线路的运行状态需要电压表、电流表或 示波器，至少也需要发光的二级管、小灯泡之类，而检测射流系统的运行只需要观察流 体的流动情况即可。因而一般的技术人员就可以对射流系统进行检测和维护。 ( 2 ) 对外界环境要求低集成电路中大量使用的半导体材料在高温、高湿度、高 辐射等恶劣环境中性能会发生改变，直接影响信号传递能力。但只要适当选择射流元件 的材料，就可以制出耐湿、耐温、耐辐射、耐加速度、耐腐蚀的控制元件。这些元件可 以在相应的工况下稳定工作。这一优势让射流元件有机会应用到高温火箭、导弹和人造 卫星等高科技产品身上。 ( 3 ) 寿命较长射流元件不使用任何的活动部件，因而不存在电子系统中类似继 电器接点的磨损问题，使用寿命较长。 ( 4 ) 安全、环保射流系统以流体为工作介质，不产生电火花，不释放有毒化学 气体，无辐射，对人体安全，对环境无害。 此外，对于液压系统而言，射流元件可以直接驱动执行机构发生动作，而电子元件 则必须采用变换器将电子信号转化为液压信号才可以驱动机械动作，从系统设计方面考 虑，液压系统更适合采用射流元件作控制机构。 综上所述，电子元件虽然在控制机构发展史上大放异彩，但也并非万能；射流元件 淡出人们的视线，却有着无可比拟的独特优越性。两种元件都可以完成线路控制工作， 但各具特色，针对不同的工况应当合理地选用和搭配控制元件。 1 2 3 评价标准 射流控制系统虽然与电子控制系统相似，但也有明显不同。考虑射流元件性能的优 劣，要从增益、信噪比、直线性、频率响应和连接性等几方面进行分析8 1 。 ( 1 ) 增益 对模拟元件而言，元件的增益表现为以下三种形式：压力增益、流量增益和功率增 益。其中，控制输入流量与输出流量曲线的斜率为流量增益；控制输入压力和输出压力 曲线的斜率为压力增益；控制输入功率和输出功率的变化量的比为功率增益。但一般采 用压力增益和流量增益的乘积表示功率增益。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 对数字元件而言，使元件进行开关动作所必要的控制压力、控制流量、控制功率和 输出压力、输出流量、输出功率之比分别为压力增益、流量增益和功率增益。 ( 2 ) 信噪比 信噪比即信号噪音比，指最大输出功率情况下，输入功率振幅与最大噪音振幅之比。 对数字元件而言，只有进行开关动作时，才考虑噪音，因此信噪比影响不大；但对模拟 元件却是一个非常重要的参数。 ( 3 ) 直线性 指输入信号和输出信号之间的直线关系。这一点对模拟元件非常重要，理论上来说， 模拟元件是安装线性比例关系来控制输出信号的，若不能保证直线性，则表示元件失效。 不过，数字元件中并不存在这一问题。 ( 4 ) 频率响应 对模拟元件而言，用相位落后于输入信号4 5 。的输出信号的频率来表示；对数字元 件而言，一般规定从控制流的5 0 流入时起，至最大输出时的5 0 出现时经过的时间 为频率响应的量度。 ( 5 ) 连接性 对数字元件而言，该特性用来表示一个元件能够同时驱动多少个负载进行动作的能 力。在扇形连接的情况下，所有的元件尺寸、输入阻抗、增益、主射流供给压力等条件， 都必须使相同的。但模拟元件不进行类似连接，只进行串联，因而不需要进行连接性判 断。 l - 2 4 工业应用概述 射流元件在其发展的鼎盛时期曾一度被广泛地应用于军事、航天、机械、化工、仪 表、医疗及其他民用工业的自动控制中【1 】。其后，电子控制系统如日中天，取代了大部 分射流控制系统。目前，射流元件主要用于特殊工况下的温度控制，液压系统中的机械 控制和流体控制，航空和军事方面的飞行体控制等。 ( 1 ) 电解铝温度控制 电解铝时电解槽的温度是关键，温度过低液态铝会凝固；温度过高铝会发生其他化 学反应，影响其品质。由于电解槽中的电流强度很大，引发强大的磁场效应，此时是不 宜使用常规的电磁控制系统对槽内温度进行控制的。目前比较先进的技术是使用光纤传 感器和射流控制系统控制电流强度，从而调节电解槽温度。装置连接简图见图1 _ 3 。 7 第1 章绪论 这里，假定电解槽合理的温度范围为t l t 2 ，当温度低于t l 时，光纤传感器发回信 号，使电气转换器无气信号输出。数字元件无控制信号输入，元件左输出口有输出， 至双向升压器增压后，高压气体推动活塞移动，电路电阻减小，电流强度增大，从而使 槽内温度升高。温度高于t 2 时，数字元件会从右输出口输出气体，升压后推动活塞移 动，使电路电阻增大，从而使槽内温度降低。 图1 _ 3 射流控制温度线路图 f i g1 i e m p e r a t l l r ec o n t r o lb yf i u i d i ce i e m e n t s l 一电解槽2 _ 温度控制层 3 一电路4 一电阻5 一活塞缸6 一高压气源 7 一减压阀8 一双向增压器9 一或非射流元件 l o 一气电转换器1 l 一光纤传感器 ( 2 ) 射流式冲击器l 卜5 j 射流式冲击器于7 0 年代诞生于中国，在大陆科考和石油勘探开发钻井过程中获得 应用。其作用是在钻头旋转的过程中周期性的施加一个轴向冲击载荷，让钻头具有冲击 和旋转双重破坏作用，能够大幅提高硬脆地层的钻进速度。 射流式冲击器的控制机构是液动射流元件，其工作介质为钻井液。此处用到的射流 元件是数字元件的一种，称为双稳元件，能够将输入信号以“开或“关 两种状态输 出。双稳元件的两个输出口分别接液压缸的上下两个腔，通过元件的开关信号控制缸内 活塞的运动，从而完成冲锤的冲击动作。需要指出的是，这里，双稳元件的控制信号是 直接由负载反馈提供的，因而系统具有较好的协调性。也就是说，只要活塞移动到死点 位置，元件就会有控制流输入，从而改变控制信号，使活塞反向移动。 近年来，石油钻井向深井、超深井方向发展，钻遇硬地层的机会越来越多。常规钻 井机械不能轻松应对坚硬岩石，使得钻时延长，成本增加。实验表明，射流式冲击器配 合相应钻头可以极大提高硬岩层钻进速率，发展前景看好。但液动射流元件在应用中表 现出不少缺科9 1 ，仍需要进一步研究改进。 ( 3 ) 远程火箭校正控制f l o 】 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 远程火箭飞行初始阶段的校正发动机，主要由燃气发生器和射流元件组成。其工作 原理是使用射流元件快速切换固体燃气发生器产生的高温高压燃气流，产生等幅值的方 波控制力。射流元件的接通时间可以根据控制信号调整，如果相反方向的射流元件接通 时间相等，在一个周期内两个方向的力幅值相等、持续时间相同，弹体在原位置受迫振 动；如果射流元件接通时间不相等，则正向和负向力持续时间不等，弹体将绕质心偏转 到一定角度的位置上振动。通过这种方式，就可以调整火箭的旋转角度。实际上，不只 是火箭，导弹、航天器、飞机等几乎都装配有不同类型的射流元件，以实现特定的控制 任务。 1 2 5 发展趋势展望 2 1 世纪，科学技术日新月异，射流元件获得了一个迅速发展的良好机遇。笔者认为 射流元件大致的发展趋势会有如下几点： ( 1 ) 体积小巧，响应迅速尽管与传统的机械相比，射流元件具有极高的响应速 度，但仍然难以满足现代控制系统越来越高的要求。 ( 2 ) 层射流元件紊流会引起射流的噪声，而层流则会安静的多。更为重要的是， 层流元件可以侦测和产生微小的压力信号，而紊流元件只能用于高压信号领域。而且， 研究表明，起同样作用的层流数字逻辑元件的能量损耗几乎是紊流元件的十分之一。 ( 3 ) 超音速射流元件超音速射流元件可以产生足够大的能量以完成某些特殊任 务，比如导弹导向控制系统就需要瞬间产生一个强大的推力来控制导弹的转向和摆动。 但超音速射流元件极为复杂，目前为止只有少量研究报道。 ( 4 ) 联合电子、机械和传统气动、液动部件组成一个高效的控制系统自上世纪 6 0 年代起，就有学者致力于纯流体控制系统的研制，但目前仍只有少量的应用。 ( 5 ) 模块化、一体化、标准化一方面，这时现代设计的基本要求；另一方面， 这将使射流元件的应用更加方便。 ( 6 ) 应用数值模拟技术分析射流元件内的流动状况以指导元件的设计工作目前 为止，射流元件内部流体的流动状况仍然没有完整的理论解释，而其特殊的复杂性也为 数值模拟带来不小的挑战。近年来，随着计算机技术和流体模拟软件的逐渐完善，射流 元件内部流动的数值模拟有望实现。 鉴于射流元件与本文研究内容的相关性，在此需要着重指出的是，液动射流式冲击 器为我国独创，已获国家专利，其工作原理与国内外的阀式液动冲击器不同。射流冲击 9 第1 章绪论 器工作时，其活塞冲程和回程的转换是一个双稳的射流元件控制。本文所作的一切工作， 其目的就是为了通过参数优化来完善射流元件的性能，提高射流式冲击器的稳定性，扩 展其应用范围。下面，将对射流式冲击器及其相关知识作总结分析。 1 3 旋冲钻井技术与液动射流式冲击器 1 3 1 旋冲钻井技术 旋冲钻井( r o t a 巧a 1 1 dp e r c u s s i o nd 1 1 i n g ) 是冲击式钻进和回转式钻进相结合的一 种钻进方法，其主要特点是钻头在静压作用下，由纵向冲击动载和回转切削共同作用破 碎岩石。钻进过程中，切削刃上同时受到两个方向上的力，即回转方向的回转力和轴向 上的静压力和冲击力。这两个方向的力使得切削刃除了以冲击动载碎岩外，还以回转切 削碎岩，因而具有冲击和回转钻进两种特性。在钻进坚硬岩石时，冲击动载瞬时产生应 力集中，造成岩石脆性急剧增加，产生大体积破碎穴，同时回转力对凸起的脊部岩石又 产生剪切作用，使岩石成大颗粒体积剪崩，大大提高了钻进效率。其主要技术特点是： ( 1 ) 岩石的破碎是受钻头的冲击压入和回转刮削联合作用完成的。 ( 2 ) 在较坚硬的岩石上，旋冲钻井基本上是体积破碎，不是研磨破碎，因此具有 更高的钻井效率。 ( 3 ) 由于是高频冲击破碎，破岩时间极短，硬岩岩性变化对破碎效果影响不大。 在钻头上不易形成偏斜力矩，因此形成的井眼规则、质量好。 ( 4 ) 由于破岩方式是利用高频冲击回转实现的，因此，钻进过程不必采用过高的 钻压和转速，这就使得钻柱受力状况得到改善。 冲击回转钻井的主要装置是安装在钻铤与钻头之间的冲击器，按照工作介质的不 同，冲击器大致分为气动式和液动式两种。本论文所涉及的是液动冲击钻具，下面将就 此展开详细介绍。 1 3 2 国内外液动冲击器研究现状 目前国外的德国、美国、挪威及加拿大一些科研机构及钻井工具公司，国内的原地 质矿产部勘探技术研究所，大庆油田钻井研究所及石油大学、吉林大学建设工程学院等 单位都在进行适合石油钻井、地热钻井钻进的液动冲击器的研究工作，已经取得了一定 的进展。下面将对几种典型结构的冲击器作简单介绍。 ( 1 ) 带喷射活阀双作用冲击器( 图1 4 ) 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 流体进入冲击器后，一部分经通道b 进入岩心管，流至孔底，另一部分经通道a 形成喷射，推动活阀，经通道b 流出。活阀上升直到接触到异径接头。从活阀流出的流 体进入连轴和冲锤中心通道之间间隙，在c 处受到节流，产生压力冲击，推动冲锤向上 行，直到接触活阀。接触活阀后，流体通道被隔断，产生水锤作用，推动活阀和冲锤向 下冲击，直到冲锤冲击砧子，结束冲击行程。该冲击器可将岩心管放在冲击器内，将岩 心管质量置于冲击质量之外，冲锤之间作用在与钻头之间连接的钻头上。 图1 4 带喷射活阀的双作用冲击器 f i 9 1 4d o u b l ea c t i o ni m p a c t o rw i t haj e tv a l 、，e ( 2 ) 石油背压式液动冲击器( 图1 5 ) 石油背压式液动冲击器为无簧式双阀双作用液动冲击器，主要机构有上阀机构、冲 锤机构、冲击能量、旋转扭矩传递机构和附属机构。冲击器启动前由于重力作用，上阀 和冲锤均处于最下部部位，钻井液从外壳上方进入上阀下部的通孔和上阀一冲锤之间的 间隙而进入冲击器的内孔道，钻井液在下接头的节流环处形成高液压，由于下端有效承 压面积大于上端，液压迫使上阀一冲锤上行回程，上阀先行到上死点，当冲锤上行到与 上阀接触后，钻井液因受到阀一锤截流而产生水击压力，迫使阀一冲锤向下冲击运动， 直到冲击砧子，完成一次冲击回次。 图1 5 背压式液动冲击器 f i 9 1 - 5b a c k p r e s s u r ei m p a c t o r ( 3 ) 射吸式双作用石油深井冲击器( 图1 6 ) 该冲击器为石油深井( 4 0 0 0 5 0 0 0 m ) 而设计的，实质上是一个单缸往复式马达， 主要利用来自循环钻井液的冲击能，靠转盘提供扭矩，钻压和扭矩由钻铤通过冲击钻具 的筒体传给钻头，可提高机械钻速3 0 5 0 。工作原理主要是利用泥浆液流过喷嘴时 第l 章绪论 的卷吸作用，以及阀控液压随动系统的压力与位移综合反馈关系，使阀与活塞在上下腔 内产生交变压力差，推动活塞往复运动，以冲击和振动两种方式输出能量。工作过程从 回程开始至冲程结束。回程启动前，冲击器的阀与活塞均处于行程下限，阀呈开启状， 液流通道畅通，喷嘴与随动阀控系统组成一只喷射泵。启动时工作液从喷嘴射出，高速 射流形成卷吸作用，上腔压力迅速下降，液流随着通道的扩大和流速的减慢，节流孔的 增压作用使下腔压力升高，与上腔形成压力差，阀与活塞同时上升，但由于阀质量较小， 先行到行程上限，随后活塞也到上限，回程完成。冲程当活塞和阀同时到达上限位置时， 阀门关闭，高速液流阻断产生水击，上腔形成很大的压力；同时活塞下腔因上面液流不 能下流，而原来的液体继续向下流动，压力急剧下降，即在上腔产生正水击的同时，下 腔产生一次负水击，上下腔压力差推动活塞及阀一起向下运动，阀门逐渐开启，直至冲 击砧子，阀门全部开启，冲程结束。 图l - 6 射吸式双作用石油深井冲击器 f i 9 1 6i i y d r a u i i c s u c t i o ni m p a c t o r 1 3 3 射流式冲击器的发展趋势 射流式液动锤的研究已有近3 0 年的历史。在早期阶段，蒋荣庆教授带领课题组经 过多年的艰苦努力，不断实验研究，终于实现了从原理构想到成功研制，并广泛应用于 固体矿产钻探，成效显著。随后，经过多年的演进，射流式液动锤的结构不断完善，趋 于稳定，应用领域逐渐拓宽到石油天然气钻井、大陆科学钻探、地热钻井等领域，在中 国大陆科学钻探工程先导孔施工中应用取得很好效果。 2 0 世纪9 0 年代以来，石油天然气钻井、大洋和大陆科学钻探、地热钻井、锚固工 程施工、水文水井钻凿、嵌岩桩孔施工、非开挖导向钻进等新领域的潜在巨大需求，推 动射流式液动锤研究向更高的水平发展。尤其是油气钻井领域，迫切需要射流式液动锤 结构和性能进一步完善和提高。我国是世界第三钻井大国，近年来每年新钻油气井口数 约1 万口；钻井成本每米高达数千元至上万元。钻井费用在石油工业勘探开发费用中占 5 0 8 0 ，不断提高钻井技术水平和钻井工程效率是降低勘探开发成本与加快勘探开 发速度的关键。西部地区塔里木、准噶尔、吐哈和柴达木等四个盆地的石油资源量占全 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 国石油总资源量的3 8 ，是全国石油产量接替的主力地区，其资源量的7 0 埋藏在深层， 多数探井和开采井深度超过4 0 0 0 m ，深井和超深井数量逐年增加。近些年来，在这些区 域的油气勘探开发钻井过程中，经常钻遇硬地层和厚的卵砾石地层，采用传统的牙轮钻 头、p d c 钻头及喷射钻井技术实施回转钻井工艺，存在着上部大尺寸井段钻压严重不足， 钻头切削齿吃入坚硬岩石困难，效率很低，钻头寿命短，钻井周期长，成本高等诸多问 题。2 0 0 1 年，全国石油钻井平均机械钻速为1 1 3 4 删1 1 ，而塔里木油田平均机械钻速仅为 3 0 7 删1 1 】。在塔里木盆地，相当一部分钻井仅钻头成本就超过一千万元。研制单次冲 击功大、工作寿命长的射流式液动冲击器，尽快使其大范围推广应用于油气钻井领域， 对于提高我国西部油气钻井技术水平和降低钻井成本，对于提高我国石油钻井施工企业 在国内外钻井市场的竞争力，具有重大的技术经济意义和社会意义。 表1 1d g s c 型液动射流式冲击器实验应用条件及指标对比 1 b l e l 1c o m p a r i s o no fd s g ch y d r o l y t i ce 棚u xh a m m e r s ，| 陀s tc o n d i t i o na de f f e c t s 注：1 带“ 为使用了液动冲击旋转钻井技术的井段；2 祁l 井、金海l 井使用的液动冲击器为d g s c 一2 2 9 型；其他均为d g s c 2 0 3 型。 为使射流式液动锤更好地适应新领域的需要，一大批科研工作者开展了一系列的实 验研究和理论研究工作。2 0 世纪9 0 年代中期，殷琨教授依据流体力学理论公式，建立 了数学模型，开发了计算机仿真分析软件，对射流式液动冲击器内部动力过程及工作参 数进行了模拟仿真分析，初步寻求了大幅度提高冲击功的途径和方法，并通过实验证明， 加大活塞行程、加大活塞冲锤质量、提高泵量是提高射流式液动冲击器单次冲击功的有 效措施。菅志军教授在殷琨教授的工作基础上，进一步通过系统实验研究了活塞行程、 冲锤质量、水泵泵量、活塞杆直径等因素对射流式液动冲击器的影响，推动了射流式液 动锤在油气、地热钻井和大陆科学钻探领域的入井应用实验，取得显著成效。表1 1 为 国产d g s c 型射流式冲击器的实验应用情况。 1 3 第l 章绪论 由于油气钻井泥浆泵排量往往高出射流式液动锤所需工作流量，进行分流结构的设 计是油气钻井用射流式液动锤研制所必需的。为了获得分流量变化的具体规律，齐宏军 进行了k s c - 1 2 7 型射流式液动锤的分流实验研究并进行了理论探讨。针对y s c 1 7 8 型 射流式液动锤在油气钻井实验和k s c 1 2 7 型射流式液动锤在大陆科学钻探中发现的射 流元件冲蚀较严重，工作寿命还不能完全满足实际要求的问题，吉林大学郭晶晶等对射 流元件内部流场进行了p 分析与初步仿真；李伟涛等进行了射流元件工作面爆炸喷涂 耐磨耐蚀材料的实验研究，探索了通过改善材料表面状况的途径提高射流元件工作寿命 的可行性；中国石油大学汪志明教授等运用计算流体力学方法对射流元件内部流场进行 了研究分析，数值模拟了射流元件内部射流稳定附壁与切换的流动过程。通过背压和控 制流对射流附壁与切换过程影响规律的分析，认为控制流上游来流位置对射流附壁影响 很大，可以通过合理选择控制道引流位置来增强附壁稳定性。学者们对附壁射流这种流 体力学现象的研究，无疑会对射流式液动冲击器的深入研究提供重要的参考价值，从而 使正确解释射流元件内部的流动细节，改善和优化流场，有效控制元件的冲蚀和气蚀， 提高其使用寿命成为可能。 1 4 本文的研究内容和意义 目前，国外对流控技术的关注主要集中在微射流方面，对附壁射流元件进行了大量 研究工作。流控流体力学也作为流体力学的一个分支在国际上出现。国内也有不少学者 将目光锁定在双稳射流元件上，其着眼点主要是元件在航空航天、石油工程等领域的具 体应用。回顾历史，射流元件在我国的发展可谓一波三折，这份非同寻常的历程也让科 研人员采取更为审慎的态度对待流控技术。射流式冲击器便是在这种境况下诞生的极具 创造性的钻井工具。 射