（机械设计及理论专业论文）粒子冲击钻井注入系统的研究.pdf

摘要 粒子冲击钻井技术中注入系统的研究 摘要 在钻井中，虽然坚硬岩层只占整个钻井深度中很少的一部分， 但却花费了整个钻井时间的7 0 ，钻井花费的时间越长，费用越高。 针对这种情况，近年来发展起来一项新技术即粒子冲击钻井 ( p i d p a r t i c l ei m p a c td r i l l i n g ) ，它是一套可以方便地与常规钻机配套 的可移动系统。该系统与常规钻井技术不同，不再单纯地依靠钻压 和扭矩来实现机械破岩，它是将2 5 m m 的钢粒子加入到2 5 m p a 的高 压钻井液中，通过钻柱到达底部钻头，并利用钻头的特殊结构对粒 子加速，依赖钻井液的能量以及所携带的坚硬球形钢粒的联合作用 快速冲击破碎岩层，这种冲击，达到每分钟4 百万次，连续的撞击 使岩石破碎成小颗粒，并随钻井液返回地面装置。这一过程特别适 用于那些因抗压强度极高而导致机械钻速降低的岩层。在这项技术 中，如何将钢粒子加入到高压钻井液中是该项项目的关键技术之一。 为此国外研究机构也在进行新型输送技术的研究，国内并无此相关 内容的研究和资料，本文主要对粒子冲击钻井技术中注入系统进行 研究。 主要内容包括以新型螺旋输送装置为研究对象，对粒子输送的 运动作了分析，分析了粒子输送的牵引角与螺杆和筒壁摩擦因数的 关系，同时对装置中高压密封结构进行了分析和研究；对串联盘输 送装置进行了理论分析和设计研究，并设计出一整套串联盘输送装 置；利用有限元分析软件s a t w e 软件对粒子冲击钻井井架的稳定性 和强度进行了校核，研究发现，大型井架的整体结构以及局部结构 对其稳定性影响很大，可以对其局部区域采取适当的加强措施，这 些措施不仅可以大大减小井架柱、梁的截面尺寸，减轻井架的整体 重量，有效降低制造成本，而且还可以大大提高井架的抗失稳能力； 根据粒子注入系统的工作原理，设计出一整套粒子注入部分液控系 统图，并对原件进行了选型。 关键词：螺旋推进机，s a t w e ，串联盘输送，粒子注入系统 a b s t r a c t s t u d yo fp a r t i c l ei n j e c t i o ns y s t e mi n p a r t i c l ei m p a c td r i l i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t a l t h o u g ht h eh a r dr o c kd r i l l i n gi st h es m a l lp a r ti nt h ed r i l l i n g p r o c e s s ，b u ti ts p e n t7 0 o f t h ee n t i r ed r i l l i n gt i m e ，t h el o n g e ri tt a k e s ， t h eh i g h e rt h ed r i l l i n gc o s t s i nr e s p o n s e ，an e wt e c h n o l o g yd e v e l o p e di n r e c e n ty e a r st h a tc a l l e dp a r t i c l ei m p a c td r i l l i n g ( p i d - p a r t i c l ei m p a c t d r i l l i n g ) ，i t i sam o b i l es y s t e m st h a tc a nb ec o n v e n t i o n a lu s e di n t r a d i t i o nd r i l l i n gr i g p i dt e c h n o l o g yi sd i f f e r e n tf r o mc o n v e n t i o n a l d r i l l i n gt e c h n o l o g i e s ，t h a tn ol o n g e rs i m p l yr e l yo nw o b a n dt o r q u et o a c h i e v em e c h a n i c a lr o c kb r e a k i n g ，t h e2 5 m ms t e e lp a r t i c l e sw e r ea d d e d t ot h e2 5 m p ad r i l l i n gf l u i d ，t h ep a t i c l er e a c ht h eb o t t o mo ft h ed r i l lb i t t h r o u g hd r i l l i n gs t r i n g ，a n dt h e ni t c a nb ea c c e l e r a t e db yt h es p e c i a l s t r u c t u r eo ft h eb i t i nt h i ss i t u a t i o nt h eh a r dr o c kc a nb er a p i db r o k e n d e p e n d e n to nt h ee n e r g yo ft h ed r i l l i n g f l u i da n dh a r ds p h e r i c a ls t e e l p a r t i c l e s s u c ha ni m p a c t ，a b o u t4m i l l i o nt i m e sp e rm i n u t e ，c a ne a s i l y b r e a kt h er o c ki n t os m a l lp a r t i c l e sb yc o n t i n u o u sh i ta n dt h e nt h es m a l l p a r t i c l e sb a c kt ot h eg r o u n de q u i p m e n tw i t ht h ed r i l l i n gf l u i d t h i s t e c h n o l o g yp a r t i c u l a r l ya p p l i c a b l et ot h o s eh a r dr o c kt h a tc a nr e d u c et h e d r i l l i n gr a t ec a u s e db yh i g hc o m p r e s s i v es t r e n g t h i nt h i st e c h n i q u e ，h o w t op r o j e c tt h ep a t i c l et oh i g h p r e s s u r ef l u i dp a r t i c l e si so n eo ft h ek e y t e c h n o l o g i e so ft h ep r o j e c t t h ei n s t i t u t i o n sf o rt h i sn e wt r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g yh a v eb e e nu n d e rs t u d yi nf o r e i g nc o u n t r y , b u tt h ed o m e s t i c h a sn o tb e g a nt h i sr e s e a r c h t h i sa r t i c l ei so nt h es t u d yo fp a t i c l e i n j e c t i o ns y s t e m i nt h i sp a p e r , o na na n a l y s i so fp a r t i c l et r a n s p o r tm o v e m e n t a n dt r a c t i o na n g l es c r e wa n dc y l i n d e rw a l l ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e f r i c t i o nf a c t o ro fs c r e wc o n v e y o r , w h i l eh i g h - p r e s s u r es e a l i n gd e v i c e s t r u c t u r ei sa l s os t u d i e d ；d e l i v e r yd e v i c eo nt h es e r i a l p l a t ei ss t u d i e d a n dt h e nd e s i g n e das e to fd i s cc o n v e y o r ；t h es t a b i l i t ya n ds t r e n g t ho f 北京化工大学硕士论文 d r i l l i n gd e r r i c ka r ec h e c k e db yt h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e s a t w es o f t w a r e ，t h es t u d yf o u n d ，t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fl a r g ed e r r i c k a n di t ss t a b i l i t yo fl o c a ls t r u c t u r el a r g e t h e i rl o c a la r e ac a nb es t r e n g t h e n t ot a k ea p p r o p r i a t em e a s u r e s ，t h e s em e a s u r e sc a nn o to n l yg r e a t l yr e d u c e t h em a s tc o l u m n s ，b e a m so ft h es e c t i o ns i z e ，t or e d u c et h eo v e r a l lw e i g h t o fd e r r i c k ，r e d u c em a n u f a c t u r i n gc o s t s ，b u ta l s og r e a t l ye n h a n c et h e a n t i b u c k l i n gd e r r i c kc a p a c i t y ；t h el a s tp a r ti sp a r t i c l ei n j e c t i o ns y s t e m h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e md i a g r a ma c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gp r i n c i p l e k e yw o r d s ：p r o p e l l e ra i r c r a f t ，s a t w e ，d i s cd e l i v e r y , p a r t i c l e i n je c t i o ns y s t e m i v 目录 符号及缩略词说明 螺纹槽的轴向宽度，m m 机筒内表面处螺纹槽的轴向宽度，m m 螺杆螺纹槽跟处的轴向宽度。m i i l 螺纹任意处的直径。m m 平均螺杆直径，m m 机筒内径，m m 螺杆的螺纹根部直径。m m 螺纹顶处的法向宽度，m m 螺棱任意处的轴向宽度，m m 机筒内表面处的螺棱的轴向宽度，m m 螺杆根茎处的螺棱的轴向宽度，m m 螺杆与物料的摩擦系数 机筒与物料的摩擦系数 单个串联盘上物料高度，m 整个串联盘式管道连续输送机输送高度，m 螺纹根部至机筒内表面的距离，m m 两串连盘之间的距离，m 螺杆转速，r m i n 固体输送段初始处压力，m p a 圆体输送段结束处压力，m p a 螺纹轴向距离( 螺距) ，m m 螺杆底面的螺槽宽度，m m 机筒内表面的螺槽宽度，m m 平均螺槽宽度，m m 机筒内表面处垂直于螺棱的螺槽宽度，m i i l 螺杆根茎处垂直于螺棱的螺槽宽度，m m 驱动轮齿数 沿机筒内表面流道距离，m m 螺纹升角r a d 机筒内表面出的螺纹升角，r a d 螺杆根苇处的螺纹升角，r a d 牵引角，r a d x l 口坟b d d 眈皿 e 乞 b m h h 日 l n n 挖s m 眠一睨彬 z l s 矽九以 。 北京化工大学硕士论文 丫物料比重，n l n - 3 “壁面对物料的摩擦系数 v 牵引钢丝绳运行的平均速度，v s - 1 上述符号中，脚标为“( ，) ”的为机筒内表面至螺杆根部间的可变参数；脚标为“b ” 表示在机筒内表面的有关参数；脚标为“s ”表示在螺杆根茎处的有关参数。 x l i 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 宣西童一 日期： 鲨! 里! 篁：兰2 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位 论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权 单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本 授权书。 作者签名：蛊亟查 导师签名：垒垒区 日期：塑! ! ：圣z 日期：型! ! ! j ! 三 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1粒子冲击钻井技术的历史、现状和前沿发展情况 粒子冲击钻井( p i d p a r t i c l ei m p a c td r i l l i n g ) 是一套可方便用于常规钻机的可 移动系统，特别适用于那些由于具有极高的抗压强度而导致机械钻速降低的地 层【1 3 1 。国外有资料介绍，p i d 系统在钻穿地层时可获得高于现行常规技术数倍 的机械钻速【4 1 。 该系统依赖水力能量和钻井液携带的圆形坚硬钢颗粒的联合作用快速破碎 在钻岩层，和常规钻井技术不同，这一过程不靠钻压和扭矩实现机械破岩，钢 球颗粒的加入点位于钻井泵与立管之间，因而不影响钻井泵的正常操作，这些 粒子沿钻柱下行并在专门设计加工的具有固定切削刃钻头的喷嘴处得以加速， 然后以极高的速度冲击地层，之后钢颗粒和钻屑通过钻井液循环到地面，并通 过一个粒子俘获装置将钢颗粒分离出来以便再次注入循环的泥浆中。p i d 的应 用获得了极高的机械钻速，从而降低了作业者的钻机作业总时间，由于工作量、 燃油、租赁费用、钻机时间以及其它各种钻井费用的节省使得钻井作业更加快 速高效。 粒子冲击钻井由三个主要部分组成：p i d 钻头、粒子注入系统( p i s ) 和粒子 处理系统( p p s ) 。粒子注入系统，是将粒子以每分钟1 5 加仑速度注入到压力为 2 5m p a 钻井液中，加入的钢粒子泥浆通过钻杆下入到井底钻头。由于冲击钻井 技术是全球范围内一项很新颖的钻井技术，在国外也是独家公司_ p a n i c l e d r i l l i n gt e c h n o l o g i e s ，i n c 独立研发，p a r t i c l ed r i l l i n gt e c h n o l o g i e s ，i n c 位于美国 休斯敦。自2 0 0 7 年1 月9 日以来美国粒子钻井技术公司完成了4 次粒子冲击钻 井技术现场应用试验进一步展示了p i d 潜在的技术优势，但其目前仍未达到商 业化应用水平。目前国内只有胜利油田钻井勘探开发研究院在进行初步的可行 性研究，本项目也是和胜利油田钻井勘探开发研究院合作共同研究。 1 2 粒子冲击钻井中注入系统技术目前研究的成果 粒子冲击钻井注入系统是整个粒子冲击钻井的关键系统，由于竖管中的泥 浆压力为2 5m p a ，压力较高，钢球粒子较难均匀注入和混合，因此需要设计相 应的装置并将粒子加压到与竖管中的泥浆压力相同。根据所查资料，美国休斯 敦公司所研制的注入系统的主体结构如图1 1 所示。 北京化i 大学焉论文 圆 圈i - i 注入系统的主体结构9 】 f l g i l t h e m a i ns h u c m 坤o f p i $ 图1 1 所示为粒子经垂直提升装置至注入系统井架顶部注入管腔室经由螺 旋推进机将粒子注入到鹅颈管中，在螺旋推进机粒子进料口通过法兰与两个 粒子加压仓室相连，两个仓室采用空心圆柱仓。上下仓室通过高压粒子阀分隔。 在下仓室有接管与泥浆阀和泥浆泵连接，用来对空心圆柱仓中粒子加压。上仓 室有接管与减压装置相连。考虑粒子输送量的要求和螺旋推进机粒子入口直径， 下腔室的高度为4 0 0 0 m m 左右，上腔室的商度5 0 0 0 m m 左右。在上腔室上部， 有粒子卸料漏斗，通过高压粒子闲与下腔室分隔。为了将地面分离出的粒子提 升到上部的卸料漏斗，采用了粒子提升装置。该套粒子注入系统，主要包括粒 子垂直提升装簧、螺旋推进机、井架、高压闷以及液控系统等部分组成”“l 。由 于该公司的粒子冲击钻井技术尚属于研究试验阶段，并没有商业化产品推出， 所以其相关的设备的具体结构和性能都没有相关论文的发表本科研的项目的 研究也是根据合作单位的要求，根据网上查找的国外相关的图片，对粒子冲击 钻井中注入系统中主要的设各螺旋推进机和粒子提升装置的机理进行分析并 查阅了大量的文献和国内相关的厂家，对相关设备的生产和研究状况有了充分 的了解。 螺旋推进机从它的原理上讲实际就是螺旋输送机。螺旋输送机一般适用于 短距离输送物料，可以将物料在一定的输送线路上。从装载地点到卸载地点以 恒定的或变化的速度进行输送，还可以形成连续的物流或脉动性的物流，即从 虽初的供料到最终的卸料之间可以形成一种物料的输送流程。另外，螺旋输送 机可沿水平、倾斜或垂直方向上输送物科，主要分为水平螺旋输送机和垂直螺 旋输送机。这阿种机型也是撮常用的。螺旋输送机根据结构分为，双螺旋输送 第1 章绪论 机和单螺旋输送机，后者使用较多。螺旋输送机的安装方式有固定式和移动式 两种，大部分螺旋输送机采用固定式。 其他型式的螺旋输送机有很多种类，例如有垂直螺旋输送机，螺旋管输送 机，可弯曲螺旋输送机，大倾角螺旋输送机，成件物品螺旋输送机，热交换式 螺旋输送机，微粉螺旋输送机，新型冷却螺旋输送机，对转螺旋输送机，复式 输送机，双向输送机，变螺距输送机，变直径输送机等。各种型式的螺旋输送 机在工程实际中都得到了很广泛的应用。 g x 型螺旋输送机是出现较早的一种螺旋输送机，也是我国最早定型生产的 通用性生产设备。它以输送粉状、粒状、小块状物料为主，不适宜输送易变质 的，粘性的易结块的物料和大块的物料，因为这些物料容易粘在螺旋上而随之 旋转，或在吊轴承处产生堵料现象，给物料输送过程带来很大的不便。g x 型螺 旋输送机的优点主要是节能、降耗显著，其头部、尾部轴承移至壳体外，具有 防尘密封性好，噪声低，适应性强，操作维修方便，进、出料口位置布置灵活 等：缺点是动力消耗大，机件磨损快，物料在运输时粉碎严重。 l s 型螺旋输送机是在g x 型输送机的基础上修改设计的新一代螺旋输送 机，l s 型螺旋输送机特点是结构新颖，性能可靠，技术指标先进，适用范围广 泛，节能降耗显著。另外，l s 型螺旋输送机还有多种系列的输送机产品。l s s 系列螺旋输送机、l s y 型螺旋输送机、l s f 系列螺旋输送机都是在l s 型螺旋 输送机的基础上逐渐发展形成的。l s s 系列水平螺旋输送机是一种固定装置的 机械输送设备。l s y 型是一种非基础固定式螺旋输送机，它可以实现水平、倾 斜、垂直全方位和任意姿态的连续输送。它的实用性和先进性尤其体现于能适 应山区、平原各种野外流动作业，也适用于化工、冶金工业企业和造纸、建筑 工程等行业。 l s f 系列螺旋输送机是在l s 型螺旋机的基础上改进的，其结构新颖，技术 指标先进。总体而言，该机头部和尾部轴承移到壳体外部，消除了由于密封不 严漏料而降低轴承寿命的可能性：中间吊轴承采用滚动、滑动可以互换的两种结 构，均设防尘密封装置，密封性强，耐磨性好：螺旋叶片的表面涂有耐磨材料， 增强了叶片的耐磨性：传动部分采用摆线针轮减速机，使得整机噪音低，适应性 强，操作维修方便。 t l s s 系列螺旋输送机具有结构简单、密封性能好，无粉尘、噪声低，能多 点送料、卸料等特点，适用于各行业的粉状或颗粒的输送。该螺旋输送机横截 面可设计成u 形和圆形两种，圆形截面输送机还可作为垂直输送用。该机广泛 用于面粉、粮油、饲料行业水平物料的输送，并可在其出料端增设料封装置， 形成t l s s f 型料封螺旋输送机，在进料口左侧或右侧增设吸风口，专门用于输 送粉碎后的物料。 北京化工大学硕士论文 在各种l s 系列输送机的基础上，也研制出了一些其他系列和类型的螺旋输送 机。j t 型螺旋输送机，是一种按工艺布置需要有单机单驱动( 或重叠式，分体 双驱动1 ，带夹套的全密封型螺旋输送机。其具有结构紧凑合理，占地面积小， 密封性好，工艺布置灵活等优点，适用于输送要求冷却或加热的有毒、易挥发 及具有腐蚀性或怕被污染的物料，如三聚氰胺、1 h 口等，可以水平输送温度低 于2 5 0 的物料，可广泛应用于化工、医药、食品、轻工等行业。 m l g 管式螺旋给料输送机是一种等同采用国际标准的螺旋输送机，其特点是变 螺距，给料量稳定，具有一定的锁风效果。输送机长度在特定范围内可由用户 指定选用，用作料仓底部给料设备时，一般采用倾斜布置，基本可消除物料自 流( 即冲料) 现象。m l g 管式螺旋给料输送机可用于生料、煤粉、水泥等粉状物 料的给料和短距离输送。 y s 型圆筒螺旋输送机，可设计成水平式、倾斜式、垂直式三种类型。f x 系列螺旋输送机广泛用于盐、化工等行业粉状物料的输送及提升，而且可以垂 直输送替代斗式提升机。 随着运输机械的发展，还出现一些新型的特殊用途的螺旋输送机，如可弯 曲螺旋输送机，螺旋管输送机，大倾角螺旋输送机，成件物品螺旋输送机，热 交换式螺旋输送机，微粉螺旋输送机，新型冷却螺旋输送机等。 可弯曲螺旋输送机可实现空间可弯曲输送物料，有水平型，垂直型，还可 以布置成其他型式。可弯曲螺旋输送机的螺旋体心轴为可挠曲材料，输送线路 可根据需要按空间曲线任意布置，避免物料转载，不设中间轴承，阻力小，当 机壳内进入过多的物料或有硬块物料时，螺旋体会自由浮起，不会产生卡堵现 象：噪音小。 螺旋管输送机也称滚筒输送机，其为螺旋输送机的一种变态形式，为内螺 旋输送机。在其圆筒形机壳内焊有连续的螺旋叶片，机壳与螺旋叶片一起转动， 加入的物料由于离心力和管壁的摩擦力的作用随机壳一起转动并被提升，然后 在物料的重力下，又沿螺旋面下滑，实现物料的向前移动。如同不旋转的螺杆 沿着转动的螺母做平移运动一样，达到输送物料的目的。 螺旋管输送机工作时没有卡壳、阻塞现象，对谷物破碎小，适于输送含杂 较多的谷物、经烘干机处理后的热谷物以及谷物种子。如果在螺旋管壁上销上 不同直径的孔眼，还可在输送的同时完成物料的筛分工作。 大倾角螺旋输送机输送原理是，由于大倾角螺旋输送机的螺旋转速较高， 物料在它的推动下，产生较大的离心力，倾角越大，转速越高，离心力也越大。 这种离心力足以使物料克服它与螺旋叶片之间的摩擦力而被压向螺旋叶片的周 围，呈环状分布。被压向螺旋叶片周围的物料与输送管内壁形成了新的摩擦阻 力，当这种阻力达到足够大时，便能克服物料本身重力及其它力所引起的下滑 4 第1 章绪论 力，在螺旋叶片的推动下，物料又克服它与螺旋叶片间的和它与输送管内壁间 的两个摩擦阻力，从而以比螺旋转速较低的旋转速度上升，直到出料口卸出。 热交换式螺旋输送机，广泛用于化工、粮食加工以及矿物处理等行业，如 冷却锅炉炉渣、冷却矿渣、加热干燥多种化工产品以及粮食或饲料等，是一种 特殊的高效热交换器，同时也起输送物料作用，并完成对物料的搅拌、混合、 冷却、加热或干燥等工艺。 输送微粉的微粉螺旋输送机，具备合理的螺旋轴结构，有很好的密封性能， 稳定的微粉原料的输送速率，能减少悬料及降低过冲量。微粉输送技术已用于 设计微粉螺旋输送机上，并且在玻璃纤维池窑拉丝配料生产线上得以应用，经 生产运行，达到输送微粉原料的目的，满足了生产的需求。 成件物品螺旋输送机可以对成件、大型物料进行输送，它由两根相互平行 的表面焊有左、右旋螺旋形钢条的两根钢管组成，输送距离较长的可以分为几 断。 螺旋扒谷机由螺旋喂料机构与倾斜移动式螺旋输送机组合而成。喂料机构 主要有两种结构形式，一种型式是螺旋体一半为左旋，一半为右旋，工作时自 两侧向中心汇集物料：第二种型式是螺旋体只有一个旋向，但是可以上下左右移 动，以扩大扒谷范围，减少移动次数。 对转螺旋输送机，其输料管与螺旋体都旋转，但旋转方向相反。这种新颖 的垂直螺旋输送机填充率高达7 0 9 0 。当螺旋体转速与输料管以一定的转速相 配时，可观察到物料并无旋转运动而只有垂直上升运动。它的工作原理不能再 用单一颗粒受到离心力的作用来说明，而应对整个物料柱的运动进行分析。在 这方面还需要作进一步研究。 复式螺旋输送机，同一料槽内装上转向相反的两个螺旋体，加上驱动装置， 就构成了复式螺旋输送机。它能同时完成两种不同物料的输送，并且占地面积 小，相对空间尺寸也小。 双向螺旋输送机，同一螺旋轴上的两半节上，分别焊有左旋叶片和右旋叶 片，这是双向螺旋输送机的主要特点。它可以向两个方向同时输送同一种物料， 即将物料从两端集向中心，或从中部进料后输向两端。 变螺距螺旋输送机，这种螺旋输送机的螺距沿前进方向是变化的。叶片焊 接或由疏渐密，或由密渐疏，适合港口卸船用或饲料工业中作配料设备用。 本螺旋推进装置主要用于钢粒子的输送计量使用，由于输送物料比较特殊， 且工作在高压状态，因此国内目前无此类的输送设备生产，需要自行设计。 目前市面上常用的垂直输送设备有斗式提升机、垂直型埋刮板输送机、垂 直螺旋输送机和气力垂直输送机械。它们各自的特点如下： 垂直型埋刮板输送机在应用于垂直输送时，一般用于输送量大的场合，同 北京化工大学硕士论文 时结构不够紧凑，所占空间较大。 斗式提升机是一种在垂直或接近垂直方向提升粉状、粒状或小块状物料的 连续输送机械，它是靠环绕在头、底轮上的牵引构件连续运动，通过固定在牵 引构件上的畚斗装料、提升，靠离心力的甩出卸料，具有结构紧凑、动力消耗 低、噪声小、提升高度大等优点，但同样用于输送量大的场合； 垂直螺旋输送机适用于短距离垂直输送，不适用于较长距离的垂直输送； 由于我们的物料比重较大，所需气力输送的设备现场不具备，所以此设备也不 适合我们。 串联盘式管道连续输送设备它是以管道内用钢丝绳或钢链串联起来的圆盘 作为牵引机构运输物料的，输送适用于长距离的垂直输送，可随场地变化随意 转弯。同时具有占地面积小的优点，适合各种颗粒状物料的输送，输送与环境 相互无影响，输送量可大可小。因此串联盘式管道连续输送设备输送钢球粒子。 串联盘式管道连续输送机的布置形式有垂直布置、水平布置及倾斜布置。 a 垂直布置b 水平布置 c 倾斜布置 图1 - 2串联盘输送机的布置方式 f i g 1 - 2 d i s cl a y o u to fc o n v e y o r 由于它体积小、装配容易，因此可根据用户的要求，随空间进行弯曲布置。 串联盘式管道连续输送机在美国及英国有成熟的产品。结构形式有固定式、移 动式及便携式等；驱动形式有顶部驱动、底部驱动。这种输送机多用在制药， 化工、粮食、煤炭等行业。 根据现场空间条件，每种布置方式可采取的驱动方式有头部驱动，尾部驱 动，头尾同时驱动等。当输送能力相同时，采取不同的输送方式和驱动方式， 串联盘输送机的牵引能力不同，牵引钢丝绳的张力分布也不相同。 本系统中的螺旋推进机输送物料比较特殊为钢球粒子，且工作在高压状态。 国内目前的螺旋输送机都是常压输送，其种类很多，g x 型螺旋输送机是出现较 早的一种螺旋输送机，也是最早定型生产的通用性生产设备。它以输送粒状、 小块状物料为主，不适宜输送易变质的，粘性的易结块的物料和大块的物料， 因为这些物料容易粘在螺旋上而随之旋转，或在吊轴承处产生堵料现象，给物 料输送过程带来很大的不便。l s 型螺旋输送机是在g x 型输送机的基础上修改 设计的新一代螺旋输送机，l s 型螺旋输送机特点是结构新颖，性能可靠，技术 6 第1 章绪论 指标先进，适用范围广泛，节能降耗显著。l s f 系列螺旋输送机是在l s 型螺旋 机的基础上改进的，其结构新颖，技术指标先进。总体而言，该机头部和尾部 轴承移到壳体外部，消除了由于密封不严漏料而降低轴承寿命的可能性；中间 吊轴承采用滚动、滑动可以互换的两种结构，均设防尘密封装置，密封性强， 耐磨性好；螺旋叶片的表面涂有耐磨材料，增强了叶片的耐磨性：传动部分采 用摆线针轮减速机，使得整机噪音低，适应性强，操作维修方便。 此外，还有出现一些新型的特殊用途的螺旋输送机，如可弯曲螺旋输送机， 螺旋管输送机，大倾角螺旋输送机，成件物品螺旋输送机，热交换式螺旋输送 机，微粉螺旋输送机，新型冷却螺旋输送机等【1 5 】。总之，虽然常压工作状态下 输送机的种类比较多，但由于输送的介质和工作参数相差较大，所以无法直接 采用相关的设计理论。 与输送有关的研究，螺杆挤出机输送段输送理论的研究，国内也多见发表。 北京化工大学的贾明印等发表的新型螺杆挤出机固体输送理论的研究，该文讨论 了输送角、摩擦因数等因素对固体输送流率的影响。北京化工大学的赵晶等根据 离心式挤出机的固体输送机理建立固体输送压力分布的数值模型，并研究分析了 转鼓结构( 半径、锥角) 、转鼓内壁与聚合物之间的摩擦因数、以及转鼓转速对固 体输送压力分布的影响。国外也对这方面进行了大量研究，英国的h y u n k u ns u p 等人，an e wd e v i c eh a sb e e nd e v e l o p e d ，h o w e v e r , t om e a s u r es o l i d sc o n v e y i n gr a t e s a saf u n c t i o no fb a r r e la n ds c r e wt e m p e r a t u r e s ，s c r e ws p e e d ，a n dd i s c h a r g ep r e s s u r e t h e s ed a t aa l o n gw i t hf r i c t i o na n db u l kd e n s i t yd a t aw i l lb eu s e dt od e t e r m i n et h e a c c u r a c yo fs e v e r a ls o l i d sc o n v e y i n gm o d e l s b 6 - 1 s 对于密封情况，由于本螺旋推进机输送物料为钢粒子和泥浆的混合物，且 工作压力为2 5m p a 。密封问题是非常关键的问题。大庆石油学院机械学院的李 宝彦等对增压注水装置高压密封进行了研制，但其工作压力为1 6 m p a 。四川日 机密封件有限公司的张有华从传动机构、结构型式、端面型式、辅助系统和零 件的选材等方面分析了高压机械密封的技术关键，并介绍了相关高压产品的应 用，但其产品最高工作压力为9 6 5 m p a 。丹东克隆集团有限责任公司的贺宝海 分析了高压条件下机械密封端面的变形情况及其对密封性能的影响，提出了密 封环的压力变形机理和解决措施以及实际应用中的注意事项，并列举了一些应 用实例，其应用最高压力为2 0 m p a t l 9 】。美国内拉奇公司的t o l l a n d 等人，t h e b i b l i o g r a p h yc o n t a i n sc i t a t i o n sc o n c e r n i n gt h ed e s i g n ，d e v e l o p m e n t ，a n dt e s t i n go f s e a l sf o rh i g hp r e s s u r ea p p l i c a t i o n s t h ef a b r i c a t i o na n dp e r f o r m a n c eo fs h a f t ，r o t a r y , p i s t o n ，l i p ，r i n g ，a n do i ls e a l sa r er e v i e w e d a p p l i c a t i o n si nc o m p r e s s o r s ，p u m p s ，a n d m o t o r sa r ed i s c u s s e d r e f e r e n c e st os e l f - s e a l i n g ，d y n a m i cs e a l s ，h i g ht e m p e r a t u r e 7 北京化工大学硕士论文 s e a l s ，l e a k a g e ，f r i c t i o nt o r q u e ，a n dc h e m i c a lc o r r o s i o n a r ec o v e r e d 【2 0 2 2 1 在粒子注入系统中，根据工艺要求，需要将粒子提升到1 6 m 高的漏斗中， 对于提升装置，串联盘式管道连续输送设备以其适用于长距离的垂直输送，同 时具有占地面积小的优点并适合各种颗粒状物料的输送而受到关注，但串联盘 输送技术尚不成熟，目前只是处于理论分析阶段。辽宁工程技术大学的栾丽君 教授对串联盘输送装置进行了大量的研究，研究了串联输送的运动模型；驱动 轮旋转时，轮齿依次与串联盘结合，推动串联盘连续运动，将驱动轮旋转的转 矩变成直线牵引力，钢丝绳绕经驱动轮时部分成圆周缠绕，一部分是直线缠绕。 同时分析了驱动轮齿数对钢丝绳直线运动过程中运行阻力及其速度和加速度影 响和驱动轮合理齿数；其次从钢丝绳速度变化和受力特性出发，探讨影响钢丝 绳疲劳寿命的因素，总结疲劳破坏形式。进一步分析钢丝绳直线运动过程中在 冲击载荷情况下的动张力及其共振。这些研究也只是理论的初步探讨，并没有 相关的产品。而国外尚无此类研究。 管腔室需要加压和输送物料，需自行设计高压的钢管，另外需要焊接井架 和自行设计液压系统，这些技术已经成熟。 1 3 论文选题的立论、目的和意义 粒子冲击钻井适用于那些由于具有极高的抗压强度而导致机械钻速降低的 地层，p i d 系统在钻穿地层时可获得高于现行常规技术数倍的机械钻速。从而 降低了作业者的钻机作业总时间，节省了其它各种钻井费用，使得钻井作业更 加快速高效。在美国该系统已进行了5 口井的现场实验，试验井的机械钻速达 到了邻井常规钻井的2 - 4 倍。结果表明：粒子冲击钻井技术是一项能够有效解 决深部研磨性极高的极硬地层快速钻进问题技术f 6 l 】。随着石油时代的到来，我 国在钻井方面也遇到同样的困难和问题，因此，非常有必要对此项钻井新技术 进行前瞻性的技术研究，尽快形成国内粒子冲击钻井技术的初步技术方案，为 该技术最终应用于国内深井、超深井钻井奠定良好的基础。整个项目包含三部 分，粒子注入系统是其中非常关键的环节，粒子能否准确的注入，关系到整套 技术的实施。鉴于国内在粒子注入系统相关设备的研究情况，本研究对注入系 统的相关方面做了如下研究，为此项技术尽快在国内钻井领域的实施，提供一 些技术参考。 通过对粒子冲击钻井注入系统的研究，了解粒子注入系统的工艺过程，了 解在高压状态下螺旋推进机的性能，研究在高压状态下，钢粒子的螺旋输送特 性，分析螺杆和筒壁的摩擦因数对粒子输送率的影响，分析在高压状态下，介 第l 章绪论 质的密封问题，并在此基础上设计出高压粒子螺旋推进装置，弥补了我国在高 压螺旋推进性能的研究空白；通过对串联盘输送装置进行理论分析和设计计算， 对串联盘驱动轮形状方面进行研究，研究设计出新的驱动轮形状，对串联盘的 链盘部分进行了研究，分析钢丝绳运行过程中性能的变化，并设计出完整的串 联盘输送装置；通过有限元软件s a t w e 对井架进行强度和稳定性校核，使井 架结构进一步合理化；分析粒子注入部分的液压控制系统，并最终完成粒子注 入装置，为粒子冲击钻井的进一步研究做准备，加快我国在这个项目研究进度， 提高国家的石油钻探业的竞争能力。 1 4 主要研究内容 本文的主要研究内容包括： ( 1 ) 研究螺旋推进机输送角与螺杆、机筒表面摩擦因数以及与螺旋升角的关 系，对螺旋推进机的高压密封装置及相关的结构进行研究； ( 2 ) 对串联盘输送装置进行力学分析，对盘距、齿数进行研究，以及相关配 套装置的设计； ( 3 ) 禾l j 用s a t w e 软件对井架装置进行强度和稳定性校核； ( 4 ) 根据实际工作要求对粒子注入系统的的液控系统进行了研究。 9 第2 章螺旋推进机的研究 第2 章螺旋推进机的设计和研究 螺旋推进机从原理上讲就是螺旋输送机。目前的螺旋输送机都是常压输送。 螺旋输送机一般适用于短距离输送物料，可以将物料放在一定的输送线路上， 从装载地点到卸载地点以恒定的或变化的速度进行输送，还可以形成连续的物 流或脉动性的物流，即从最初的供料到最终的卸料之间形成一种物料的输送流 程。另外，螺旋输送机可沿水平、倾斜或垂直方向上输送物料，主要分为水平 螺旋输送机和垂直螺旋输送机。螺旋输送机根据结构分为，双螺旋输送机和单 螺旋输送机，后者使用较多。螺旋输送机的安装方式有固定式和移动式两种， 大部分螺旋输送机采用固定式。常见的有g x 型螺旋输送机、l s 型螺旋输送机、 l s f 系列螺旋输送机、t l s s 系列螺旋输送机、m l g 管式螺旋给料输送机、y s 型圆筒螺旋输送机等。 本螺旋推进装置主要用于钢粒子的输送计量使用，由于输送物料比较特殊， 且工作在高压状态，因此国内目前无此类的输送设备生产。为此根据工艺要求， 对该设备进行了设计 2 3 - 2 5 】，已经相关设备的选型4 9 1 。如图2 1 所示。 54 3 j 。1k 一，一一一用i i ，习” _ 一j 麓黾。1 - 一理 苣祷蕊笋艄t l i ：l 。：】- 留一，_ r p ；n 与 ，r ，由矿 口。1 习p 、。jli l l b f；d | | 产l l 气- i 1i- i 图2 - 1 高压粒子螺旋输送装置 1 电机；2 皮带轮； 3 减速器；4 机械密封； 5 输送部分 f i g 2 1d e l i v e r i n gf a c i l i t yf o rh i g h - p r e s s u r es t e e lp a r t i c l e s 1 e l e c t r i cm a c h i n e r y ；2 p u l l e y ；3 r e d u c e r ；4 m e c h a n i c a ls e a l ；5 t r a n s p o r tp a r t 2 1螺旋推进机输送部分输送性能分析和设计 2 1 1摩擦因数、螺旋升角与牵引角的关系分析 根据推进量的要求，对螺杆的尺寸进行了初步的计算确定，由于所推进的 物料为钢粒子，且为高压推进，国内在此方面尚属空白。考虑压力和磨损的要 北京化工大学硕士论文 求，螺杆考虑为加工后喷涂处理。螺杆材料为3 8 c r m o a l a 氮化。由于推进的 钢粒子的物料特性没有参考资料，所以初步设计时先采用标准值t = d ，螺杆断 面形状采用矩形螺纹，螺纹根径表面与螺棱推进面用大圆弧过渡，即提高螺棱 强度又可减小磨损。由于输送的物料为钢粒子，其输送的相关过程没有可参考 的文献，所以首先对粒子推进过程中摩擦因数对输送性能的影响进行分析。 根据固体输送理论【2 6 】，高压粒子输送的运动分析依据以下基本假设： ( 1 ) 高压固液混合的粒子，由于液体含量仅存在于粒子间隙中，所以输送过 程中粒子可看成密实的固体塞； ( 2 ) n 体塞与螺槽底面、两个侧面和机筒内表面同时紧密地接触； ( 3 ) 粒子的压力在螺槽流道内等压； ( 4 ) 螺槽为矩形，螺纹圆角半径不计。 根据固体输送理论，当螺杆旋转机筒静止时，其固体输送段的体积流率q s 为： 妒砌艘( d 6 - 日而t a n o t a n9 b ( 彘) ( 2 - 1 ) 式中d 圹_ 机筒内径，m m 卜螺纹顶处的法向宽度，m m ，卜螺杆转速，r m i n 月l 螺槽深度，m m 旺牵引角，r a d 形一平均螺槽宽度，m m 从式( 2 1 ) 看到，当螺杆几何参数确定的情况下，牵引角目是影响粒子输送 的重要因素，牵引角越大，粒子输送的产率越高。通常情况下，它取决于螺杆 几何参数、摩擦因数以及固体输送段压力的变化。 c o s 0 = k s i n 0 + 2 呒- l 以f s ( k + 瓦dc 裥s i n 九 + 嚣c n 爰c 鲫n 九呒五、见“ ” 拦篆去c n 虽c 咖叫npa_z2wz bf b 、d b 。lh 式中k ：堡s i n # + f ，c o s # 、dbc o s 一 s s i n # 后一螺杆与物料的摩擦系数 靠一机筒与物料的摩檫系数 第2 章螺旋推进机的研究 巩一机筒内表面的螺槽宽度，m i l