浅谈石油液动冲击回转钻井冲击器的设计与制造

浅谈石油液动冲击回转钻井冲击器的设计与制造

采用液动冲击旋转钻孔技术的假设始于19世纪。c、欧洲开始采用气动脉冲开挖技术。20世纪90年代,随着深井、超深井、易斜井、硬地层、水平井和大位移井在石油钻井中所占比例越来越大,常规单纯旋转钻井方法破岩效果差,钻井效率低等弊端逐渐暴露出来,石油行业对用液动冲击旋转钻井技术来解决这些问题比以往更加重视,并投入大量的人力物力进行研究。但到目前为止,石油液动冲击器的冲击参数设计主要还是依靠经验和试验的方法,因此如何在冲击参数的设计方面找到理论根据具有重要的意义。文章正是从这一问题着手,在分析石油钻井特殊工况的基础上建立了石油背压式液动冲击器的动力学模型,并通过室内实验验证了该模型的正确性。冲锤冲击器特性石油背压式液动冲击器是一种无簧式双阀双作用液动冲击器,其工作原理和结构示意图详见文献。石油液动冲击器一般工作在3000m以上的井深中,由具有高压且循环的钻井液来驱动其工作。为了充分了解冲击器主要运动部件的力学特性和优化其结构参数,文章详细的描述了冲锤上行,上阀和冲锤共同下行以及冲锤独自下行阶段的数学模型,得出了计算单次冲击功、冲击频率、功率及冲击能量的有效传递效率的公式,并查知影响其大小的诸因素。主要假设条件如下:①在井下实际工作时,冲击器处在一个连通器中,且各联接件之间并非绝对密封,可以认为冲击器的运动部件处于各向压力全部相同的状况下工作。冲击器按处于地面工作或某一井深处工作为计算条件,并不会有大的差错。②设冲击器处于垂直位置,且泵压为稳定值,忽略由于钻井液粘性带来的摩擦阻力。依照冲锤和上阀的运动行程,可将该型冲击器的一个工作周期划分成以下三个主要工作过程。1.冲击轴操作步骤(1)重力分析1水垫阻力pfpf=5ρg[Q+6vt(S0-Su)6Sp](1+η)(1)pf=5ρg[Q+6vt(S0−Su)6Sp](1+η)(1)2摩擦阻力fF=πDbf0p0(2)3背压p2p2=ρQ22C02A2(3)p2=ρQ22C02A2(3)4管路已经收缩的局部压力损失2冲锤上腔压力计算比较复杂,首先必须分别计算各种局部压力损失。a.管路突然扩大的局部压力损失Δp1:Δp1=η1ρv122(4)Δp1=η1ρv122(4)η1=(1-A1A2)2(5)η1=(1−A1A2)2(5)b.管路突然收缩的局部压力损失Δp2。Δp2=η2ρv222(6)Δp2=η2ρv222(6)η2=(A2A1-1)2(7)η2=(A2A1−1)2(7)c.流体流至冲锤上腔沿程压力损失Δp3。Δp3=λLdρva22(8)Δp3=λLdρva22(8)λ=0.11(68Re+εd)0.25(9)λ=0.11(68Re+εd)0.25(9)因此,冲锤上端受力为:p1=p-Δp1-Δp2-Δp3(10)(2)方程中的动力学d2xdt2=p2S2-W2-F-p1S2U-pfSum2(11)d2xdt2=p2S2−W2−F−p1S2U−pfSum2(11)(3)xdd的计算dxdt=v0+Δt(p2S2-W2-F-p1S2U-pfSu)m2(12)dxdt=v0+Δt(p2S2−W2−F−p1S2U−pfSu)m2(12)(4)迭代算法的运用x=x0+v0Δt+Δt(p2S2-W2-F-p1S2U-pfSu)2m2x=x0+v0Δt+Δt(p2S2−W2−F−p1S2U−pfSu)2m2(13)(备注,本文采用迭代算法,先假设pf=0,Δt=0.0001s。根据式(12)计算出vt,将vt代入式(1)计算出pf,然后再开始下一个时间步长的运算。以下两个阶段与此同理。)2.关闭阀加速步骤此阶段阀和冲锤结合在一起,同步下行。(1)重力分析1军阀和喷射锤的重量为w12W12=(m1+m2)g(14)2t水打击波压力Τ=ρ√Κρ√1+ΚDδE4QπD2(15)33主缸和主腔的工作压力p3可根据公式(10)进行计算。4冲浪下腔操作压力p4由于上阀和冲锤将通道关闭,因此冲锤下腔工作压力等于环孔压力。5摩擦阻力c12F12可根据公式(2)进行计算,只是要加上上阀处的摩擦阻力。6水垫阻力pfp′f=5ρg(Sd+S0Sn)2vhv(1+η)(16)(2)方程中的动力学d2xdt2=(p3+Τ)S1-(p4+p′f)S2-F12+W12m1+m2(17)(3)方程的运动dxdt=v0+Δt[(p3+Τ)S1-(p4+p′f)S2-F12+W12m1+m2](18)(4)位移公式x=x0+v0Δt+Δt2[(p3+Τ)S1-(p4+p′f)S2-F12+W12m1+m2](19)3.冲击锤下降阶段这一阶段冲锤和阀脱开,冲锤依靠惯性继续下行,直到撞击砧子。(1)重力分析11由于冲浪下腔水垫阻力p.f，地面摩擦力为地面pp″f=5ρg[Q+6vh(Su-Sd)6Sn]2(1+η)(20)2背压p.2背压可根据公式(3)来计算。31冲浪板上腔压力p冲锤上腔压力可根据公式(10)来计算。4摩擦fF″=F。(2)方程中的动力学d2xdt2=p″1S2U+W2-F″-(p″2+p″f)S2m2(21)(3)方程的运动dxdt=v0+Δt[p″1S2U+W2-F″-(p″2+p″f)S2]m2(22)(4)位移公式x=x0+v0Δt+Δt2[p″1S2U+W2-F″-(p″2+p″f)S2]2m2(23)4.计算振动参数的影响参数1摩擦频率ff=1Τ(24)Τ=n∑i=1Δt(25)2酶活值7.6vT4=1.4479×10-3-1.5507×10-4v+7.6026×10-6v2-1.7166×10-7v3+1.4164×10-9v4(26)3摩擦fF=m2vΤ4-Κfm2g(27)Κf=1-ρρhv(28)4哇W=12m2v2(29)5接触能量nN=W×f(30)63影响效率η=ΝΝe(31)冲锤尺寸测定为了验证上述模型的正确性和实用性,本文运用该模型进行了计算机模拟仿真电算,并将计算结果与室内实验结果进行了对比。计算实例:某背压式液力冲击钻具的室内实验样品,其外径90mm,长1080mm,上阀上下端直径分别为50mm和70mm,上阀内孔直径为32mm;冲锤上下端直径40mm和70mm,冲锤内孔直径为24mm,冲锤与上阀一同下行运动行程15mm,喷嘴直径11mm,冲锤质量为2.8kg,钻井液密度1000kg/m3(实验中采用清水),泵压p取为3MPa。其计算结果与实测值对比*。由对比结果可以看出,冲击力和冲击频率的电算值和实测值不仅变化趋势一样,而且误差范围控制在工程误差范围之内。通过分析可知误差主要是由于在电算过程中对运动部件的摩擦系数不足所造成的。背压式液动冲击器电算模型(1)背压式液动冲击器是一种结构简单,操作方便,性能可靠的冲击器。(2)实验证明背压式液动冲击器的电算模型为合理、快速调节冲击器各冲击参数提供了可靠的依据,为设计和优化冲击器结构参数奠定了基础。(3)该模型的建立为同类冲击器的设计提供了理论依据,对其他种类冲击器的设计也很有参考价值。冲锤冲击下流道及冲锤特性W2为冲锤重量,N;m2为冲锤的质量,kg;g为重力加速度,m/s2;Su为冲锤上腔面积,m2;S0为冲击器下腔面积,m2;Q为钻井液的流量,m3/s;Sp为节流环面积,m2;vt为冲锤上行速度,m/s;η为水头损失系数;ρ为钻井液密度,kg/m3;D为O形圈摩擦面直径,m;b为O形圈摩擦面宽度,m;f0为摩擦系数;p0为O形圈平均接触应力,Pa;C0为喷嘴流量系数;A为喷嘴出口截面积,m2;A1为流道小端面积,m2;v1为流体在管路扩大前的流速,m/s;A2为流道大端面积,m2;v2为流体在管路缩小前的流速,m/s。λ为沿程阻力系数;L为过流长度,m;d为管道内径,m;va为液流平均流速,m/s;ε为管壁粗糙度;Re为雷诺数;p为冲击器进口处压力,Pa;d2x/dt2为瞬时加速度,m/s2;S2为冲锤下端有效作用面积,m2;S2U为冲锤上端有效作用面积,m2。dx/dt为在每一时间步长末的速度,m/s;v0为每一时间步长初的速度,m/s;Δt为时间步长,s;x为冲锤在每一时间步长末的位移,m;x0为冲锤在每一时间步长初的位移,m;m1为阀的质量,kg;K为流体的体积弹性模量,Pa;D为管道内径,m;δ为管道壁厚,m;E为管道材料的弹