钻井注水用恒流器结构设计

钻井注水用恒流器结构设计前言具有恒定量给水技术的恒流能够依靠随着流入压力和地层压力的变化幅度来随之调节喷嘴开度，使给水量的变化基本局限一定范围浮动，将以上的难题消灭。综上所述，该恒流器的设计和研发有着如下意义：成功改善给水过程中流量浮动的问题成功消灭注水过程中因为供电，水，设备等因素对于流量所造成的不稳定性的影响。同时，随着给水的进程，地层的渗入能力亦随之发生变化。依靠液压理论，流量随着压差的变化去变化。以上两个原因都将导致工作实际给水量，偏离所需的额定工作量，若处理并不及时，会产生超注亦或欠注的情况，没有起到分层给水的优势。恒流水给水器能够依靠给水压差的变化来灵活调节流道，有效消减给水量的变化，以保障科学恒流的给水[1]。成功减小给水调整时间长，精度低的现象在分层注水初期都必须经过一定调节时间。这个阶段，为了使实际给水量与所需的给水量一致，经常需要来回测试实际给水量，乃至于多次放入收取喷嘴，这极大的提高了工作时间和运营成本。采用恒流水器代替固定喷嘴后，可依靠设计的给水量自行调整到稳定工作点，保持恒定流量，成功改善了这一现象，为钻井给水工作和运营带来了极大的便利。成功·减少了运营成本，提升了油田综合开采利益[2]。研究恒流器的科学结构，为恒流器的设计和制造提供原理。科学的恒流器结构尺寸设计是此课题的研究中心思想。研究恒流器工作时流量的动态特性曲线的过程中，包括流量的稳定性和瞬态响应特性曲线，能够看出恒流器结构设计对恒流效应的作用。该结论可用来设计和制造给水恒流器[3]。

定量给水机理研究恒流喷嘴流量调节原理给水器的核心元件是恒流器，它是给水器中的主要流动通道和流量调节装置。起到流量控制的恒流器部分被称为恒流喷嘴。依靠学过的液压知识，通过喷嘴的流量Q可表示如下：（2-1）c--喷嘴流量系数，无量纲；A--喷嘴流动面积，m2；--喷嘴前后的压差，Pa；p--流体密度，Kg/m3。对于一个具有固定结构和尺寸的喷嘴，其流量系数C和流量面积A是恒定的。因此，依靠公式（2-1）能够得出，若喷嘴前后之间的压力差由于受到外部条件干扰随之改变，则通过喷嘴的流量也将会上下浮动。恒流喷嘴是一种可调节溢流区域的喷嘴。其溢流区域可以自动匹配喷嘴前后压差的改变，从而达到向变化趋势相反的方向进行调整。也就是说，当喷嘴前后的压力差增大时，喷嘴的溢出面积反而会调节变小，反之，也是如此。因此，如果可以科学地设计恒流喷嘴的结构，那么其溢流区域的调节可以完全抵消喷嘴前后压力差对流量的影响，就可以保证喷嘴的恒定流量[4]。具有可调节溢流区域的恒流喷嘴大多都由两个以上的元件组成。仅使用固定喷嘴很难实现恒定流量的目的。恒流喷嘴的典型结构是“两级喷嘴模型”，由固定喷嘴和可动喷嘴两部分组成，如图2-1。图2-1恒流器核心部件示意图没有压力反馈装置的恒流喷嘴的结构设计相对简单。它主要由固定喷嘴，弹簧和活动柱塞装配而成。可移动柱塞和恒流器器壳体上的开度构成可调节溢流区域的可动喷嘴。结构示意图如图2-2所示。附注1：水嘴附注2：滑阀附注3：弹簧图2-2无压力反馈式堵塞器简图这种给水器的特点是喷嘴安装在阻挡器的末端，然后一起移动。图2-1将F设定为由压力平衡弹簧作用在柱塞上的力，将A设定为柱塞外圆的横截面积。依靠力学原理讨论了以下三种情况。随着入口处压力的增大，柱塞总成向左运动，接着出水口压力减小，压力一起变大。（1）当，时，柱塞总成在压力平衡弹簧的预压缩力的作用下靠在滤罩端面之上。同时，出水口的面积变小，压力变的很大（2）当时，柱塞在弹簧拉力力的作用下向右移动，恒流器出水口面积开始变小，压力值变大，直到时，柱塞总成就会停止。此时，恒流器在出水口处压力损失增大。如果将恒流器入口处的压力增大，柱塞总成就会向左运动，出水口压力会再次变小，压力也会变大。（3）当压力减小，时，柱塞总成在弹簧力的推力作用下向左移，恒流器的出水口处压力变大，压力减小，降至，柱塞总成就会停止。随着将压力继续减小，柱塞总成一直向右移动，出水口面积变大，压力随着降低。能够看出，只要科学的设计了恒流器的有关参数，就能够让柱塞跟着压差的波动而位移到合理的位置，使得可动喷嘴可以与达成当前压力差相适合的开度，实现恒流器的恒流目的[5]。压力反馈式恒流喷嘴虽然无压力反馈装置的恒流器理论上能够实现理论上的恒流，但因为其结构过于简单，调节过程并不可靠，使用率已经很小。因此，本文考虑把压力反馈装置放置于恒流器的另一端，我们称其为压力反馈式恒流器。压力反馈恒流喷嘴具有更复杂的结构。在这种类型的喷嘴在另一端引入了一个反馈压力，其在平衡压力波动中发挥了极大的作用[6]。恒流器的基本结构如图2-3所示。图2-3压力反馈式堵塞器示意图压力反馈式恒流器的流量调节原理十分复杂。简单的原理理解如下：我们假设在某一时刻水喷嘴正处于正常的工作状态，并且可移动水喷嘴的开度为h，此时柱塞的力是平衡的。当流入压力发生波动时，由于固定喷嘴的减压效果，柱塞两端的力不平衡，并且柱塞会发生移动直到新的平衡点为止。同时，可动喷嘴的开度与压力差的变化呈相反地变化趋势，使得通过恒流器的液体流量得以达到恒定[7]。恒流器的流量调节特性分析无压力反馈式恒流器的流量调节特性因为流量调节结构相对简单，调节过程极不稳定，无压力反馈式恒流器经常导致弹簧断裂，使得给水器不能继续工作。在现实中，无压力反馈式恒流器使用率已经十分小了。我们在此仅研究其静态特性。设恒流器出口倾角为0，则滑阀受力关系可表示为：（2-2）式中A——滑阀受压面积，m2；——滑阀节流孔水的流速，m/s；K——压力平衡弹簧刚度，N/m；——恒流器出口倾角；x——节流孔完全关闭时弹簧从自由长度起始的压缩量，m；h——从孔口关闭位置起始滑阀位移量，m。由式（2-1）可得经滑阀上活动喷嘴的流量：（2-3）式中——出水口的开度面积，m2；n——出水口的孔数；——变节流口的流量系数；p2-p3——恒流器出口压差，Pa。由式（2—3）可得（2-4）由式（2-1）到（2-4）可得：（2-5）考虑到，式（2-5）可简化（2-6）式（2-6）中如果，则：（2-7）以上就是恒流器处于稳定状态时，计算通过喷嘴孔的流量的方法。流量的理论计算结果基本与实验结果保持一致压力反馈式恒流器的流量调节特性从压力反馈式恒流器的工作原理中得，其结构示意图如图2-5所示（工作时，恒流器垂直放置在给水器中）。图2-4压力反馈式恒流器结构简图注入的水通过喷嘴和阀室进入地层，并且喷嘴结构使水的流量在流过喷嘴时突然通过流动通道改变，从而导致一定的局部压力损失。依靠一元不稳定能量方程，能够解出流过喷嘴的给水的控制方程。（2-8）式中——给水在喷嘴上下的势，m； ——喷嘴前后压力，MPa； ——水的重度，N/m3；——喷嘴前后过流通道中水的流速，m/s；——流经喷嘴时的水头损失，m——喷嘴孔口长度，m——喷嘴过流截面积，m2。因为喷嘴高度很小，因高度差产生的水头损失微小，可以忽略，同时考虑到（2-8）可以这样表示（2-9）依次是喷嘴前后过流通道的截面积。依靠液压相关知识，给水流经喷嘴时的水头损失为2（2-10）因为喷嘴长度值很小，紊流强度很大，值很小，所以，能够忽略沿途的水力损失，只需要计算局部水力损失。在给水流经喷嘴时的局部水力损失包括喷嘴入口处过流通道突然收缩所造成的压力损失和喷嘴出口处过流通道突然扩大所造成的压力损失。所以，水头分别为流道突然扩大和突然缩小时的局部阻力系数，其大小是由过流通道截面积的突然变化程度所决定的。将式（2-11）代入式（2-9）并考虑，则有；（2-12）式中，从式（2-12）能够知道，当恒流器的各尺寸已经固定，a和b都是常数。给水先流入喷嘴再流入阀腔，然后在柱塞和套筒组成的活动喷嘴的作用注入井中。压力反馈式恒流器阀腔的结构简图如图2-5。图2-5恒流器阀腔结构简图给水流经活动喷嘴的控制方程可由式（2-1）求取，代入活动喷嘴处的参数，即为： 式中 活动喷嘴的流量系数，无量纲；——活动喷嘴的过流截面积，m2。活动喷嘴的开度受到来流压力的变化影响，和都不是固定的，而是与活动喷嘴开度h有关的函数。如图2-6（b）所示，开度h与柱塞锥头倾角是决定活动喷嘴过流截面积的关键因素。活动喷嘴的孔口截面是某个圆台侧面一部分。计算圆台母线的长度l： 现为快速计算，将喷嘴孔口截面视作一个矩形，设另一边长为L，则该喷嘴的过流面积为： 将式（2-14）、（2-15）与式（2-13）联立可以推导出给水流经活动喷嘴时的控制方程的计算式为：

式中，n是锥阀上开孔数，式（2-13）只表示经过一个开孔的流量。实际上，锥阀上有多个开孔，一般为4个，也就是说，恒流器的活动喷嘴过流面积是需要乘4的。以上过程综合分析了给水流经固定喷嘴与活动喷嘴的控制方程。由上知，恒流器的流量调节功能主要是靠活动喷嘴的开度改变来实现的。而控制活动喷嘴开度的最主要的就是柱塞，当柱塞向上移时，活动喷嘴开度h变大，反之，减小。柱塞的运动方向有受力决定，想研究柱塞运动情况，就要先研究受力。稳定的情况下，柱塞静止，此时，柱塞在受到两端液体压力、弹簧力、液流推力和自身重力联合的作用下，处于力平衡，其力学表示为：2 式中——为柱塞两端的面积，m2；G——柱塞自身重力，N；k——弹簧的弹性系数，N/m。给水器在狭窄的井道中工作，为了适应狭窄空间，恒流器设计要求很小，柱塞的尺寸更加小，其质量仅在几十克间，却要承受几十兆帕的压强。此外，从图2-5中还能得出，柱塞两端面积虽然不同，但因为间隙时刻有液体流经，所以两端有效面积实际是一样的。所以，式（2-17）可以表示为： 经过以上计算，我们得出了压力反馈式恒流器静态特性的方程，联立式（2-12）、（2-16）和（2-18）就能够对其分析。（2-19）如果只考虑稳态特性的话，（2-19）中式（1）的微分项值为0，将式（1）代入式（3）则有：（2-20）将参数a代入上式，对^的系数项进行处理如下：（2-21）式中，都是固定喷嘴与其前后过流通道截面积的比值，次二值决定了从式（2-20）和式（2-21）能够得出，只要掌握了固定喷嘴过流面积柱塞顶部横截面积和弹簧的弹性系数K，就可以调节活动喷嘴的开度h，进而实现流量的调节的目的。

恒流器的优化设计与校验恒流器的优化设计依靠第二章对恒流器静态规律的研究讨论，结合机械和液压方面的知识，可以对恒流器结构进行科学规范的结构设计。工况条件设计本文叙述的工况条件说的是恒流器要达到的基本要求和所其所处的外部工作条件，比如给水量、水流压力，钻井带来的压力等。其中，给水量和钻井压力可采用实际场地的相干工作人员给予的，分别采用地质配注量和油藏压力，重点是对注入压力进行精密科学的计算[8]。计算公式如下式中——注水井井口注入压力，；——井口至恒流器的静水压力，；——井口至恒流器的沿程压力损失，；——局部压力损失，；——井口至恒流器入口的垂直距离，；——注水管内径，；——沿程水力摩阻系数和局部阻力系数；——从井口至恒流器流道发生转向或过流面积发生改变的次数。能够知道，只要明确了相干地质参数及从钻井口处到给水器这一流道的基本情况和结构参数，就可以准确获取配水器工况参数了。结构参数设计方法分析当明确了恒流器的工作条件，计算出外，就计算出堵塞器的工作压差： 若采用来表示恒流器固定水嘴与活动水嘴的压差，则依靠式（2-19）容易求得将上式代入（2-23）并同时考虑式（2-25），则可得到关系式：（3-7）分别柱塞的初始开度和弹簧的初始压缩量，设计时明确，&的值也是柱塞的最大行程长度。而参数a可以进一步表示为（3-8）依靠第2章的分析可知，为了设计方便，在此，将其视作定值。由式（3-8）能够看出，这样处理之后，参数仅为固定水嘴孔径的函数。因此，由式（3-7）可知，如果只从静态特性角度出发，不去考虑恒流器的动态性能，仅需要对活动水嘴孔径柱塞杆直径d与所有弹簧强度k进行科学设计，就能够在设计压差下得到所需要的流量。图3-1所示为以上恒流器主要参数的结构示意图。

图3-1主要结构参数示意结构参数设计图3-1主要结构参数示意依靠以上分析明确了控制就能得到设计压差下所需的流量。在实际设计时，为方便产品的的制造与组装，可以将柱塞杆直径固定，以改变其他两个参数的方式来满足设计要求。当柱塞杆外径改变时，阀套内径也要随之改变，并且柱塞杆底部锥头的直径与水嘴扩口内径时刻保持一致。为限制柱塞在阀套中向上运动，应让柱塞杆的直径比柱塞底部的直径稍小。依靠前面的分析，可取。剩下的两个关键参数，可使用试算法明确，大体步骤为：先假设一个，用式（3-8）求得参数；然后再由式（2-12）求出指定流量求得固定水嘴压差A；然后由式（3-5）得到活动水嘴的压差，代入式（2-13）中求出柱塞开度；依靠h与弹簧压缩量的关系式求得该工作条件下的弹簧压缩量，代入式（2-18）中就能求得弹簧弹性系数。如何检验以上过程中假设是否合理，主要就在于计算过程中各参数的值是否正常。如果设置过小，则计算所得会很大，而可能会很小，甚至出现负值。此时，应增大的值具体设计过程详述如下：（1）假定固定水嘴孔径，分别求其与，和的比值，依靠所计算比值，查机械设计手册，得到的值，代入式（3-8）求得参数的值。依靠机械手机手册[33]可知的关系分别如表3-1和表3-2所示。表3-1突然缩小局部阻力系数计算表Table3-1Localresistancecoefficientofdiameter’ssuddenreduce000.10.20.30.40.50.60.70.80.91表3-2突然扩大局部阻力系数计算表Table3-2Localresistancecoefficientofdiameter’ssuddenexpanding00.10.20.30.40.50.60.70.80.910.50.450.40.350.30.250.20.150.10.050为了方便编程计算，将以上两表拟合，得到关系式如下；（3-9）（3-10）计算固定水嘴压差，计算活动水嘴压差，计算在额定工作状况下的柱塞开度h；（3-11）计算额定工作条件下弹簧的压缩量： 其中，为柱塞的最大行程，其值等于柱塞的初始开度，即弹簧的预压缩量，后面还要对的取值进行更为详尽的分析。计算弹簧弹性系数k（3-13）在以上过程中，如果计算所得过大，一般在（20%〜30%）之间为宜，则要适当调图3-2试算流程图Fig3-2Flowchartoftentativecalculation大的值；如果计算所得弹性系数很小或者值为负，则说明取值过大，应该调小些。将以上过程用-流程图表示如图图3-2试算流程图Fig3-2Flowchartoftentativecalculation关键结构计算与校核设某注水井井底注入压力经计算为27，油层压力为20，地质配注量为503/。依靠以上过程，对该油层所有恒流器主要结构参数设计校验如下所述。外形技术尺寸技术我们现将手册中可以明确外形技术参数明确总长；995mm最大外径114mm最小通径：46mm偏孔直径；20mm工作压力：25MPa恒流器最大外径：22mm水嘴参数计算首先假设，其他各辅助参数取分析过程中所述数值，即，将以上参数代入式（3-8）有：固定水嘴压差故可认为设置较为合理。活动水嘴压差在该工作状态下，柱塞开度：设计活动水嘴最大行程为2，弹簧预压缩量为0.2，则在该工作状态下参照弹簧设计标准2089-80，取弹簧弹性系数为37.4/。以该弹性系数反算，可以得到所需的固定水嘴孔径。主体截面尺寸设计（1）主体材料的选择依靠《机械设计手册》上册第一分册P497，选择主体的材料为35CrMo，并可知该材料的屈服强度为539.2MPa。安全系数的选择依靠《机械设计》教科书P366，对用于材料均匀，载荷与应力计算精确时S=1.3~1.5，由于封隔器的工作条件较恶劣，因此选择S=1.5。主体的内外径选择依靠《油田井下作业必备技术数据实用手册》，已知刚体最大通径为70mm，则取主体最小通径为34mm，即主体内径为17mm，取外径为22mm。.弹簧的设计计算材料选择弹簧是一种能够产弹性形变的元件，它能够在外界载荷作用下产生较大的变形。为了使弹簧能够可靠的工作，弹簧的材料要求要有很高的弹性极限与疲劳极限，同时也该有足够的韧性和塑性，及非常好的热处理性。表7弹簧常用材料及许用应力（摘自 GB1239-76）名称组别许用切应力许用弯曲应力切变模量GMPa弹性模量EMPa推荐硬度HRC推荐使用温度℃特性及用途弹簧类别弹簧类别Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类Ⅰ类Ⅱ类碳素弹簧钢丝Ⅰ组Ⅱ组Ⅲ组0.3σB0.4σB0.5σB0.5σB0.65σB81400~7850020300~201000-40~+120强度高、韧性好，适用于做小弹簧特殊用途碳素弹簧钢丝甲组、乙组、丙组硅锰合金弹簧钢丝471628785785981785001960045~50-40~+200弹性好，回火稳定好，易脱碳，用于制造大载荷弹簧依靠表7选择碳素弹簧钢，这种弹簧钢的优点是价格便宜，原材料来源方便；缺点是弹性极限低，多次重复变形后易失去弹性，且不能高于120℃的温度下正常工作。弹簧的尺寸计算由于选择的材料为碳素弹簧钢，依靠上表可知MPa（1）N/mm（2）N（3）（4）（5）mm（6）取d=2mm>1.06mm.参数名称及代号计算公式结果中径D2D2=cd=5×2=1010内径D1D1=D2-d=10-2=88外径DD=D2+d=10+2=1212旋绕比cc=D2/d=10/2=55自由高度H0H0=nd=30×2=6060螺旋角α取4º表8弹簧的结构参数

环境影响及其可持续发展性研究现今时代，经过很长时间的机械设计史，工程师们有感于其对资源、能源的巨大消耗以及对地球生态环境的破坏，遂提出了绿色设计的概念。我国伟大的领导人习近平总书记，曾在十九大做出报告，强调了要节约资源、保护环境。为响应国家号召与适应当今设计趋势，将绿色设计理念，融入到产品的设计开发中[9]。设计及材料选取本产品设计过程中主要使用标准件并且使用了模块化设计和循环设计。使用标准件便于对零部件回收利用，减少浪费，将资源和能源的利用程度达到最高。模块化和循环设计也是为了达成以上目的。本产品非标准件所选取的材料，也对环境十分温和，不会出现对环境的重大污染破坏。制造生产安排在产品的实际加工生产过程中，不可避免会对环境造成一些破坏，比如工业三废的排放，工业噪声的传播等。所以要求我们要对这些污染源进行优化处理，减少其对环境的污染。为减少三废的污染，对于废水，废气要在排放之前配置净化装置，将有毒有害物质降到国家排放标准以下；对于废渣处理更加复杂，不仅需要净化装置，还有配置回收装置。将回收的废渣，经过遴选分类保存，经过处理合格后方可进行再利用。受限于技术条件不能再利用的也要进行安全处理，合理分解，不可以直接弃之不顾，并且要求对处理设备进行定期的设备维护。处理噪声的