扭转振动发生器的工作原理及其运动特性分析
田家林1,2, 吴纯明1, 杨琳1, 刘刚1, 杨志1, 袁长福1     
1. 西南石油大学 机电工程学院, 成都 610500;
2. 西南交通大学 机械工程学院, 成都 610031
摘要: 针对某些地区地层研磨性强,可钻性差,机械钻速低的技术难点,提出了一种扭转振动发生器。通过对发生器结构和工作原理的分析,建立其运动学模型,推导出液压锤的碰撞周期、转动角速度、转动角位移的表达式;结合算例参数得到液压锤的碰撞周期、转动角速度、转动角位移随时间的变化关系,以及入口流量、入口压强对其三者的影响;最后,通过室内实验验证了计算方法的可靠性与准确性。结果表明:液压锤碰撞周期与入口压强成反比,与入口流量成正比;其角速度及角位移随入口流量的增大而减小,随入口压强的增大而增大。
关键词: 钻井     井下工具     运动学     扭转振动     粘滑    
Research on Operation Principle and Kinematics of Torsional Vibration Generator
Tian Jialin1,2, Wu Chunming1, Yang Lin1, Liu Gang1, Yang Zhi1, Yuan Changfu1     
1. School of Mechanical Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;
2. School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China
Abstract: Aiming at the technical difficulties of strong abrasion resistance, poor drillability and low rate of penetration of the stratum, a torsional vibration generator is designed. According to the structure and operating principle of the torsional vibration generator, its kinematics and mathematical models are established. The expression of the collision period, angular velocity, angular displacement of the hydraulic hammer are derived, and the variation relationships of these parameters with respect to time are obtained with the aid of numerical examples, and the effect of the inlet pressure and inlet flow on them are also achieved. The accuracy and reliability of the calculation method are verified by experiments. The results show that its collision period increases with the inlet flow and decreases with the inlet pressure. With the increasing of inlet pressure and the decreasing of inlet flow, the angular velocity and angular displacement of the hydraulic hammer are increased.
Key words: angular velocity     calculations     computational geometry     collision     design     experiments     mathematical models     mechanical properties     models     pressure     vibrations    

随着石油工业的快速发展, 浅层石油资源日益枯竭, 钻井工程不得不进行深井、超深井作业, 深部地层的提速已成为降低勘探成本的关键问题[1-3]。在正常的钻井条件下, 当PDC(Polycrystalline diamond compact)钻头遇到硬质地层时, 通常没有足够的扭矩来破碎地层, 导使钻柱时常出现粘滑现象。严重的粘滑现象[4-5], 不仅会损坏钻柱性能从而使钻头过早失效, 还会影响井下工具的使用寿命, 给钻井工程造成了大量的损失。为了解决钻井过程中出现的粘滑问题, 国内外学者进行了大量的研究, 并提出了一些如何有效消除粘滑振动效应等建设性的措施[6-9]。相关研究中, 扭转振动冲击对于减少钻柱粘滑效果明显, 而且从破岩的实际工况出发, 由于岩石的抗压强度远大于其抗剪强度, 因此, 采用扭转振动冲击, 对于提高破岩效率与机械钻速同样具有重要的实际意义。从钻井工具的发展出发, 前期提速增效研究主要基于旋冲、纵向振荡等方式展开, 近期提出的扭转振动冲击对于破岩增效具有重大创新意义[10-16]

由于扭转振动器结构复杂、工作参数难以确定, 现有研究主要基于实验测试或CAE(Computer aided engineering)软件仿真展开, 研究成果不便对于新结构的优化与新技术的进一步推广。基于此, 本文在现有研究基础上, 提出一种新型的扭转振动发生器, 根据其井下实际工作过程, 进行工作机理研究, 建立关键参数分析模型, 并结合实验进行测试与对比分析。建立的研究方法与模型, 可为类似的新工具性能评价、结构优化提供理论依据, 同时可为扭转振动冲击破岩提速增效新技术的发展提供参考。

1 结构及原理

扭转振动发生器一般配合专用PDC钻头使用, 结构如图 1所示。

图 1 扭转振动发生器结构

扭转振动发生器的工作原理为:若中心管与液压锤空腔连通, 则阀体与拨叉开关空腔关闭, 钻井液通过中心管上小孔进入液压锤空腔推动液压锤运动; 然后阀体与拨叉开关空腔打开, 中心管小孔与液压锤空腔关闭, 钻井液从上接头小孔处分流, 通过阀体空腔进入拨叉开关空腔, 推动拨叉开关运动, 如此重复。钻井过程中, PDC钻头上除了转盘提供的扭力, 还有扭转振动发生器提供的冲击力, 并直接作用于钻头本身, 这样周期性的工作为钻头提供高频脉冲扭矩, 从而达到提高破岩效率的目的。

2 运动特性分析

根据扭转振动发生器的工作特性, 对建立的模型提出如下假设:钻井液为稳定的不可压缩流体; 初始时刻, 中心管与液压锤空腔连通, 则阀体空腔与拨叉开关空腔通道关闭, 液压锤锤头紧贴空腔内壁。

钻井液进入中心管后, 由于中心管上有小孔, 根据流量守恒定律, 可得

    (1)

式中:q1为发生器入口的流量; q2为通过一个小孔后剩余钻井液的流量; q3为中心管单个小孔流出的流量。

根据流体力学理论, 可以得到发生器入口流量和流速与通过一个小孔后剩余钻井液压强与流速之间的关系为:

    (2)

式中:P1为发生器入口的压强; P2为通过一个小孔后剩余钻井液的压强; P3为单个小孔流出的压强; κ为校正系数; ρ为钻井液密度; u1为扭转振动发生器入口的流速; u2为通过一个小孔后剩余钻井液的流速; u3单个小孔流出的钻井液流速; L1为中心管小孔孔距; D1为中心管的内直径。

由于扭转振动发生器具有对称性, 则进入单侧液压锤空腔的钻井液流量为

    (3)

式中n为中心管小孔个数。

从中心管小孔处到液压锤空腔内, 根据伯努利方程及牛顿第二定律, 得

    (4)
    (5)

式中:P4为液压锤空腔内压强; u4为液压锤空腔内钻井液流速; r3为液压锤的外径; r2为液压锤的内径; J1为拨叉开关的转动惯量; J2为液压锤的转动惯量; L3为液压锤锤头的长度; θ1为液压锤转动的角度。

得到初始条件为:

    (6)

则液压锤转动角速度为

    (7)

设碰撞前, 液压锤转动角度为α, 可求得液压锤逆时针转动时间为

    (8)

由于碰撞时间很短, 故忽略碰撞过程中钻井液的作用, 根据角动量守恒定律得

    (9)

式中:J3为阀体的转动惯量; ω11为拨叉开关、液压锤与阀体碰撞前瞬时角速度; ω2为拨叉开关与液压锤一起逆时针运动, 与阀体碰撞过后, 三者共同运动的角速度。

当液压锤与阀体碰撞结束后, 中心管上的小孔与液压锤空腔之间的流道关闭, 而阀体空腔与拨叉开关空腔相连通, 钻井液通过上接头小孔进入阀体空腔与拨叉开关空腔, 推动拨叉开关逆时针运动。运用上述同样的理论, 碰撞前, 拨叉开关在钻井液的作用下作匀加速运动, 则与液压锤碰撞前相对于液压锤转动的角速度, 拨叉开关与液压锤、阀体逆时针转动所需时间为:

    (10)
    (11)

式中:β为拨叉开关相对于液压锤转动角度; P5为钻井液进入阀体与拨叉开关空腔的压强; L4为拨叉开关锤头的长度; r1为拨叉开关内径。

在上述运动过程中, 液压锤转动角度为

    (12)

碰撞过程, 根据角动量守恒定律得

    (13)

式中:ω32=ω31+ω2, ω31为拨叉开关与液压锤及阀体碰撞前瞬时速度; ω4为拨叉开关与液压锤及阀体碰撞过后, 三者共同运动的角速度。

之后钻井液经过中心管进入液压锤空腔内, 重复推动液压锤和拨叉开关一起运动。根据运动的重复性, 则液压锤和拨叉开关相对阀体顺时针运动时, 液压锤和拨叉开关相对转动角速度为

    (14)

液压锤和拨叉开关转动角度为

    (15)

式中:t3表示液压锤和拨叉开关相对阀体顺时针运动所需时间, t3=t1; ω51为液压锤和拨叉开关相对阀体顺时针运动, 与阀体碰撞前瞬时速度。

对于碰撞过程, 根据角动量守恒定理有

    (16)

式中:ω52为液压锤和拨叉开关实际转动角速度, ω52=ω4-ω51; ω6为拨叉开关与液压锤一起顺时针转动, 与阀体碰撞过后, 三者共同运动的角速度。

碰撞过后, 液压锤空腔关闭, 钻井液经过上接头小孔进入阀体空腔, 推动拨叉开关运动。根据运动的重复性, 则拨叉开关相对液压锤和阀体顺时针运动时, 拨叉开关相对转动角速度为

    (17)

液压锤转动角度为

    (18)

式中t4表示拨叉开关相对液压锤和阀体顺时针运动所需时间, t4=t2

对于碰撞过程, 根据角动量守恒定理有

    (19)

式中:ω72为拨叉开关实际角速度, ω72=ω6-ω71; ω71为拨叉开关逆时针转动, 与液压锤及阀体碰撞前瞬时速度; ω8为拨叉开关顺时针转动, 与液压锤和阀体碰撞过后, 三者共同运动的角速度。

此过程完成之后, 阀体空腔关闭, 钻井液经过中心管进入液压锤空腔, 重复上述运动过程。则拔插开关运动一个周期的时间为

    (20)

液压锤的转动角度为

    (21)

液压锤的转动角速度为

    (22)
3 算例分析

根据对扭转振动发生器的研究所建立的计算方法, 进行算例分析。利用给定的参数对扭转振动发生器的进行运动学分析, 包括碰撞周期与入口压强、入口流量的关系, 以及液压锤角速度与角位移随时间的变化情况。算例参数如表 1所示。

表 1 算例参数
参数名称 取值
矫正系数k 0.50
钻井液密度ρ 1.0×103 kg/m3
中心管小孔孔距L1 0.018 m
上接头小孔孔距L2 0.045 m
液压锤锤头长度L3 0.096 m
拨叉开关锤头长度L4 0.086 m
中心管小孔个数n 48
上接头小孔个数m 4
液压锤转动角度α 0.72 rad
拨叉开关相对转动角度β 0.33 rad
中心管内直径D1 0.040 m
上接头内直径D2 0.057 m
拨叉开关内径r1 0.032 m
液压锤内径r2 0.046 m
液压锤外径r3 0.058 m
拨叉开关转动惯量J1 0.69×10-3 kg·m2
液压锤转动惯量J2 4.65×10-3 kg·m2
阀体转动惯量J3 38.87×10-3 kg·m2

在给定扭转振动发生器入口流量的情况下, 分析入口压强对碰撞周期的影响, 结果如图 2所示。当入口流量一定时, 随着入口压强的增加, 扭转振动发生器的碰撞周期逐渐减小; 当入口压强一定时, 随着入口流量的增加, 扭转振动发生器的碰撞周期逐渐增大。

图 2 入口压强与碰撞周期的关系

同时, 在分别给定发生器入口流量、入口压强的情况下, 分析液压锤锤头角速度随时间的变化情况, 结果如图 3所示。

图 3 液压锤角速度与时间的变化关系

假定扭转振动发生器部件以逆时针转动为正, 顺时针转动为负。钻井液通过中心管进入液压锤空腔, 推动液压锤与拨叉开关作匀加速运动, 液压锤角速度逐渐增加, 直至与阀体碰撞, 角速度瞬间变小, 液压锤、拨叉开关与阀体三者一起运动; 此时, 液压锤空腔关闭, 拨叉开关空腔打开, 钻井液通过上接头小孔进入阀体空腔, 推动拨叉开关运动, 而液压锤保持匀速运动; 然后, 拨叉开关与液压锤碰撞, 使得液压锤速度增大; 此时液压锤运动到极限位置, 在钻井液的作用下, 速度减小, 液压锤与拨叉开关一起顺时针运动, 直至与阀体碰撞; 由于阀体与液压锤的运动方向相反, 碰撞过后, 液压锤继续以阀体的运动方向运动; 然后, 拨叉开关在钻井液作用下运动, 而液压锤继续保持匀速运动。碰撞之后, 三者以一定的速度运动, 并开始进入下一个周期。

图 3a)表示入口压强p1=0.88 MPa时, 在不同的入口流量条件下, 液压锤角速度随时间的变化关系。由图 3a)可知, 入口流量越大, 液压锤运动的周期越长, 单个周期内液压锤达到的最大速度反而越小。其中2、4过程, 拨叉开关在钻井液作用下运动, 液压锤匀速运动的时间基本相同。

图 3b)表示入口流量q1=20 L/s, 入口压强不同时, 液压锤角速度随时间的变化关系。由图 3b)可知, 入口压强越大, 液压锤运动的周期越小, 单个周期内液压锤达到的最大速度越大。其中2、4过程中, 拨叉开关在钻井液作用下单独运动, 液压锤运动的时间随压强的增大而减小。

图 4表示在分别给定发生器入口流量、入口压强分的情况下, 分析液压锤锤头角位移随时间的变化情况。由图 4可知, 液压锤先逆时针运动, 角位移增大, 直至与阀体碰撞; 碰撞后, 液压锤、拨叉开关和阀体三者继续逆时针运动, 位移增大; 此时液压锤与拨叉开关在钻井液的反向作用下, 液压锤的位移先增大, 速度减小至零后顺时针运动, 位移减小; 与阀体碰撞后, 液压锤保持顺时针匀速运动, 位移增大, 直至拨叉开关运动到与阀体碰撞, 进入下一个周期。

图 4 液压锤角位移与时间的变化关系

图 4a)表示入口压强p1=0.88 MPa, 在不同的入口流量条件下, 液压锤角位移随时间的变化关系。由图 4a)可知, 入口流量越大, 液压锤角位移运动周期越长; 单个周期内, 液压锤的最大角位移和最终角位移随入口流量的增大而增大; 1、2、4过程中, 液压锤顺时针运动过程中, 在相同时刻, 入口流量越小, 液压锤位移相对较大, 反之较小。

图 4b)表示入口流量q1=20 L/s, 入口压强不同时, 液压锤角位移随时间的变化关系。由图 4b)可知, 入口压强越大, 液压锤角位移运动周期越小; 单个周期内, 液压锤的最大角位移和最终角位移随入口压强的增大而减小; 1、2、4过程中, 液压锤顺时针运动过程中, 在相同时刻, 入口压强越大, 液压锤位移相对较大, 反之较小。

4 实验

为了验证计算方法的可靠性, 进行实验测试与结果分析。实验所用的设备有柱塞泵2台, 井下工具实验台架、扭转振动发生器、节流阀两个、旁通阀一个、水箱以及进出水管道。左端夹紧扭转振动发生器, 右端起支撑作用。水从水箱流出, 通过泵1和泵2的调节, 进入扭转振动发生器, 并使之产生运动, 然后从回水管流回水箱内, 其实验测试原理图如图 5所示。图 6为扭转振动发生器实验现场。

图 5 扭转振动发生器试验测试原理图
图 6 扭转振动发生器实验现场

通过测试仪器与电脑记录扭转振动发生器工作时压强、流量、碰撞频率的变化情况, 测试数据如表 2所示。

表 2 测试数据记录
实验编号 入口流量/
(L·s-1)
泵压/
MPa
碰撞频率/
Hz
碰撞周期/
s
1 10 0.22 3.72 0.268 8
2 15 0.47 5.983 0.167 1
3 20 0.88 8.211 0.121 8
4 25 1.35 10.483 0.095 4
5 30 1.98 12.733 0.078 5

将测得数据与计算数据进行对比, 绘制成图形, 如图 78所示。从图 78可以看出, 在实验误差允许范围内, 碰撞周期与入口压强呈反比, 与入口流量成正比, 液压锤平均扭矩随入口流量的增大而增大, 且碰撞周期和液压锤平均扭矩实验值与计算值基本吻合, 从而证明了计算算例的准确性与可靠性。

图 7 碰撞周期实验值与理论值对比
图 8 平均扭矩实验值与理论值对比
5 结论

1) 建立的扭转振动发生器运动规律计算模型, 分析了液压锤的角速度、角位移以及扭转振动发生器碰撞周期的与入口压强、入口流量的变化关系。通过算例分析和实验, 验证了计算方法的准确性和可靠性。

2) 在入口压强恒定的情况下, 碰撞周期与入口流量呈反比; 在入口流量恒定的情况下, 碰撞周期与入口压强呈正比。入口流量不变时, 扭转振动发生器液压锤的角速度、角位移随入口压强的增大而增大; 入口压强不变时, 液压锤的角速度、角位移随入口流量的增大而减小, 计算结果为正确选择发生器的入口流量及压强提供参考。

3) 实验结果表明, 提出的扭振发生器会产生高频、微幅周期性扭转振动, 可以解决硬质地层钻头所遇到的粘滑现象, 进而提高破岩效率和井下工具的寿命, 达到提速增效的作用。扭转振动冲击破岩技术对于提速增效具有重要的应用前景与创新意义。

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DOI: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0904
中华人民共和国工业和信息化部主管、西北工业大学主办。
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文章信息

田家林, 吴纯明, 杨琳, 刘刚, 杨志, 袁长福
Tian Jialin, Wu Chunming, Yang Lin, Liu Gang, Yang Zhi, Yuan Changfu
扭转振动发生器的工作原理及其运动特性分析
Research on Operation Principle and Kinematics of Torsional Vibration Generator
机械科学与技术, 2017, 36(9): 1333-1339
Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2017, 36(9): 1333-1339.
DOI: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0904

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收稿日期:2016-06-05

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