新型液压式扭力冲击器设计与动力仿真

发布时间：2017-11-24 23:02

  本文关键词：新型液压式扭力冲击器设计与动力仿真

  更多相关文章： 粘滑振动现象 扭力冲击器 节流口 碰撞仿真 两相流模拟

【摘要】：随着浅层的油气资源日益枯竭,导致油气钻井更多的向深部开发。目前PDC钻头普遍应用于深井硬地层中,其在钻进过程中容易出现粘滑振动现象,导致钻头的钻进效率低下、使用寿命短,且井眼不规则等。研究表明扭转冲击钻井技术能有效减轻PDC钻头的粘滑振动现象。然而我国在扭力冲击钻井技术研究上起步较晚,对于扭力冲击钻井工具的研究主要参照国外的研究资料,工作性能不是很理想。因此本文在前人的基础上,根据实际需求设计出了一种新型液压式扭力冲击器,其外径为0180mm,控制流量为18-38L/s,并从理论和仿真两方面研究了新型液压式扭力冲击器。论文开展的研究工作如下：(1)分析扭转冲击钻井工具对PDC钻头的影响,完成对新型液压式扭力冲击器的整体结构设计,指出设计时应解决的三个问题,即：动力实现问题、动力冲击组结构设计问题和泥浆净化问题；再对动力冲击组进行设计并建立三维模型,根据其不同的位置状态分析其液压驱动的工作原理,得出其一个运动周期内经历四种运动状态,并验证了其结构设计的合理性；(2)为产生驱动液使得动力冲击组内部零件之间发生转动,则在其内部应形成高低压腔,本文选定以节流口的形式来控制作用于动力冲击组的流量和压差,并通过所需扭矩估算出其所需流量；然后依据理论对节流口进行设计,确定选用短孔形式的节流口,并提出新型液压式扭力冲击器节流口的两种方案选择,一种方案为选用单一尺寸的节流口,另一种方案为选用多个尺寸的节流口。最终通过整体流道仿真确定最优方案以及符合所需流量的节流口尺寸,并通过仿真得到的流量估算出碰撞扭矩和频率；(3)应用Adams对动力冲击组内部液动锤与主轴之间发生的弹性碰撞进行仿真仿真,选用impact函数模型,并建立约束,得出液动锤在碰撞过程中存在碰撞和反弹两种运动状态,且过程中存在能量耗散,然后分析了不同角速度下扭矩以及碰撞时间的变化情况；并对其进行静力学分析,通过施加最大扭矩于液动锤上,得出液动锤和主轴的应力分布及位移情况,验证其结构设计是否满足强度要求；(4)由于钻井液中所含固相颗粒会阻碍动力冲击组的正常运作,因此设计出一种轴向入口式固液分离单元,该分离单元由旋流诱导轮、旋流体和节流套三个部分组成,确定了各结构的尺寸并对诱导轮上的叶片进行设计;然后在Fluent中基于RSM湍流模型对固液两相流进行模拟分析,得出流线图、压力场以及固相颗粒体积分数分布情况等,并对不同尺寸底流口的分离单元以及不同颗粒粒径的分离效率进行分析。论文所取得的主要成果有：(1)解决了冲击组件的动力实现问题,确定选用四种尺寸的节流口分别控制不同的流量,并估算出新型液压式扭力冲击器的碰撞扭矩为1402～2048N·m,碰撞频率为15～21Hz；(2)对动力冲击组进行碰撞仿真,得出碰撞扭矩随角速度的增大而增大,碰撞时间则随角速度增加而减小,并得出碰撞扭矩在1750～2158 N·m之间,碰撞时间在lms左右；然后由强度分析得知其最大应力发生在液动锤的接触面,其值为385.53MPa,满足强度要求；(3)设计出一种新型固液分离单元,通过两相流分析得出其内流场的特征,并对分离效率进行分析得出,流量对其影响很小,而底流口的增大其分离效率也随之增大,且其对粒径大的固相颗粒分离效果更好。通过上述的研究分析,对新型液压式扭力冲击器有了更深的认识。其节流口的方案选择以及固液分离单元的设计形式都具有其创新性,对动力冲击组的碰撞分析也并不多见,其所得出的碰撞扭矩等一系列结论对以后的相关研究都具有一定的参考价值。
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE927

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本文编号：1223880