五級雙行程水力加壓器設計與力學分析

胡修俊,祝效華,凌玉梅,石昌帥,葉文勇

(1.中石化石油工程西南有限公司油田建設工程公司,四川德陽618000;2.西南石油大學機電工程學院,成都610500;3.川慶鉆探工程有限公司工程技術研究院,西安710018)

五級雙行程水力加壓器設計與力學分析

胡修俊1,祝效華2,凌玉梅2,石昌帥2,葉文勇3

(1.中石化石油工程西南有限公司油田建設工程公司,四川德陽618000;2.西南石油大學機電工程學院,成都610500;3.川慶鉆探工程有限公司工程技術研究院,西安710018)

水力加壓器通過節流作用將泥漿動力轉化為軸向推力,可以減少因鉆柱耦合振動及鉆頭與巖石互作用引起的鉆壓波動,從而給鉆頭施加較為恒定的鉆壓,延長鉆頭壽命,減少鉆具疲勞失效,提高鉆井效率。為了給中深井提供足夠大的鉆壓及提高入井后的鉆壓調節能力,設計了適用于?215.9 mm井眼的?172 mm規格的五級雙行程水力加壓器。水力加壓器工作時,通過主活塞桿和主缸體的花鍵副傳遞鉆壓和扭矩。花鍵副的載荷環境較為惡劣,應用有限元軟件完成了壓扭載荷作用下主活塞桿和主缸體的接觸應力分析,得出主活塞桿和主缸體的靜安全系數＞4,其結構安全性可以滿足使用要求。

水力加壓器;五級雙行程;設計;花鍵接觸分析;有限元

Abstract:Hydraulic thruster converts mud power into axial thrust through throttling action,it can reduce the WOB fluctuation because of the coupled vibration of drill string and the interaction between the drill bit and rock,thereby exerts a constant WOB,extends bit life,reduces drill stem’s fatigue failure,improves the drilling efficiency.In order to provide sufficient WOB for medium-deep well and improve the post-adjustment ability into well,a?172 mm five-grade twostroke hydraulic thruster for?215.9 mm borehole was designed.When it was at working,the hydraulic thruster transmitted WOB and torque through spline pair of master cylinder and piston rod.The load environment of spline pair was harsh,finite element software was applied to complete contact stress analysis of master piston rod and cylinder in pressure-torsion load.Analysis showed that the static safety factor of the master piston rod and master cylinder were greater than 4,the structure safety of design met the application requirements.

Key words:hydraulic thruster;five-grade two-stroke;design;spline contact analysis;finite element

水力加壓器通過節流作用將泥漿動力轉化為軸向推力,可以減少因鉆柱耦合振動及鉆頭與巖石相互作用引起的鉆壓波動,從而給鉆頭施加較為恒定的鉆壓,延長鉆頭壽命,減少鉆具疲勞失效,提高鉆井效率[1-2]。水力加壓器所產生的工作推力可通過如下方式調節:入井前調整節流元件(噴嘴)尺寸[3];入井后改變泵入排量及使用雙行程結構。調節節流元件尺寸和改變排量均可直接調整壓差作用力,雙行程結構則利用限位裝置剛性調整輸出的軸向推力。為給中深井段提供足夠大的鉆壓及提高入井后的鉆壓調節能力,設計了適用于中深井段?215.9 mm井眼的?172 mm規格的五級雙行程水力加壓器。

1 五級雙行程水力加壓器結構與參數

?172 mm五級雙行程水力加壓器的結構如圖1。水力加壓器密封元件承受較大的壓力差,因此密封結構采用密封性能優異的車式密封,如圖2。

圖1 ?172 mm五級雙行程水力加壓器結構

圖2 車式密封結構

?172 mm五級雙行程水力加壓器的參數如表1。該水力加壓器分為大鉆壓行程段和小鉆壓行程段,對應的活塞移動行程分別為0～400 mm和400～700 mm。其中第1級活塞的行程為0～400 mm,第2～5級活塞的行程為0～700 mm。當所有活塞從上極限位置開始運動后,在0～400 mm行程內,所有的活塞都向鉆頭施加鉆壓,鉆壓為所有活塞上的壓力之和,施加的鉆壓最大,即大鉆壓行程;當所有活塞運動行程超過小行程活塞(第1級活塞)的行程終點400 mm后,第1級活塞受缸體臺階支撐而不再向鉆頭施加鉆壓,只有其余的大行程活塞(第2～5級)繼續下行并給鉆頭施加鉆壓,鉆壓為各級大行程活塞上的壓力之和。

2 五級雙行程水力加壓器鉆壓計算

水力加壓器產生鉆壓的壓降p由水力加壓器噴嘴壓降Δp1和鉆頭壓降Δp2兩部分組成[4]。水力加壓器產生壓降示意如圖3;水力加壓器噴嘴結構采用圓弧形噴嘴[5],如圖4。

表1 ?172 mm五級雙行程水力加壓器參數

水力加壓器噴嘴壓降Δp1和鉆頭壓降Δp2分別為

式中,ρ為鉆井液密度,g/cm3;Q為鉆井液排量,L/s;c為噴嘴流量系數,一般取0.98;S為水力加壓器噴嘴面積,mm2;Se為鉆頭噴嘴當量面積[5],mm2。

圖3 水力加壓器產生的壓降示意

圖4 水力加壓器噴嘴結構

水力加壓器噴嘴直徑取?20.3 mm,鉆頭噴嘴直徑取?32.89 mm。排量為20 L/s時,水力加壓器2個行程產生的推力分別為164 kN和131.2 kN;排量為25 L/s時,水力加壓器2個行程產生的推力分別為256 kN和205 kN。

3 主活塞桿和主缸體的接觸分析

主活塞桿與主缸體是水力加壓器的主要承載部件,工作時通過花鍵[6]傳遞扭矩和軸向推力,缸體還承受流體靜壓。建立主活塞桿和主缸體的接觸副,施加6 500 N·m轉矩、250 kN軸向推力,缸體內外壁分別施加40 MPa和35 MPa液體靜壓。分析結果如圖5～7所示。

圖5 主活塞桿與主缸體接觸副應力

從云圖中可以看出,缸體和活塞的峰值應力區集中在花鍵根部及活塞桿和缸體接觸端面,峰值應力分別為182.5 MPa和76 MPa,遠小于所用材質(42CrMo)的屈服極限930 MPa,因此水力加壓器的主要承載部件具有很高的安全性,可以滿足使用要求。

圖6 主活塞桿應力

圖7 主缸體應力

4 結論

1) 在常用的排量范圍內,設計的?172 mm五級雙行程水力加壓器可以產生130～250 kN的軸向推力,入井前調整水力加壓器噴嘴結構參數和入井后調節行程均可實現鉆壓調節。輸出的軸向推力可滿足中深井段的中高鉆壓需求,與其他工具組合使用,可提高機械鉆速,減少因振動引起的鉆具失效。

2) 考慮軸向載荷、扭轉載荷和內外靜壓的接觸分析表明,水力加壓器的主要承載部件(主活塞桿和主缸體)的結構安全性很高,可以滿足使用要求。

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[6] GB1144—1987,矩形花鍵基本尺寸系列及位置度、對稱度公差[S].

Design and Mechanical Analysis of Five-grade Two-stroke Hydraulic Thruster

HU Xiu-jun1,ZHU Xiao-hua2,LING Yu-mei2,SHI Chang-shuai2,YE Wen-yong3
(1.Oilfield Construction Company,Sinopec Petroleum Engineering Southwest Limited Company,Deyang618000,China;2.College of Mechanical and Electrical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China;3.Engineering Technology Institute,Sichuan-Changqing Drilling Engineering Limited Company,Xi’an710018,China)

TE921.2

A

1001-3482(2010)03-0033-03

2009-09-02

國家自然科學基金項目(50804040);西南石油大學校級自然科學基金項目(2007XJZ093)

胡修俊(1974-),男,四川儀隴人,工程師,主要從事石油工程儲運技術管理工作,E-mail:huxiujun6677@yahoo.com.cn。