液壓雙向雙級(jí)減震器的研究

黃慶斌

（黑龍江省大慶市鉆探工程公司鉆井一公司探井項(xiàng)目部，黑龍江大慶163413）

液壓雙向雙級(jí)減震器的研究

黃慶斌*

（黑龍江省大慶市鉆探工程公司鉆井一公司探井項(xiàng)目部，黑龍江大慶163413）

減震器作為一種能同時(shí)減緩或消除鉆柱縱向和周向振動(dòng)的常用井下工具，它能維護(hù)正常的鉆壓和扭矩，從而避免鉆頭鉆具及地面設(shè)備因井下突然產(chǎn)生振動(dòng)而破壞，也可以提高鉆速加快打井速度，降低鉆井成本的目的。而不同減震器在硬地層和礫石層中使用達(dá)不到理想的減震效果，根據(jù)鉆具結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)研制液壓雙向雙級(jí)減震器具有重要意義。

液壓；雙向；雙級(jí)；減震器

在雙向減震器有多種結(jié)構(gòu)，考慮到現(xiàn)場(chǎng)使用，研制一種能夠進(jìn)行有效減震，能夠有效提高鉆進(jìn)速度，適合深井作業(yè)的雙向減震器，于是開(kāi)始提出一個(gè)液壓雙向雙級(jí)減震器進(jìn)行研究。該減震器屬于鉆柱減震器的一種，是配合牙輪鉆頭或研磨性取芯鉆頭鉆進(jìn)時(shí)起軸向和周向減震作用的減震工具。它能夠吸收或減緩鉆進(jìn)過(guò)程中鉆柱的軸向震動(dòng)和周向沖擊負(fù)荷，從而維持正常的鉆壓與扭矩。液壓減震器適合在中硬地層、硬地層、礫石層或軟硬夾層中使用，能在全面鉆進(jìn)或取芯作業(yè)中實(shí)現(xiàn)鉆壓和扭矩的最佳配合。

1 技術(shù)原理

1.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)成及工作原理

主要由心軸、扶正筒、花鍵外筒、一級(jí)液壓室、導(dǎo)向活塞、二級(jí)液壓室、沖管、下接頭及密封元件等組成。

鉆壓傳遞：鉆壓通過(guò)心軸及密封元件作用在硅油上，傳給下接頭及鉆頭。

扭矩傳遞：轉(zhuǎn)盤(pán)的扭矩由上部鉆柱傳遞給心軸，通過(guò)心軸與花鍵筒體的花鍵傳遞給液壓室缸體、下接頭，從而驅(qū)動(dòng)鉆頭。

1.2 減震原理

鉆柱和鉆頭受到?jīng)_擊，震動(dòng)使軸向負(fù)荷發(fā)生變化，該負(fù)荷使減震器內(nèi)下部一級(jí)液壓室(工作腔)中的硅油發(fā)生彈性變形(壓縮或膨脹)，從而吸收或釋放鉆柱或鉆頭的沖擊、震動(dòng)能量。在硅油彈性變形的同時(shí)，心軸相對(duì)花鍵外筒做軸向運(yùn)動(dòng)，一級(jí)液壓室（阻尼腔）中的液體高速流過(guò)各自環(huán)隙阻尼，產(chǎn)生大量摩擦熱，吸收部分沖擊能量，從而達(dá)到減緩周向沖擊作用，從而減輕和防止跳鉆。二級(jí)的液壓室作為由導(dǎo)向活塞傳遞第一級(jí)液壓室殘余沖擊力及振動(dòng)，起到第二級(jí)減緩周向沖擊作用使用，兩級(jí)液壓室的互為配合使液壓雙向減震器結(jié)構(gòu)更適用于3000m以上深井作業(yè)。

1.3 工作原理

該減震器可以看為一種液壓緩沖設(shè)施與螺旋推進(jìn)器的有機(jī)結(jié)合，由鉆頭方向傳遞過(guò)來(lái)的周向沖擊和振動(dòng)，通過(guò)該減震器的兩級(jí)液壓油室處理，將鉆柱產(chǎn)生的阻力傳遞給硅油，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能，保護(hù)正常的鉆壓和扭矩，保護(hù)設(shè)備起到極其主要的作用。

鉆桿鉆進(jìn)時(shí)，減震器處于兩端受壓狀態(tài)，工具壓力增加時(shí)，心軸受壓縮進(jìn)腔內(nèi)，液壓室內(nèi)液體壓力增加。鉆桿提起時(shí)，處于減震器兩端壓力釋放，液體壓力恢復(fù)，心軸伸出。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇_立

物理模型是在某些特定條件下往往可抽象為理想的研究對(duì)象，是人們?yōu)榱搜芯课锢韱?wèn)題的方便和探討物理事物的本身而對(duì)研究對(duì)象所做的一種簡(jiǎn)化描述，是以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，采用理想化的辦法所創(chuàng)造的，能再現(xiàn)事物本質(zhì)和內(nèi)在特性的一種簡(jiǎn)化模型。理想化的物理模型既是物理學(xué)賴(lài)以建立的基本思想方法，也是物理學(xué)在應(yīng)用中解決實(shí)際問(wèn)題的重要途徑和方法，這種方法的思維過(guò)程要求學(xué)生在分析實(shí)際問(wèn)題中研究對(duì)象的條件、物理過(guò)程的特征，建立與之相適應(yīng)的物理模型，通過(guò)模型思維進(jìn)行推理。

2.1 建立模型

對(duì)該減震器幾何，運(yùn)動(dòng)上的物理量采用相似性準(zhǔn)則，將流場(chǎng)上的重力、壓力、液體張力以及液體的粘滯力和液體的壓力設(shè)置模型，用相似三定理推倒相似指標(biāo)和相似準(zhǔn)則。

式中：CP——相似常數(shù)；

P1——原型的各種變量；

P2——模型中與P相應(yīng)的變量。

（1）按相似理論選定比例因數(shù)：

式中：λY、λX——縱向和橫向的相似比例因數(shù)；

l、D——液壓室的長(zhǎng)度和直徑。

（2）判斷模型建立是否與實(shí)際吻合，只需查看它們的動(dòng)力相似準(zhǔn)則是否相等，如一至則相似。

根據(jù)牛頓相似準(zhǔn)則：

通過(guò)計(jì)算兩者的牛頓數(shù)，比較兩者數(shù)值相等，保證兩者動(dòng)力相似。

液體均有粘滯力系數(shù)，作為液壓室內(nèi)的油同時(shí)也應(yīng)考慮其粘滯力，根據(jù)相似準(zhǔn)則：

判斷粘滯力只需判斷雷諾數(shù)，只要比較模型中油與實(shí)際由雷諾數(shù)相等即可判斷。

（3）沖擊力在鉆柱的Y方向表現(xiàn)為壓力，所以也需要判斷工作狀態(tài)下油的壓力場(chǎng)相似。

根據(jù)公式：

Eu=P（ρμ）-1

只要模型與實(shí)際壓力的歐拉數(shù)Eu相等，則兩者相似。

2.2 模型材料的選擇

減震器的主體結(jié)構(gòu)采用應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)：

（1）模型材料需選用使用于高壓下剛度、硬度、強(qiáng)度及韌性等力學(xué)性能依然穩(wěn)定的材料。

（2）熱處理性能好，可以進(jìn)行淬火增加其強(qiáng)度等力學(xué)性能，且通過(guò)熱處理消除其應(yīng)力。

（3）具有良好的加工性能。

（4）高低溫抗沖擊能力高。

綜合以上幾點(diǎn)選用42CrMo鋼作為主體加工材料，且材料主要為圓鋼結(jié)構(gòu)，方便加工，切削加工量小。

42CrMo的成分和性能：

成份：

碳C：0.38%～0.45%；硅Si：0.17%～0.37%；錳Mn：0.50%～0.80%；鉻 Cr：0.90%～1.20%；鉬 Mo：0.15%～0.25%。

力學(xué)性能：

抗拉強(qiáng)度 σb≥1080(110)MPa；屈服強(qiáng)度σs≥930(95)MPa。

液壓油選用耐高溫，揮發(fā)性小，對(duì)金屬無(wú)腐蝕，無(wú)毒，具有較大壓縮量，綜合以上選用硅油作為一級(jí)液壓室和二級(jí)液壓室的液壓油。

3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采樣

對(duì)使用中減震器其中一次十分明顯對(duì)鉆壓與扭矩的控制情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)效果，該井隊(duì)使用的是新鉆機(jī)，鉆壓為自動(dòng)送鉆，提高增進(jìn)鉆速，表現(xiàn)為波動(dòng)較大，但縱向減震效果明顯，可有效地保護(hù)鉆柱現(xiàn)場(chǎng)使用；軸向扭矩的控制較好，充分體現(xiàn)了減震器的軸向減震效果。

4 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明液壓雙向雙級(jí)減震器滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)理念先進(jìn)，在高溫高壓的工作環(huán)境中使用減震效果明顯。具體優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）滿足大慶地區(qū)深探井的工作環(huán)境，能有效防止鉆頭、鉆具在鉆進(jìn)中發(fā)生較大震動(dòng)，使轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩變化小、工作平穩(wěn)；

（2）對(duì)鉆進(jìn)能有效地保護(hù)鉆頭，延長(zhǎng)鉆頭使用壽命，提高鉆井速度和經(jīng)濟(jì)效益。在我油田推廣應(yīng)用有著廣闊的前景。

[1]張兆順,崔桂香.流體力學(xué)[M].2版.清華大學(xué)出版社，2006.

[2] 劉延強(qiáng)，呂英民.鉆柱拖扭阻力的計(jì)算分析[J].石油學(xué)報(bào), 1996（3）.

[3]章?lián)P烈，肖載陽(yáng)，端木綱.旋轉(zhuǎn)鉆柱運(yùn)動(dòng)原理的研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，1988（2）.

[4] 楊建國(guó),張兆營(yíng)，鞠曉麗，譚建宇.工程流體力學(xué)[M].北京大學(xué)出版社，2010.

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1004-5716(2015)09-0103-02

2014-09-29

2014-10-28

黃慶斌（1973-），男（漢族），吉林農(nóng)安人，工程師，現(xiàn)從事鉆井工藝、技術(shù)、鉆井設(shè)備及鉆井生產(chǎn)管理工作。