2000年4月
石 油 钻 探 技 术
PETROLEUM DRILLING TEC HNIQU ES Vol.28,No.2 Apr.,2000
收稿日期:1999—08—23;改回日期:2000—03—10第一作者联系电话:(010)69745566-4387
工具与设备
SYZJ 型冲击动载发生器的液能利用研究
陈劲松 翟应虎
(石油大学(北京),北京 102249)
主题词: 冲击 发生器 冲击钻井 能量转换 理论分析 参数 排量 泵压 结构
摘 要: 在分析SYZ J 型冲击动载发生器主要工作过程中的能量转化及利用的基础上,建立了该型冲击动载发生器各工作过程的能量方程。并依据能量方程,分析了泥浆泵的排量和泵压、结构尺寸、冲锤重量等对其工作及能量利用的影响,给出了冲击动载发生器主要工作参数的工程计算式。
中图分类号:T E821.2 文献标识码:A 文章编号:1001-00(2000)02-0033-03
冲击动载发生器(也称旋冲器、旋振器、振动器或冲击器)是石油旋冲钻井技术的核心钻具,它可给井底钻头施加冲击动载,以破碎井下坚硬岩石。SY ZJ 型冲击动载发生器采用钻井液驱动方式。由于井底钻头中的喷嘴及环空携岩都要耗用钻井液的能量,为此,笔者研究了冲击动载发生器的液能利用问题,以保证设计的冲击动载发生器在正常工作时并不妨碍携岩及喷射钻井对液能的利用。
一、结构及工作原理
SY ZJ 型冲击动载发生器的结构如图1所示。其工作原理是:钻井液从上接头处经上堵水阀、冲锤与中接头及外壳之间的环空间隙,流进冲锤锤头中的抬水槽里。此时由于下堵水阀紧靠在铁砧上,堵死了流道,钻井液在此受堵发生水击,液压迅速升高并抬起冲锤使之向上快速运动;冲锤运行到一定高度后,带动下堵水阀离开铁砧,于是,原先关闭的流道打开,钻井液流出冲击动载发生器,而冲锤则继续向上运动,抵住上堵水阀,再次堵住钻井液的通道。受堵的钻井液又发生水击,促使上堵水阀和冲锤一起快速下行,一定行程后,上堵水阀受台阶的阻挡而与冲锤分开,冲锤独自继续下行,直到与铁砧发生碰撞,实现冲击过程。当然,在冲锤下行过程中,下堵水阀也在独自下行,并在冲锤冲击铁砧时堵死流道,整个钻井液通路又重现开始的状态。冲锤重复上述过程,周而复始,对铁砧产生周期性的冲击作用,铁砧将冲击动载传递给井底的钻头。
二、液能利用分析
由SY ZJ 型冲击动载发生器的工作原理可知,依照冲锤的往复运动情况,可将该型冲击动载发生器的一个工作周期大致划分成两个主要工作过程:冲锤上行和冲锤下行过程。
1.冲锤上行过程
图1 SY ZJ 型冲击动载发
生器的结构示意图
1.上接头;
2.上堵水阀;
3.中接头;
4.外壳;
5.冲锤;
6.下堵水阀;
7.抬水槽;
8.铁砧
这一过程中,受堵发生水击的钻井液将自身的动能转化成弹性势能;高压钻井液推动冲锤向上运动时,钻井液的势能转化成冲锤的动能。同时,由于钻井液是粘性流体,将因水击涡旋、空蚀、克服机械摩阻以及冲锤运动受密封圈等阻力作用,均将损失部分能量。当冲锤带动下堵水阀离开铁砧时,整个腔内流道贯通,冲锤主要靠惯性作用上行,并在上行过程中克服流场阻力及机械阻力。因此,从能量角度考虑,冲锤将部分动能转化成重力势能,一部分克服流场及机械阻力做功,钻井液除部分自身耗散、冲锤做功外,基本下泻至钻头处。
根据上面的能量利用分析,可以建立冲锤上行过程中的能量利用方程:
W 1=W 11+W 12
(1)
W 11=[( P S 1+P 0 S 1+P H S 2)(Z 1-Z 2)]+C 1 0
1
(M 1
+M 2)g Z 2(2)W 11=
1
2
(M 1+M 2)V 20+M 1g (Z 2-Z 1)+[K 1(Z 1-
Z 2)+K 2Z 2]+
∫
T 0
1
2c d S d 0
(t )3d t (3) P = 1 0a V 1(4)a =
K / 01+
K D
E
(5)
=2 D (1+v )+D
D +
(1-v 2)(6) V 1=
4Q 0
[(D - )2-d 24]
(7)式(1)～(7)中,W 1为冲锤上行过程中经过冲击动载发生器腔内的钻井液的总能量;W 11为冲锤上行过程中钻井液对冲锤所做的总功;W 12分别为冲锤上行过程中钻井液没有参加对冲锤做功的总能量,一部分是因粘性内耗,一部分为腔内沿程摩阻,一部分为紊流的雷诺切应力等的传热,一部分直接保留传输到井下钻头处;M 1、M 2分别为冲锤及下堵水阀的质量;Z 1、Z 2分别为冲锤及上、下堵水阀的行程;V 0为上行过程中冲锤及下堵水阀的末速度;K 1、K 2分别为冲锤独自上行、冲锤与下堵水阀一起上行时相应活动件的摩擦力;g 为重力加速度;c 1为浮力修正系数,主要考虑到活动件(如冲锤)各承受液压的表面受压力不均匀的因素;c d 为粘性阻力系数,与冲锤的形状及雷诺数有关;v (t )为冲锤相对流场的速度;T 0为冲锤上行过程所用的时间; S 1、 S 2分别为冲锤上行过程中冲锤承受水击压力及泥浆泵泵压的有效面积及静水压力的有效面积; 0、 1分别为钻井液的密度和冲锤及上、下堵水阀的材料密度; P 、P 0、P H 分别为冲锤上行过程中水击压强、泥浆泵泵压、冲击动载发生器所在井下静水压强; 1为水击压强的综合修正系数,考虑到水击压力波动性;a 为水击压力波波速;K 为钻井液的体积模量;E 为外壳材料的弹性模量; 为外壳的厚度;D 为外壳的外径; 为反映冲击动载发生器固定情况的因数;V 为外壳材料的泊松系数; V 1为冲锤与外壳的环空间隙内钻井液流速的变化量;Q 0为泥浆泵的排量。
2.冲锤下行过程
冲锤下行过程中,首先上堵水阀推动冲锤一起快速下行,直到上堵水阀受中接头阻挡为止。此间,钻井液将自身的动能转化成弹性势能后,推动上堵水阀及冲锤下行从而部分转化成上堵水阀及冲锤的动能,当然,流场本身也将消耗部分弹性势能。冲锤与上堵水阀分离后,流道贯通,浮力、流场阻力、机械阻力将会耗散冲锤部分动能。冲锤冲击铁砧时,动能的主要部分将变成冲击能量传递给铁砧及井下钻头。重力在冲锤下行过程中一直参与做功。冲锤下行过程中的能量利用方程为:
W 2=W 21+W 22
(8)
W 21=[( P ′+P 0) S 3-P H S 4]Z 3+ 0g
1
[-C 2M 1(Z 1-Z 3)-C 2′M 2Z 2+C 2″M 3Z 3](9)W 21=
12
[M 1V 22+M 3(V 231+V 232)+M 2V 2
22]-M 1g (Z 1+h )-M 2g(Z 2+h )+K 3Z 3+K 4(Z 1-Z 3+h )+
K 5
Z 3+
T
P ′= 2 0a ′ V 1′(11)
a 1′=
K / 0
1+ ′
K D E ′
(12)
′=2 ′D (1+v )+D D + ′(1-v 2)(13) V 1′=4Q 0
d 210
(14)
式(8)～(14)中,W 2为冲锤下行过程中经过冲击动载发生器腔内的钻井液的总能量;W 21为冲锤下行过程中钻井液对冲锤所做的总功;W 22为冲锤下行过程中钻井液没有参加对冲锤做功的总能量,一部分是粘性内耗,一部分为腔内沿程摩阻,一部分为紊流的雷诺切应力等的传热,一部分直接保留传输到井下钻头处;M 2为上堵水阀的质量;Z 2为上堵水阀的行程;V 2、V 31、V 32、V 22为下行过程中冲锤冲击铁砧的初始速度、上堵水阀下行末速度及上返末速度和下堵水阀的末速度;K 3、K 4、K 5分别为冲锤与上堵水阀一起下行、
冲锤独自下行、上堵水阀上返时相应活动件的摩擦力;c 2、c 2′、c 2″均是浮力修正系数,主要考虑到活动件(如冲锤)各承受液压的表面受压力不均匀的因素;h 为一个工作周期内钻头吃进岩石的深度(也是铁砧下行的距离);T 为SY ZJ 型冲击动载发生器的工作周期; P ′为冲锤下行过程中的水击压强; S 3、 S 4分别为冲锤下行过程中冲锤及上堵水阀承受水击压力及泥浆泵泵压的有效面积和冲锤承受静水压力的有效面积; 2为水击压强的综合修正系数,也是考虑到水击压力的波动性;a ′为水击压力波波速; ′为上接头的厚度; 为反映冲击动载发生器固定情况的因数; V 1′为流进上接头内的钻井液的流速的变化量;d 10为上接头的内径。
三、工作参数计算
根据液能利用情况的分析,可以给出SY ZJ 型冲击动载发生器的工作参数(单次冲击能量、液能利用率与冲击频率)的工程计算式。
1.总能量W 0
首先,一个工作周期内,经过SY ZJ 型冲击动载发生器腔内钻井液的总能量W 0=W 1+W 2。但对于现场的技术人员来说,更关心的是加工、装配成的SY ZJ 型冲击动载发生器的具体工作参数,考虑到水击压力及泵压作用是影响SY ZJ 型冲击动载发生器液能利用的主要因素,实际工程计算时可以按下式计算:
W 0= 2[( P +P 0) S 1(Z 1-Z 2)+
( P ′+P 0)
S 3Z 3]
(15)
式中, 2从能量利用角度考虑是一能量利用的经验系数,室内
测定为0.45～0.50。
2.冲锤的单次冲击能量J
J =
1
M 1V 22
=′
+P 0) S 16)
・
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式中, 1为冲锤下行过程中获得的实际单次冲击能量的利用系数,室内测定为0.30～0.45。
3.液能利用率
=J/W
(17)
4.工作频率f
根据能量平衡关系,可以得到SY ZJ 型冲击动载发生器的工作频率:
f =
1T =8 0Q 3
d 210J
(18)
四、影响因素
1.泥浆泵排量及泵压
从上面的分析可以看出,水击压力与泵压是控制和驱动SY ZJ 型冲击动载发生器工作的主要动力,而水击压力与泵排量是成比例关系的。因此,泥浆泵的泵压及泵排量直接控制着SY ZJ 型冲击动载发生器的工作情况。在其它条件相同的情况下,当泥浆泵的泵压、泵排量增加时,SY ZJ 型冲击动载发生器的单次冲击能量、工作频率、液能利用率增加;反之,则相应减小。
2.SYZJ 型冲击动载发生器的结构尺寸
能量方程已涵盖了SY ZJ 型冲击动载发生器的结构尺寸因素,因此,结构尺寸也是影响该型冲击动载发生器工作的关键因素。结构尺寸包括径向尺寸和轴向尺寸。由于设计时要考虑井眼的尺寸、冲击动载发生器本身承受钻压及扭矩等情况,实际径向尺寸选择的范围极为狭窄,在现场及室内调试控制时主要调节冲锤的行程或上、下堵水阀的行程。从能量方程及工作参数的计算式可以得出:其它条件相同的情况下,适当增加上堵水阀的行程Z 3时,SYZ J 型冲击动载发生器的能量利用率 、
工作频率f 、单次冲击能量J 有提高;冲锤的行程增加,SY ZJ 型冲击动载发生器的单次冲击能量增加、工作频率下降,液能利用率则有一个最优值。
从上述研究中还可以看出,各结构尺寸是相互配合的。因此,在调节某一结构尺寸以达到控制SY ZJ 型冲击动载发生器工作参数时,要做到兼顾其它结构尺寸。
3.冲锤的重量
在保证冲击动载发生器正常工作的情况下,随着冲锤重量的减少,SY ZJ 型冲击动载发生器的工作频率提高,单次冲击能量降低,能量利用率提高。
4.其它因素
从能量方程还可以看出,在提高加工精度的情况下,冲锤在SY ZJ 型冲击动载发生器腔内的运动的摩擦力将会降低,由
此,SYZ J 型冲击动载发生器的工作频率、单次冲击能量、液能利用率都将得到提高;在改进冲锤形状的情况下,冲锤的粘性阻力等将降低,也会提高SY ZJ 型冲击动载发生器的工作频率、单次冲击能量及液能利用率。
根据以上因素的影响情况,在现场可以按照地层的要求,对SYZ J 型冲击动载发生器进行调节,以选择理想的工作参数。
五、结论和建议
1.SY ZJ 型冲击动载发生器的液能利用研究,可以深入了解该型冲击动载发生器的液能利用情况,并可以确定该型冲击动载发生器的工作参数:单次冲击能量、冲击频率和液能利用率。
2.影响SY ZJ 型冲击动载发生器工作的因素主要有:泥浆泵的泵压与排量、冲锤及上、下堵水阀的行程及冲锤的重量。
3.目前,我们主要研究了钻井液对冲锤等活动件的做功情况,并没有去分析研究没有参与做功的那部分液能的具体情况,因此,钻井液的沿程液压、流量的变化实际情况我们并不能准确地把握。今后有必要在一方面作进一步的研究。
参 考 文 献
1 盛敬超.液压流体力学.北京:机械工业出版社,1980.2 蒲家宁.管道水击分析与控制.北京:机械工业出版社,1991.3 陈劲松.石油钻井用配水机构型阀式双作用液动冲击器设计的初
步研究[硕士学位论文].北京:石油大学石油工程系,1998.
作 者 简 介
陈劲松,1973年生。1995年毕业于石油大学(华东)开发系。现为石油大学(北京)博士研究生,从事井下破岩工具及井身结构设计方面的研究。
翟应虎,1950年生。1982年毕业于华东石油学院开发系。现任石油大学(北京)教授,博士生导师,从事P DC 钻头研制等方面的工作。
Study on Hydraulic Energy Utilization of SYZJ Shock Dynamic Generator
Chen Jinsong , Zhai Yinghu
(Univ er sity o f Petroleum (B eij ing ),B eij ing ,102249,China )
Keys :impact ,g enerato r ,per cussion dr illing ,energ y co nver sion,theor etical analysis,par ameter ,discharg e capacity ,pump
pressur e,str ucture
Abstract :Based o n analyzing the ener gy conv ersio n &utilization during its main w or king pr ocess and the a pplicatio n of the SY ZJ sho ck dy namic gener ator ,energ y equat ions of its var io us w or king pro cesses are founded.A ccor ding t o the ener gy equatio ns,the effects of the pump rat e &pressure,fig urat ion size ,t he w eig ht o f shock ham mer on its applicatio n &energ y utilizatio n ar e analy zed.T he engineer ing fo rm ulas to co mpute its main w or king par ameters ar e also given.
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35・第28卷第2期 陈劲松等:SY ZJ 型冲击动载发生器的液能利用研究下载本文
