本文關(guān)鍵詞：新型液壓式扭力沖擊器設(shè)計與動力仿真

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【摘要】：隨著淺層的油氣資源日益枯竭,導(dǎo)致油氣鉆井更多的向深部開發(fā)。目前PDC鉆頭普遍應(yīng)用于深井硬地層中,其在鉆進(jìn)過程中容易出現(xiàn)粘滑振動現(xiàn)象,導(dǎo)致鉆頭的鉆進(jìn)效率低下、使用壽命短,且井眼不規(guī)則等。研究表明扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)能有效減輕PDC鉆頭的粘滑振動現(xiàn)象。然而我國在扭力沖擊鉆井技術(shù)研究上起步較晚,對于扭力沖擊鉆井工具的研究主要參照國外的研究資料,工作性能不是很理想。因此本文在前人的基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計出了一種新型液壓式扭力沖擊器,其外徑為0180mm,控制流量為18-38L/s,并從理論和仿真兩方面研究了新型液壓式扭力沖擊器。論文開展的研究工作如下：(1)分析扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具對PDC鉆頭的影響,完成對新型液壓式扭力沖擊器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計,指出設(shè)計時應(yīng)解決的三個問題,即：動力實(shí)現(xiàn)問題、動力沖擊組結(jié)構(gòu)設(shè)計問題和泥漿凈化問題；再對動力沖擊組進(jìn)行設(shè)計并建立三維模型,根據(jù)其不同的位置狀態(tài)分析其液壓驅(qū)動的工作原理,得出其一個運(yùn)動周期內(nèi)經(jīng)歷四種運(yùn)動狀態(tài),并驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性；(2)為產(chǎn)生驅(qū)動液使得動力沖擊組內(nèi)部零件之間發(fā)生轉(zhuǎn)動,則在其內(nèi)部應(yīng)形成高低壓腔,本文選定以節(jié)流口的形式來控制作用于動力沖擊組的流量和壓差,并通過所需扭矩估算出其所需流量；然后依據(jù)理論對節(jié)流口進(jìn)行設(shè)計,確定選用短孔形式的節(jié)流口,并提出新型液壓式扭力沖擊器節(jié)流口的兩種方案選擇,一種方案為選用單一尺寸的節(jié)流口,另一種方案為選用多個尺寸的節(jié)流口。最終通過整體流道仿真確定最優(yōu)方案以及符合所需流量的節(jié)流口尺寸,并通過仿真得到的流量估算出碰撞扭矩和頻率；(3)應(yīng)用Adams對動力沖擊組內(nèi)部液動錘與主軸之間發(fā)生的彈性碰撞進(jìn)行仿真仿真,選用impact函數(shù)模型,并建立約束,得出液動錘在碰撞過程中存在碰撞和反彈兩種運(yùn)動狀態(tài),且過程中存在能量耗散,然后分析了不同角速度下扭矩以及碰撞時間的變化情況；并對其進(jìn)行靜力學(xué)分析,通過施加最大扭矩于液動錘上,得出液動錘和主軸的應(yīng)力分布及位移情況,驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足強(qiáng)度要求；(4)由于鉆井液中所含固相顆粒會阻礙動力沖擊組的正常運(yùn)作,因此設(shè)計出一種軸向入口式固液分離單元,該分離單元由旋流誘導(dǎo)輪、旋流體和節(jié)流套三個部分組成,確定了各結(jié)構(gòu)的尺寸并對誘導(dǎo)輪上的葉片進(jìn)行設(shè)計;然后在Fluent中基于RSM湍流模型對固液兩相流進(jìn)行模擬分析,得出流線圖、壓力場以及固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布情況等,并對不同尺寸底流口的分離單元以及不同顆粒粒徑的分離效率進(jìn)行分析。論文所取得的主要成果有：(1)解決了沖擊組件的動力實(shí)現(xiàn)問題,確定選用四種尺寸的節(jié)流口分別控制不同的流量,并估算出新型液壓式扭力沖擊器的碰撞扭矩為1402～2048N·m,碰撞頻率為15～21Hz；(2)對動力沖擊組進(jìn)行碰撞仿真,得出碰撞扭矩隨角速度的增大而增大,碰撞時間則隨角速度增加而減小,并得出碰撞扭矩在1750～2158 N·m之間,碰撞時間在lms左右；然后由強(qiáng)度分析得知其最大應(yīng)力發(fā)生在液動錘的接觸面,其值為385.53MPa,滿足強(qiáng)度要求；(3)設(shè)計出一種新型固液分離單元,通過兩相流分析得出其內(nèi)流場的特征,并對分離效率進(jìn)行分析得出,流量對其影響很小,而底流口的增大其分離效率也隨之增大,且其對粒徑大的固相顆粒分離效果更好。通過上述的研究分析,對新型液壓式扭力沖擊器有了更深的認(rèn)識。其節(jié)流口的方案選擇以及固液分離單元的設(shè)計形式都具有其創(chuàng)新性,對動力沖擊組的碰撞分析也并不多見,其所得出的碰撞扭矩等一系列結(jié)論對以后的相關(guān)研究都具有一定的參考價值。
【學(xué)位授予單位】：長江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TE927

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本文編號：1223880