五级双行程水力加压器设计与力学分析

胡修俊,祝效华,凌玉梅,石昌帅,叶文勇

(1.中石化石油工程西南有限公司油田建设工程公司,四川德阳618000;2.西南石油大学机电工程学院,成都610500;3.川庆钻探工程有限公司工程技术研究院,西安710018)

五级双行程水力加压器设计与力学分析

胡修俊1,祝效华2,凌玉梅2,石昌帅2,叶文勇3

(1.中石化石油工程西南有限公司油田建设工程公司,四川德阳618000;2.西南石油大学机电工程学院,成都610500;3.川庆钻探工程有限公司工程技术研究院,西安710018)

水力加压器通过节流作用将泥浆动力转化为轴向推力,可以减少因钻柱耦合振动及钻头与岩石互作用引起的钻压波动,从而给钻头施加较为恒定的钻压,延长钻头寿命,减少钻具疲劳失效,提高钻井效率。为了给中深井提供足够大的钻压及提高入井后的钻压调节能力,设计了适用于ø215.9 mm井眼的ø172 mm规格的五级双行程水力加压器。水力加压器工作时,通过主活塞杆和主缸体的花键副传递钻压和扭矩。花键副的载荷环境较为恶劣,应用有限元软件完成了压扭载荷作用下主活塞杆和主缸体的接触应力分析,得出主活塞杆和主缸体的静安全系数＞4,其结构安全性可以满足使用要求。

水力加压器;五级双行程;设计;花键接触分析;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,aø172 mm five-grade twostroke hydraulic thruster forø215.9 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

水力加压器通过节流作用将泥浆动力转化为轴向推力,可以减少因钻柱耦合振动及钻头与岩石相互作用引起的钻压波动,从而给钻头施加较为恒定的钻压,延长钻头寿命,减少钻具疲劳失效,提高钻井效率[1-2]。水力加压器所产生的工作推力可通过如下方式调节:入井前调整节流元件(喷嘴)尺寸[3];入井后改变泵入排量及使用双行程结构。调节节流元件尺寸和改变排量均可直接调整压差作用力,双行程结构则利用限位装置刚性调整输出的轴向推力。为给中深井段提供足够大的钻压及提高入井后的钻压调节能力,设计了适用于中深井段ø215.9 mm井眼的ø172 mm规格的五级双行程水力加压器。

1 五级双行程水力加压器结构与参数

ø172 mm五级双行程水力加压器的结构如图1。水力加压器密封元件承受较大的压力差,因此密封结构采用密封性能优异的车式密封,如图2。

图1 ø172 mm五级双行程水力加压器结构

图2 车式密封结构

ø172 mm五级双行程水力加压器的参数如表1。该水力加压器分为大钻压行程段和小钻压行程段,对应的活塞移动行程分别为0～400 mm和400～700 mm。其中第1级活塞的行程为0～400 mm,第2～5级活塞的行程为0～700 mm。当所有活塞从上极限位置开始运动后,在0～400 mm行程内,所有的活塞都向钻头施加钻压,钻压为所有活塞上的压力之和,施加的钻压最大,即大钻压行程;当所有活塞运动行程超过小行程活塞(第1级活塞)的行程终点400 mm后,第1级活塞受缸体台阶支撑而不再向钻头施加钻压,只有其余的大行程活塞(第2～5级)继续下行并给钻头施加钻压,钻压为各级大行程活塞上的压力之和。

2 五级双行程水力加压器钻压计算

水力加压器产生钻压的压降p由水力加压器喷嘴压降Δp1和钻头压降Δp2两部分组成[4]。水力加压器产生压降示意如图3;水力加压器喷嘴结构采用圆弧形喷嘴[5],如图4。

表1 ø172 mm五级双行程水力加压器参数

水力加压器喷嘴压降Δp1和钻头压降Δp2分别为

式中,ρ为钻井液密度,g/cm3;Q为钻井液排量,L/s;c为喷嘴流量系数,一般取0.98;S为水力加压器喷嘴面积,mm2;Se为钻头喷嘴当量面积[5],mm2。

图3 水力加压器产生的压降示意

图4 水力加压器喷嘴结构

水力加压器喷嘴直径取ø20.3 mm,钻头喷嘴直径取ø32.89 mm。排量为20 L/s时,水力加压器2个行程产生的推力分别为164 kN和131.2 kN;排量为25 L/s时,水力加压器2个行程产生的推力分别为256 kN和205 kN。

3 主活塞杆和主缸体的接触分析

主活塞杆与主缸体是水力加压器的主要承载部件,工作时通过花键[6]传递扭矩和轴向推力,缸体还承受流体静压。建立主活塞杆和主缸体的接触副,施加6 500 N·m转矩、250 kN轴向推力,缸体内外壁分别施加40 MPa和35 MPa液体静压。分析结果如图5～7所示。

图5 主活塞杆与主缸体接触副应力

从云图中可以看出,缸体和活塞的峰值应力区集中在花键根部及活塞杆和缸体接触端面,峰值应力分别为182.5 MPa和76 MPa,远小于所用材质(42CrMo)的屈服极限930 MPa,因此水力加压器的主要承载部件具有很高的安全性,可以满足使用要求。

图6 主活塞杆应力

图7 主缸体应力

4 结论

1) 在常用的排量范围内,设计的ø172 mm五级双行程水力加压器可以产生130～250 kN的轴向推力,入井前调整水力加压器喷嘴结构参数和入井后调节行程均可实现钻压调节。输出的轴向推力可满足中深井段的中高钻压需求,与其他工具组合使用,可提高机械钻速,减少因振动引起的钻具失效。

2) 考虑轴向载荷、扭转载荷和内外静压的接触分析表明,水力加压器的主要承载部件(主活塞杆和主缸体)的结构安全性很高,可以满足使用要求。

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[6] GB1144—1987,矩形花键基本尺寸系列及位置度、对称度公差[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

国家自然科学基金项目(50804040);西南石油大学校级自然科学基金项目(2007XJZ093)

胡修俊(1974-),男,四川仪陇人,工程师,主要从事石油工程储运技术管理工作,E-mail:huxiujun6677@yahoo.com.cn。