钻压水动力增效装置试验研究

汤凤林,段隆臣, Ю. Д. Б е с с о н о в,吴 翔,窦 斌,宁伏龙

(1.中国地质大学〈武汉〉工程学院,湖北武汉 430074;2.乌克兰国立矿业大学地质勘探系,乌克兰德聂泊彼得洛夫斯克 49027)

钻压水动力增效装置试验研究

汤凤林1,段隆臣1, Ю. Д. Б е с с о н о в2,吴 翔1,窦 斌1,宁伏龙1

(1.中国地质大学〈武汉〉工程学院,湖北武汉 430074;2.乌克兰国立矿业大学地质勘探系,乌克兰德聂泊彼得洛夫斯克 49027)

在复杂地质条件下进行钻探或处理事故时,常有需要增加钻压的情况。而所选钻机其所能产生的轴向压力是一定的。因此,在钻机选定后如何增加钻压的问题是个非常重要的问题,有时是一个非常急迫的问题。乌克兰国立矿业大学的专家们利用水力动力学原理研制出了一种新型钻压水动力增效装置,可以解决上述问题,值得借鉴。介绍了这种钻压水动力增效装置 (ГУОН)的工作原理及其技术性能指标,并通过试验结果与理论计算结果进行了对比。

钻压;水力动力学;增效装置;试验研究

1 概述

在钻探工程中,在复杂地质岩石条件下进行钻探或处理事故时,常有需要增加钻压的情况,而所选钻机其所能产生的轴向压力是一定的。因此,在钻机选定后如何增加钻压的问题是个非常重要的问题,而有时是一个非常紧迫的问题。

在流体力学中,流体动力学是研究描写流体运动,即描写表达流体流动参数,诸如流体质点的位移、速度、加速度、密度、压强、动量、动能等在各个不同空间位置上随时间连续变化的规律。在钻探工程中,水力动力学主要研究冲洗液流动参数在各个不同空间位置上随时间连续变化的规律。

乌克兰国立矿业大学钻探教研室的专家们利用水力动力学原理研制成功了一种钻压水动力增效装置 (ГУОН)。这是用于向钻头上产生附加压力的一种新型技术装置,取得了乌克兰专利,专利号为 UA№37966C2。ГУОН系直接安装在钻头或岩心管上面的液动潜入式技术装置。工业试验表明,这种装置工作性能良好,无须对钻机进行改造就可用于钻探工作上,并取得了很好的钻压增效效果。

2 ГУОН工作原理及其技术性能指标

ГУОН试验装置是一管状物体 ,内有水力冲击波发生器,冲击波通过刚性限制装置 (反射器)以一定频率作用到钻头上。ГУОН的工作原理是利用了在内径尺寸大小不均匀的钻柱 (钻杆)中产生水力冲击,并在长 1.5～2.0 m的工作腔内多次产生冲击波反射的这种现象。水力冲击波的多次反射,增加了对钻头产生水力冲击作用的幅值。

ГУОН试验样机结构见图 1。 ГУОН的工作原理为:用钻杆将其下入孔内,在到达孔底前,供给冲洗液,由于有花键连接结合件的存在,所以阀在弹簧的作用下,相对花键连接结合件壳体向上少许提起,于是在阀的下端和阀套之间形成间隙,冲洗液通过此间隙顺利到达孔底。钻头下到孔底时,花键套与阀一起向下移动,阀的下端关闭阀套中的孔眼,在工作腔中产生水力冲击,这种冲击以直达波的形式沿着冲洗液向上运动。从钻杆中反射回来的反射波增加了直达波的幅度。此时,水力动力波开始对阀施加作用,使阀向下移动。沿着工作腔移动的水力冲击波,由于有反射波的作用,继续增加幅度,直到阀顶到花键套为止。阀套由于惯性原因继续向下移动,压缩其弹簧。在阀和阀套之间形成间隙,冲洗液进入此间隙。工作腔中的压力急剧下降。阀在弹簧的作用下向上移动到原来位置。阀套由于惯性开始向下移动,压缩其弹簧,然后在压缩弹簧的作用下向上移动,直到与阀接触。冲洗液流关闭,产生新的水力冲击,振动循环如此继续。

ГУОН技术性能计算指标见表 1。

表 1 钻压水动力增效装置 ГУОН-89技术性能指标

图 1 钻压水动力增效装置 (ГУОН)试验样机

3 ГУОН试验结果、理论计算结果及其对比

试验工作是在乌克兰国立矿业大学探矿工程教研室钻探试验台上进行的 (见图 2)。钻机型号为З И Φ -650МЭ,水泵为 Н Б-32,均为无级变速驱动,因此,钻压水动力增效装置可以在性能参数广泛范围内进行试验。

冲洗液通过刚性供液管路阀门、压力表、空气缓冲器、水龙头进入试验装置。供水管路由直径 63.5 mm钻杆组成,总长度为 15 m。在试验装置上面安装了直径 50 mm、长 3 m的钻杆。利用这种供水管路,可以记录阀的工作行程长度 tp=0.032 s,不会产生畸变,即水力冲击波不受空气缓冲器反射的影响。

图 2 钻进试验台示意图

钻机可使管路刚性部分稳定,可以利用钻机来开 关 ГУОН。在水动力转换器上安装了速度传感器和压力传感器。压力传感器的位置可以在工作腔的上部或下部。从这 2个传感器传来的电信号,通过放大器传给示波器。为了测量和记录所研究的参数,使用了在研究范围内具有线性特征的无惯性转换器。

试验台试验的任务之一,是确定保证钻压水动力增效装置稳定工作的冲洗液合理流量。确定结构参数和工艺参数变化时调整工作特性能量指标的范围,也是研制钻压水动力增效装置的重要任务。

预先确定了这种装置与结构有关的固定参数。这些固定参数包括:冲洗液自由通过装置时的流量系数 (p0)和平均压力降 (pH)。清水通过装置流量为 240～300 L/min时进行的直接测量结果表明,流量系数 p0=0.94～0.95,平均压力降 pH=0.3～0135MPa,对于成批生产的水力冲击器来说,这是非常有代表性的。

在开始阶段,对工作过程的实验曲线和理论曲线是否吻合给予了很大注意。为此,直接记录了阀相对壳体的移动速度和工作腔中不同时间内的压力(见图 3)。图 3上的波形图记录了在试验台上当冲洗液流量 Q=235 L/min和结构参数为:阀的质量mk=8.5 kg,阀的行程 xk=12 mm,阀套行程 xBT=16 mm,阀的弹簧刚度为 zk=21000 N和阀套弹簧刚度zBT=4200 N情况下 ГУОН-89型钻压水力动力增效装置工作一段时间的情况。

图 3 工作腔上部阀速 (x’k)和压力 (pH)的波形图

对图 3上波形图上阀的压力曲线、速度曲线和图4上理论波形图进行对比表明,不仅工作腔内动压力跳跃式变化〔因工作腔内水力冲击波反射,见曲线 p=f(t)上的 1、2、3点〕情况一致,而且阀的非均匀 (跳跃式)移动变化〔见曲线 y=f(t)上的 1’、2’、3’点 〕也一致。按照特性点 A、B、D、C、E记录了曲线图上的各个时间:工作腔内波的行程 t,工作行程 tp,自由行程 tc,空程 tx和工作工程总时间 T。正确区分出了水动力装置工作循环的各个阶段。

图 4 工作循环期间内工作腔上部平面处冲洗液压力、阀和阀套移动速度变化理论曲线图

图 5给出了在水动力装置其它参数〔阀的行程为 21 mm、阀套自由行程为 5 mm和水泵流量范围更加宽 (1.5～4.5 L/s)〕情况下,所做的一系列试验阀速的综合波形图。

波形图处理结果见表 2。

为了准确评价试验资料和计算资料的吻合性,图 6上给出了用试验方法和计算方法得到的水动压力幅值与冲洗液流量的关系。图 6表明,水动压力幅值与冲洗液流量呈线性关系。用试验方法和计算方法得到的水动压力幅值的误差没有超过 23%。

实践证明,在试验研究中,水动压力增效装置在冲洗液流量为 90～300 L/min范围内和该装置在上述参数范围内,工作是稳定的。

图 5 水泵不同流量情况下阀速综合波形图

表 2 水泵不同流量情况下波形图处理结果

图 6 水动压力幅值与冲洗液流量的关系图

4 结论

(1)对计算得到的性能参数和试验得到的性能参数进行对比表明,物理模型和数学模型是相关的,因为误差没有超过 23%,即位于工程计算允许的范围内。根据钻压水动力增效装置的试验台测量结果,可以记录出该装置的基本参数,并区分出工作循环的各个行程。根据试验得到的分析解,可以预测出钻压水动力增效装置的能量特征参数。

(2)水泵的流量在 90～300 L/min范围内时,钻压水动力增效装置的工作是稳定的。工作腔内工作行程中水动压力的增量和水动压力施载的幅值,由于有水力冲击波受工作腔元件的多次反射而均带有跳跃性质。

(3)在阀的工作工程中,由于水动压力在工作腔中的增加,阀几乎是呈等加速运动的。

(4)工作行程的时间与冲洗液流量有关,冲洗液流量增加时工作行程的时间减短。

(5)水动力施载的幅值与水泵的流量 (在 90～180 L/min范围内)成比例,在此流量变化范围内水动力施载的频率平稳地由 16 Hz增加到 25 Hz。

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[2] 张也影.流体力学(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2002.

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Exper imental Research on Hydrodynam ic Amplifier of Drilling Pressure

TANG Feng-lin1,DUAN Long-chen1,Y.D.Bessonov2,WU Xiang1,DOU B in1,N ING Fu-long1(1.Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan Hubei 430074;2.Faculty of Geology and Prospecting,Ukrainian National Ming University,Dnepropetrovsk 49027,U-kraine)

In drilling engineeringpractice,sometimes it is necessary to increase drillingpressure for solving the problemsof drilling in complicated conditions and treating accidents.One selected drillingmachine only gives a constant feed pressure,but the specialists ofUkrainian NationalMingUniversity have developed a new hydrodynamic amplifier of drilling pressure based on the principles of hydrodynamics,which can solve the drilling difficulties in complicated conditions.The paper in-troduced theworking principle of hydrodynamic amplifier(ГУОН)and the technicalperfor mance index,the comparisonwas made be tween the testing results and theoretical calculation.

drilling pressure;hydrodynamics;amplifier;experimental research

P634

A

1672-7428(2011)06-0076-04

2011-02-11

世界著名学者来鄂讲学项目

汤凤林 (1933-),男 (汉族),辽宁义县人,中国地质大学 (武汉)教授、博士生导师,国际矿产资源科学院院士,俄罗斯工程院院士,俄罗斯自然科学院院士,探矿工程专业,从事探矿工程方面的教学和研究工作,湖北省武汉市鲁磨路 388号,fltang@cug.edu.cn;段隆臣 (1967-),男 (汉族),江西都昌人,中国地质大学 (武汉)工程学院勘基系主任、教授、博士生导师,探矿工程专业,从事探矿工程和金刚石制品方面的教学和研究工作,duanlongchen@163.com。