水力加压器结构优化设计及有限元仿真
作者单位：长江大学
学位级别：硕士
导师姓名：冯定;侯作富
授予年度：2016年
学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 082001[工学-油气井工程] 08[工学]
摘 要：随着大斜度井、水平井钻井工艺技术的日趋成熟和小井眼井技术的应用和发展,受井斜角增加、井壁摩阻大及小尺寸钻具刚性差等因素影响,常规钻井中传统的依靠钻柱重力施加钻压的方法已经不能很好地满足施工需要。为此,研制出一种利用柔性水力施加钻压的井下工具——水力加压器。水力加压器一般应用在大位移井、水平井的钻井和修井作业中,以达到岩石预破碎、清洁井底的目的。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,是一种能够把高压泥浆提供的压力转化为破碎岩石的钻压的能量转换装置。传统的钻井,是靠下部钻铤施加破碎岩石的钻压。而水力加压器是通过与钻头和其他工具实现连接,从而实现柔性加压。与传统的刚性加压的钻铤钻井相比,水力加压器的钻井效率更高,钻井质量更高,成本更低。使用水力加压器可提供平稳的钻压,减轻钻具的轴向振动,减少钻具的疲劳失效,延长钻头的使用寿命,提高机械钻速,同时还可以减少钻铤的使用数量。较好地解决了水平井、大位移延伸井等的钻压施加问题。在定向井和水平井钻进过程中,经常由于岩屑床、井眼轨迹不圆滑、钻井液性能差等原因,钻柱与井壁的摩擦作用大,导致大钩减小的负荷一部分为钻柱与井壁的摩擦,剩余的部分才加在钻头上。这种托压现象将会大幅度降低钻井速度,形成不安全隐患,增加钻井作业风险。在我国应用水力加压解决托压问题已有几十年的历史,但并没有得到很好的效果,因此,设计研究新型水力加压器具有重要的意义。本文在对在充分调研分析国内外水力加压器发展现状及存在问题的基础上,提出了水力加压器的优化设计的思路,并进行了相应的研究,主要包括以下几个方面：(1)调研国内外水力加压器的研制与应用情况,了解其不足及其存在问题,分析其改进思路及技术方法。(2)对水力加压器的工作原理进行研究,同时分析各个零部件的设计原理,并结合钻井现场的实际情况进行各个参数的研究。(3)查阅相关国家行业标准,对水力加压器在参考以往的类似装置基础上进行结构设计,对不合理或者能够改进的部分进行优化。同时,对设计后的水力加压器进行各个参数的校核。对水力加压器进行了优化设计：第一,将六方钻杆改为圆形管柱,在其外表面具有外花键,而在缸体上加工有内花键,两者通过花键实现配合并起到传递扭矩的作用,避免了卡死现象的发生。主缸体与主活塞杆采用花键联接,减小了传递扭矩时的接触压力,减轻钻具纵向振动,更好的保证了钻具的安全性。第二,设计了一套调压系统,通过改变阻流矛塞和阻流环的过流截面积来调节钻压,有效的解决了钻具下放过快时压紧液缸以及钻具下放过慢时钻头空转降低钻井效率的问题。同时,本文对水力加压器进行力学分析和有限元仿真,对水力加压器进行了钻压计算,对水力加压器的主要部件主活塞杆和主缸体进行计算和接触分析和有限元仿真,以确保水力加压器的安全使用。该课题对实际工程问题具有一定的指导作用。
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