井下震源發(fā)生器設(shè)計及動力性能仿真

遲少林,馮進,張慢來,劉宇,何臻,李裴晨 (長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

叢式井廣泛應(yīng)用于海上平臺，其井數(shù)多、井距小，在對新油田進行井組布置或者對老油田井組進行加密調(diào)整時，要盡量減小井眼發(fā)生碰撞的可能性。叢式井井眼一旦發(fā)生碰撞，將導(dǎo)致套管破損、鉆井液泄露，若被碰撞的井為生產(chǎn)油井，則會直接影響油井產(chǎn)量，甚至停工停產(chǎn)[1,2]。因此，對施工井進行防碰檢測，找出可能發(fā)生碰撞的井，并采取相應(yīng)的措施變得尤為重要。通常情況下，震源信號由井下產(chǎn)生，通過井上信號接收裝置采集，對信號進行分析，獲取井下工具的相對空間位置后，再判斷兩井位置關(guān)系，從而有效避免井眼相碰帶來巨額的經(jīng)濟損失。工程上主要通過井眼軌道設(shè)計、隨鉆測量和防碰掃描等技術(shù)來減少事故發(fā)生，但井眼軌道設(shè)計中軌跡擬合方法存在過于理想而偏離實際，隨鉆測量時因鉆頭信號不穩(wěn)定或不足導(dǎo)致信號破譯失敗，防碰掃描作業(yè)中對井距監(jiān)測難以保證數(shù)據(jù)準確[3～5]。

從Bailey開發(fā)的連續(xù)鉆頭定位系統(tǒng)到美國Western Atlas International公司開發(fā)的TOMEXTM系統(tǒng)[6,7]，都是采用鉆頭破巖產(chǎn)生的震動作為震源，在硬巖鉆進方面發(fā)揮著不錯的作用，但在軟巖層產(chǎn)生的震源強度不足;劉剛等[8,9]設(shè)計的機械式井下震源能產(chǎn)生合適的震源強度，但由于操作費時繁瑣，限制了它的適用范圍;邵冬冬等[10]研制的水力脈沖鉆井工具，在斜井、大位移井等條件下能產(chǎn)生足夠的能量，但增加了井下施工的復(fù)雜性;李博[11]利用Matlab數(shù)值仿真軟件對YZX液動沖擊器性能仿真優(yōu)化，得出流量或沖錘質(zhì)量增加使得沖擊功、沖擊功率增加，但沖錘自由行程增加使得沖擊頻率、能量利用率降低;葉曉平等[12]通過Matlab獲取雙作用液動沖擊器的沖擊頻率等性能輸出結(jié)果和實際工況相仿;Tao Wu等[13]利用Ansys對潛孔錘沖擊應(yīng)力分析，認為用滑動軸承來優(yōu)化錘的結(jié)構(gòu)，新結(jié)構(gòu)的疲勞壽命問題可得到改善。鑒于此，筆者設(shè)計一種能產(chǎn)生強沖擊的機械式井下震源發(fā)生器，并基于流體力學(xué)理論，以沖錘為研究對象，建立了井下震源發(fā)生器的動力學(xué)模型，通過Matlab Gui進行數(shù)值模擬程序編制，得出井下震源發(fā)生器輸出性能變化規(guī)律，旨在為設(shè)計參數(shù)選擇提供理論依據(jù)。

1 井下震源發(fā)生器設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

井下震源發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由活塞、彈簧、固定套筒、沖擊錘、止推套筒、鐵砧和延時裝置等組成。止推套筒、鐵砧和下接頭是螺紋連接，而鐵砧與下接頭通過花鍵配合來實現(xiàn)軸向運動。

其基本工作原理是通過液壓裝置蓄能，彈簧力驅(qū)使沖錘沖擊鐵砧來產(chǎn)生較大震擊力。正常鉆進狀態(tài)時，井下震源發(fā)生器不會產(chǎn)生震擊作用，在鉆壓作用下，外筒和下接頭處于貼合狀態(tài)，只是作為鉆具的一部分傳遞扭矩和鉆壓，鉆井液推動活塞并帶動沖錘向上運動壓縮彈簧;當彈簧壓縮蓄能，而沖擊錘和活塞組合處于鋼球卡點處(見圖2)時，鋼球部分伸出卡住沖擊錘的弧形下端。為防止即拉即震或誤震，設(shè)計出液壓延時裝置，當微提鉆桿，延時裝置工作。待延時裝置結(jié)束延時后，止推套筒也相應(yīng)下行一小段距離，鋼球在彈簧力的作用下退縮到外筒體和固定套筒之間的腔體中，即卡點消失。彈簧能量釋放迫使沖擊錘和活塞組合迅速下行沖擊鐵砧(見圖3)，實現(xiàn)一次有效震擊。

1.2 設(shè)計特點

結(jié)構(gòu)簡單、易損件少且可更換?；钊到y(tǒng)運動形成液壓腔，在正常鉆進時，便可以實現(xiàn)彈簧蓄能，避免繁瑣操作;停止鉆進時，鋼球受到止推套筒的約束，在固定套筒的中凸出部分球體，形成卡點，避免沖擊錘沖擊鐵砧。液壓延時裝置是通過單向閥使鉆井液進入液壓腔，再通過細長縫壓出，時長根據(jù)需要可以調(diào)節(jié)，避免即拉即震或誤震。

2 井下震源發(fā)生器流體動力分析

2.1 井下震源發(fā)生器流體動力學(xué)理論基礎(chǔ)

在研究井下震源發(fā)生器沖錘動力時，需要以流體連續(xù)性方程和能量守恒為基礎(chǔ)來進行理論分析，同時要考慮壓力損失、摩擦阻力等影響因素。

1)連續(xù)性方程。連續(xù)性方程是流體力學(xué)中的一個基本方程，它是質(zhì)量守恒定律在流體力中的具體表現(xiàn)。對于不可壓縮流體，其密度ρ為定值時，其表達式為：

Q=v1A1=v2A2

(1)

式中：Q為流量，m3/s;A1、A2為不同過流面橫截面積,m2;v1、v2為不同過流面的平均流速,m/s。

2)伯努利方程。伯努利方程是流體運動時能量守恒和轉(zhuǎn)化規(guī)律的具體表達，是流體力學(xué)中最重要的方程之一。其表達式為：

(2)

式中：H1、H2為不同過流面的高度,m;p1、p2為不同過流面的壓強,Pa;h1為水頭損失,m;γ為流體重度,N/m3;g為重力加速度，m/s2。

3)水墊阻力。當沖錘高速下行時，沖錘流道腔內(nèi)流體并不能及時從排流面積較小的節(jié)流孔流出，腔內(nèi)流體會對高速運動的沖錘產(chǎn)生較大的水墊阻力。水墊的巨大緩沖阻力對沖錘的運動速度會產(chǎn)生比較大的影響。水墊阻力的計算公式[12]為：

(3)

式中：pd為節(jié)流環(huán)產(chǎn)生的水墊阻力，Pa;Aj為節(jié)流環(huán)面積,m2;Ac2為沖錘下端面面積,m2;vc為沖錘運動速度,m/s;ζj為節(jié)流環(huán)處的局部損失數(shù)，1。

4)壓力損失。流體在腔體內(nèi)流動時會隨著過水斷面變化而產(chǎn)生不同的能量損耗。壓力損失一般包括沿程水頭損失和局部水頭損失。

沿程水頭損失是均勻流體在過水斷面的面積和形狀不變的流道內(nèi)克服沿程摩擦阻力造成的，一般可用達西公式計算：

(4)

式中：hf為沿程水頭損失，m;λ為沿程水頭損失系數(shù)，1;d為管道內(nèi)徑，m;l為腔體流道長度，m;v為平均流速，m/s。

局部水頭損失是指由于管道過水斷面變化、或流體方向改變、或閥門等附屬裝置的作用，流體受到擾動后在管路局部范圍內(nèi)產(chǎn)生的能量損失，其計算公式為：

(5)

震源發(fā)生器沖錘流道是突然收縮的類型，參考流體力學(xué)及輸配管網(wǎng)[14]可?。?/p>

(6)

式中：hj為局部水頭損失，m;ζ為局部水頭損失系數(shù),1;v為產(chǎn)生局部損失后的緩變流斷面的平均流速，m/s。

5)機械摩擦力Ff。沖錘和沖錘流道之間的摩擦力主要為滑動摩擦力，與密封件的工作壓力、壓縮量、材料硬度、接觸面積、表面粗糙度、運動速度和溫度等因素關(guān)系較大。其經(jīng)驗估算公式[15]為：

Ff=μπdhp

(7)

式中：μ為接觸面摩擦系數(shù),1;h為沖錘有效寬度,m;p為沖錘的工作壓力,Pa。

6)沖錘浮力Fb。計算公式為：

Fb=ρgV

(8)

式中：ρ為鉆井液密度,kg/m3;V為沖錘體積,m3。

2.2 沖錘動力學(xué)模型

根據(jù)井下震源發(fā)生器工作原理，基于流體動力學(xué)理論基礎(chǔ)，以震源發(fā)生器垂直狀態(tài)建立動力學(xué)模型，利用Matlab Gui進行數(shù)值模擬程序編制，沖錘作為震源發(fā)生器核心動力部件，主要研究其下行沖擊階段動力性能。

1)受力情況分析。如圖4,沖錘受力因素主要有重力G、沖錘下端面壓力p1、沖錘上端面彈簧力F、水力阻力Fs：

G=mcg

(9)

p1=p2+pd

(10)

(11)

(12)

式中：mc為沖錘組合質(zhì)量,kg;p2為背壓,MPa;k為彈簧剛度系數(shù),N/mm;x0為沖錘總行程,m;x為沖錘任意時刻的位移量,m;Cs為流體阻力系數(shù),1。

2)沖錘運動微分方程。加速度、速度、位移微分方程分別如下:

(13)

(14)

(15)

式中：v0為初始速度,m/s。

3 沖錘動力性能仿真程序開發(fā)

利用有限差分原理，將沖錘的運動周期分割為大量的時間微段，對沖錘在下行階段的動力學(xué)方程迭代計算，求得沖錘在微段內(nèi)的加速度、速度和位移，再根據(jù)這些參數(shù)反求水墊阻力、水力阻力等，并將這些參數(shù)作為下一時間微段的起始狀態(tài)參數(shù)，如此循環(huán)計算，直至計算出最終結(jié)果。以沖錘速度方向判斷沖錘運動能否沖擊鐵砧，以沖錘流道長度來限制沖錘的位移，仿真軟件的程序流程如圖5所示。

利用Matlab強大的計算能力和繪圖能力，以Matlab Gui為平臺進行數(shù)值模擬程序的編制[16,17]。程序中參數(shù)輸入界面如圖6所示，設(shè)置了基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)和水力參數(shù)的輸入項，如流量、背壓、沖錘結(jié)構(gòu)等，通過對這些參數(shù)的不同設(shè)計組合，并根據(jù)設(shè)計目標進行參數(shù)優(yōu)化，研究井下震源發(fā)生器動力性能輸出規(guī)律(見圖7、圖8、圖9)。

從圖8 和圖9可以看出，沖錘速度曲線呈先增后減的趨勢變化，即存在最優(yōu)值。因此，以沖錘速度為優(yōu)化目標，通過對沖錘結(jié)構(gòu)參數(shù)和水力參數(shù)的調(diào)整組合，就可以得到井下震源發(fā)生器的最佳輸出性能。

4 彈簧剛度對井下震源發(fā)生器輸出性能的影響

彈簧是井下震源發(fā)生器的主動力蓄能裝置，沖錘沖擊功等輸出性能主要由彈簧勢能決定，有必要對不同彈簧剛度對沖錘的動力性能影響進行研究。以沖錘最佳輸出性能，即最大沖擊功、最大沖擊效率等為優(yōu)化目標，進行井下震源發(fā)生器的動力性能優(yōu)化并改進。沖錘的單次最大沖擊功W和對應(yīng)的沖擊效率η計算公式如下：

(16)

(17)

式中：vmax為最大速度,m/s;F為彈簧力,N;x為任意時刻位移,m。

沖錘欲獲得最大輸出性能，則應(yīng)該在彈簧形變范圍內(nèi)運動，故以彈簧實際行程為運動行程。彈簧實際行程如表1所示。

表1 彈簧相關(guān)參數(shù)表

當鉆井液密度分別為1200、1100kg/m3時，可以求出不同彈簧剛度時沖錘的輸出性能值。這里以彈簧剛度為48.95N/mm時為例，計算沖錘的各項輸出性能值，即沖錘的速度、位移、沖擊功、沖擊效率，通過Origin繪圖軟件對沖錘的輸出性能數(shù)據(jù)處理，得出規(guī)律曲線如圖10所示。從圖10可以看出，在沖錘運動行程內(nèi)，隨著時間的變化，沖錘的速度變化趨勢是先增后減，這是由于彈簧力逐漸減小，而流體阻力相對增加，導(dǎo)致沖錘加速度逐漸變小的緣故;沖錘位移符合勻加速運動規(guī)律，沖錘沖擊功變化趨勢與沖錘速度變化趨勢相似，這是由于沖錘沖擊功與速度的平方呈正相關(guān)的緣故;沖錘沖擊效率呈遞減趨勢，這是由于彈簧的彈性勢能和沖錘的重力勢能不只是轉(zhuǎn)化為沖錘的動能還轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，導(dǎo)致沖錘的動能增加量相對勢能減少量降低的緣故，而斜率絕對值變化先增加后減小，是由于阻力在沖錘運動的前期阻礙能力逐漸增加之后趨于穩(wěn)定的緣故，而沖錘沖擊效率后期遞減緩慢驗證了這一點。

沖錘在密度分別為1100kg/m3和1200kg/m3的鉆井液中工作時各輸出性能值的變化規(guī)律相似;鉆井液密度較低時，沖錘的輸出性能比密度高時的更好，即最大速度增加2.88%，最大沖擊功提高5.85%，最大速度對應(yīng)的沖擊效率提高4.58%，但達到最大速度所對應(yīng)的位移相應(yīng)增加1.73%，而沖錘總行程123mm，達到最大速度時實際行程不足70mm，故增加的位移可忽略影響。取不同彈簧剛度，改變水力參數(shù)，求得沖錘各項輸出性能，如圖11所示。

從圖11可以看出，隨著沖錘彈簧剛度的增加，沖錘的最大速度呈現(xiàn)遞增趨勢，而沖錘位移則隨著沖錘彈簧剛度的增加呈下降趨勢，彈簧剛度越大，達到最大速度的位移越短;沖錘的最大沖擊功和沖擊效率均呈遞增趨勢。當彈簧剛度為58.47N/mm時，沖錘最大速度、最大沖擊功的增量較為明顯，而沖擊效率降低，這是由于沖錘運動行程加長，阻力做負功，沖錘的動能增加量相對勢能減少量降低的緣故;沖錘的位移較大是和彈簧的選型有關(guān);彈簧剛度受到彈簧設(shè)計參數(shù)約束，彈簧剛度不能一直增大，一方面井下震源發(fā)生器的內(nèi)徑是受限制的，則只能盡量選擇較大彈簧剛度的彈簧;另一方面，當彈簧剛度大于76.3kN/mm時，沖錘沖擊效率下降且沖錘位移增加，故彈簧剛度為76.3kN/mm時，沖錘的輸出性能可達到最佳;能產(chǎn)生的最大沖擊功為264.14J;所對應(yīng)的沖擊效率為50.41%;最大沖擊速度為2.97m/s;所對應(yīng)的位移為64.5mm。

當沖錘撞擊到鐵砧時，將產(chǎn)生非常強勁的沖擊力，撞擊簡化為彈性碰撞，則沖錘以速度v撞擊鐵砧后反彈，求鐵砧所受到的最大沖擊力問題。由沖量定理可知：

FdΔt=2mv

(18)

式中：Fd為沖擊力，kN; Δt為沖擊時間，s。

根據(jù)已有的試驗數(shù)據(jù)[8,9]，機械式震源發(fā)生器產(chǎn)生的震擊力達到51.1kN,能滿足防碰監(jiān)控的需求。井下震源發(fā)生器的最大震擊力為71.28kN，滿足叢式井防碰監(jiān)控的需求。

5 結(jié)論

對井下震源發(fā)生器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、流體動力分析，并通過Matlab Gui進行沖錘輸出性能數(shù)值模擬程序編制，最后分析在不同密度鉆井液情況下彈簧剛度對沖錘輸出性能的影響，得到如下結(jié)論：

1)設(shè)計的井下震源發(fā)生器操作簡單，可靠性高。利用鉆井液對彈簧的間接作用力實現(xiàn)可提前蓄能，通過接卡延時后，能對鐵砧進行有效地沖擊。

2) 建立沖錘的動力學(xué)模型，通過數(shù)值模擬程序編制，能直觀地看出井下震源發(fā)生器輸出性能圖;改變設(shè)計參數(shù)的組合方式，能得出震源發(fā)生器輸出性能變化規(guī)律。

3) 彈簧剛度越大，沖錘最大速度、最大沖擊功和沖擊效率越大，而沖錘位移越小，但彈簧剛度受設(shè)計參數(shù)約束，只能盡可能取較大值，這為井下震源發(fā)生器的設(shè)計參數(shù)選擇提供了理論依據(jù);鉆井液密度較低時，井下震源發(fā)生器的輸出性能較好,且滿足叢式井防碰監(jiān)控的需求。