YSC178A型液动锤射流元件底盖板外壁冲蚀机理

应用CFD动态分析技术,对具有内分流结构的YSC178A型液动锤的速度场进行了研究,分析了不同形状不同尺寸的分流孔对速度场的影响。研究发现:在一定直径的圆柱形分流孔出口处附近存在分流流束附壁现象,且附壁的分流流束特征与冲蚀坑的形状和大小之间有较好的对应关系,表明YSC178A型液动锤射流元件底盖板外壁出现冲蚀坑是由从一定直径的圆柱形分流孔喷出的分流流束附壁冲蚀造成的;分析结果还显示,喇叭形分流孔大大优于圆柱形分流孔,足够长且出口直径较大的喇叭形分流孔,其出口处附近流束附壁现象大幅度减轻以致消失,可以大幅度降低高速射流能量并减弱分流流束对底盖板外壁的冲蚀,避免出现显著冲蚀坑。

射流式液动锤高压腔内液体压力的数学模型

为了定量分析活塞冲锤的运动状态,实现射流式液动锤性能的优化设计,以冲击式水轮机力学模型为参考,根据经典的流体力学基本定理,推导出了射流式液动锤高压腔内液体压力的数学表达式。利用以此数学表达式为核心的射流式液动锤数学模型进行计算机模拟仿真分析,得到了与实测曲线较为接近的射流式液动锤前、后腔液体压力变化曲线,表明该模型可以较准确地反映射流式液动锤的内部动力过程。

液动锤射流元件喷嘴临界流速预测与验证

应用CFD动态分析技术,对SC71B型液动锤内部流场进行了仿真分析,结果表明,其射流元件临界流速为20.305～22.565 m/s,大大低于凭经验预测的40 m/s。为检验这一理论预测结果,对SC71B型液动锤射流元件临界流速进行了实验测定,为21.83 m/s,表明理论预测结果与实测结果高度吻合,证明了基于CFD动态分析的液动锤射流元件临界流速理论预测方法的可行性;同时通过理论分析和实测获得了至今为止液动锤射流元件临界流速的最低值,可为研制油气钻井用低速射流元件驱动控制的液动锤提供重要参考。

基于CFD的高能射流式液动冲击器活塞与缸体密封特性研究

通过计算流体动力学分析与实验室测试,对SC-86H型高能射流式液动冲击器活塞与缸体密封特性进行研究,分析了活塞密封段长度、环状间隙尺寸、活塞往复运动速度、角速度以及活塞外表面螺旋槽螺距与半径等参数对射流式冲击器前后腔之间泄漏量的影响。结果表明:活塞密封段长度、环状间隙尺寸、角速度以及活塞表面螺旋槽螺距均对射流式液动冲击器性能影响较小;活塞运动速度与泄漏量近似成正比例关系;随着活塞螺旋槽半径的增大,泄漏量会明显增大。活塞回程与冲程初期阶段,活塞运动速度较小,活塞处瞬时泄漏量占进入缸体前后腔流体流量的比例较大,使活塞无法快速加速运动,尤其是当活塞杆直径较大时,回程阶段泄漏量对活塞运动的影响更显著,导致冲击器工作性能大幅下降,甚至无法工作。

射流式液动锤回转冲击孕镶金刚石钻头钻进的实践与分析

金刚石本身力学性质、金刚石钻头结构特点及射流式液动锤冲击力特点决定了射流式液动锤带金刚石钻头进行冲击回转钻进是可行的。经射流式液动锤在科学钻探主孔先导孔中的应用实践,证明了由于液动锤冲击动载作用钻头底唇面与岩面微量间隙有规律地变化,改善钻头金刚石颗粒受力状况、碎岩状态,提高钻头金刚石颗粒切入深度,改善胎体磨损状况、钻头冷却,成倍地提高了榴辉岩、片麻岩等坚硬地层中钻进回次进尺、机械钻速及钻头平均寿命。

不同环境压强下激光空泡溃灭射流的实验研究

为了研究环境压强对固壁面附近激光空泡溃灭射流的影响,采用光偏转方法对固体壁面附近空泡溃灭行为进行了实验研究,得到了不同环境压强下空泡的溃灭时间、溃灭射流冲击压强。结果表明,相同激光能量下,环境压强对空泡溃灭时间、射流冲击压强都有非线性的影响关系,环境压强越大,溃灭时间越小,射流冲击压强越大;在空泡溃灭的前期,泡壁加速率较小且受环境压强的影响较小;在溃灭的后期,射流形成,空泡上表面泡壁中心点速率迅速增大,且相应阶段的加速率随着环境压强的增大而增大。这一结果对激光水下加工及空泡动力学的研究有积极的意义。

活塞冲锤主要参数对射流元件临界流速的影响

应用CFD动态分析技术,以SC71B型射流式液动锤为研究对象,研究了活塞直径、活塞杆直径、活塞冲锤质量和行程对射流式液动锤射流元件临界流速的影响,并进行了实验验证。结果表明:理论预测值与实测值相对误差小于7.5%,精度远高于以往经验估计;射流元件临界流速随着活塞直径的增加而降低,随着活塞杆直径和活塞冲锤质量的增加而升高,与行程大小无关。以SC71B型射流式液动锤为例,为降低射流元件临界流速以减轻冲蚀,应设计40～42 mm的活塞直径、23～26 mm的活塞杆直径和11.2～23.5 kg的活塞冲锤质量。活塞直径增加23.5%时,射流元件临界流速降低了2/3;活塞杆直径增加60%时,射流元件临界流速提高了近4倍;活塞冲锤质量增加5倍时,射流元件临界流速只增加了1倍。

基于Ls-Dyna的高能射流式冲击器活塞杆回程应力分析

针对在钻探实践中高能射流式冲击器的活塞杆频繁出现尾部塑性变形严重影响冲击器工作性能和整体寿命的现象,拟对活塞杆进行优化改进。利用非线性动力学仿真软件Ls-Dyna对活塞杆的回程撞击缸体进行数值模拟和优化分析,并进行了室内试验,结果表明:冲击末速度为4 m/s,活塞杆回程撞击缸体强制停止运动瞬间,尾部产生的应力集中值为3 339.28 MPa,导致其破坏;优化改进后,活塞杆上下端直径比为17/16、尾部圆弧直径为60 mm,活塞杆体内的应力集中值为1 419.66 MPa,较改进前活塞杆的应力集中值减小58%。试验验证表明,优化后的活塞能大幅提高使用寿命和耐久性。

基于Ls-dyna的射流式冲击器冲锤结构

基于Ls-dyna显式非线性动力学分析方法,建立"冲锤-钻头-岩石"碰撞模型,对射流式冲击器冲锤结构参数进行研究.分析等速度等质量冲锤与不同种类岩石撞击时,冲锤长度及直径变化对能量传递的影响.结合应力强度分析,探讨射流式冲击器冲锤合理结构.研究结果表明:岩石吸能值随冲锤直径减小单调提升;冲锤长度存在最优值,超过或低于最优值,岩石吸能值均减少;岩石可钻性等级或冲锤冲击末速度越高,冲锤结构改变对碎岩影响越小;最大应力始终出现在钻头尾部,相对面积小的撞击面边沿会出现应力集中,冲锤设计需兼顾钻头许用强度.

高能射流式液动锤在花岗岩中的钻进研究

由于干热岩地层通常为火成岩,研磨性强、可钻性差,现有常规工艺方法钻进效率低,为此专门研制了用于干热岩钻进用的SC-86H型高能射流式液动锤,并对该高能射流式液动锤样机进行了地面钻进试验。试验采用可钻性等级为10级的完整花岗岩作为钻进对象,观测了冲锤质量、活塞行程和泵量对机械钻速的影响。试验结果表明:增大冲锤质量、活塞行程和泵量有利于提高机械钻速。试验过程中获得的最大机械钻速为5.19m/h,较常规回转钻进机械钻速提升显著。

基于LS-DYNA的射流式液动锤活塞回程缓冲结构的研究

为了减弱射流式液动锤活塞回程撞击缸体的应力波对射流元件的破坏,延长射流元件的寿命,提出在缸体中设置碟簧缓冲结构来吸收冲锤回程的冲击能,并应用LS-DYNA显示动力学分析手段,对活塞回程进行仿真分析,探究碟簧缓冲对射流元件受力状态的影响,结果表明：采用碟簧缓冲结构,射流元件的最大应力可降低40%~57%,有效改善了射流元件的应力状态,在液动锤实际工作中具有可行性。

射流式液动锤冲击功非接触测量系统

介绍了基于霍尔传感器、单片机和微机的射流式液动锤冲击功非接触测量系统的原理与结构组成。实际应用结果表明,该系统具有测试精度高、可靠性强、使用方便等优点。

脉冲液-气射流泵基本性能试验

在相同的液-气射流泵实验装置上,采用脉冲和恒定工作液体射流,对液气射流泵的基本性能进行了试验研究。结果表明,对于恒定液-气射流泵存在一种最优工作压力,而脉冲液-气射流泵在同一脉冲频率、不同工作压力下的性能曲线基本重合;采用脉冲工作射流可以产生水锤效应,正是这种水锤效应,使得脉冲液-气射流泵在低于试验系统提供的极限压力0.1～0.15 MPa的工作压力范围内,液-气射流泵的工作效率可以提高4%～15%。

一种新型射流式液动锤的应用

液动脉冲旋转钻井技术是解决硬岩钻进难题最有效的方法之一,近年来再次成为各国钻井专家广泛关注的热点。液动冲击器应用于石油钻井具有大幅度提高地层钻井效率,降低钻井成本;减少井眼偏斜,提高钻井质量;减弱钻柱振动,避免钻柱的蹩跳现象等优点。从YD-1型新型射流式液动锤结构及工作原理、内部活塞冲锤运动、现场试验等方面进行分析研究,进一步说明该新型射流式液动冲击器在提高钻井速度、降低钻井成本、延长钻头使用寿命等方面具有重要作用。

分流孔直径对射流式液动锤性能的影响

为了对射流式液动锤内分流结构进行优化设计,应用CFD(computational fluid dynamics)动态分析技术,研究了分流孔直径对射流式液动锤冲击性能参数和射流元件喷嘴处过流断面平均流速的影响,并进行了实验验证.结果表明:不同分流孔直径条件下,冲击功理论计算值与实测值最大相对误差不大于10%,冲击频率理论计算值与实测值最大相对误差小于11.5%;冲击功随着分流孔直径的增大近似以抛物线形式下降;冲击频率和射流元件喷嘴处过流断面平均流速随着分流孔直径的增大近似呈线性下降趋势.该研究解决了此前在设计阶段无法计算分流条件下液动锤性能参数和射流元件喷嘴处平均流速大小的问题,可为油气钻井用射流式液动锤内分流结构的优化设计提供参考.

液压卡紧对射流式液动锤性能的影响

运用CFD动态数值模拟方法,计算新一代射流式液动锤试验样机的性能参数,并将其与实测结果进行对比。结果表明：若不考虑液压卡紧引起的摩擦力,射流式液动锤冲击频率、冲击末速度和冲击功计算值分别是实测值的1.853-1.898倍、2.024-2.107倍和4.097-4.439倍;将由液压卡紧效应引起的摩擦力考虑在内,冲击频率、冲击末速度和冲击功计算值分别是实测值的1.218-1.439倍、0.936-1.171倍和0.876-1.371倍,大幅度提高了数值计算结果与实测值之间的吻合程度。这说明液压卡紧引起的轴向摩擦力,大幅度增加了活塞运动阻力,减小了其加速度和速度,进而显著降低了冲击功和冲击频率等性能参数。设法减小甚至消除液压卡紧力的影响可望成为提高射流式液动锤冲击功和能量利用率的新途径。

碟簧对射流式冲击器密封影响研究

以SC-86H高压高能射流式冲击器为研究对象,通过密封试验及ANSYS-LSDYNA有限元分析手段,研究了碟簧对用于端面密封的密封圈密封性能的影响。结果表明:在高压流体环境下,碰撞后碟簧变形会引起密封盖与射流元件密封配合面出现分离间隙,而较大的间隙张开量是导致密封圈失效的关键。间隙张开量与碟簧叠合数量负相关,当碟簧叠合数量为三片以下时,最大间隙张开量大于0.187 mm,密封圈损毁失效;当碟簧叠合数量为四片时,最大间隙张开量为0.086 mm,密封圈存在较高的失效风险;当碟簧叠合数量达到五片以上时,最大间隙张开量小于0.049 mm,可保证密封圈密封长期有效。此外,随着碟簧数量增加,碟簧中最大应力下降,三片碟簧叠合可满足碟簧的应力强度最低要求,考虑到疲劳及密封,碟簧数量应选择五片以上。

运动副配合间隙对射流式液动锤性能的影响

在活塞杆外径尺寸和缸体内径尺寸确定的情况下,通过更换不同尺寸的缸盖和活塞,观测了射流式液动锤运动副配合间隙变化对其性能影响的规律。观测研究结果表明:(1)当活塞与内缸配合间隙为常规设计值时,随着活塞杆与缸盖配合间隙的加大,在一定范围内冲击频率降低较平缓,超过一定范围后冲击频率随配合间隙的加大而迅速降低;(2)当活塞杆与缸盖配合间隙为常规设计值时,随着活塞与内缸配合间隙的加大,冲击频率几乎成线性迅速降低;(3)输入流量的增加不能改变配合间隙对冲击频率影响的趋势;(4)在数值相同的情况下,活塞与内缸配合间隙对冲击频率的影响比活塞杆与缸盖配合间隙的影响更为显著。

冲锤处流体阻力对高能射流式液动锤性能影响

应用计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)动态分析技术,对SC-86H型高能射流式液动锤试验样机流场特性进行了研究,计算得出了相关性能参数,并通过实验装置对液动锤不同输入流量下的冲击频率进行了测试。将液动锤冲击频率的模拟计算结果与实测结果进行了对比,结果表明:若不考虑冲锤处流体阻力的影响,液动锤冲击频率计算值与实测值相比明显偏大,最小相对误差达18.9%;而将冲锤处流体阻力的作用考虑在内,冲击频率的计算值与实测值比较接近,最大相对误差为8.0%,大幅提高了数值计算结果与实测值之间的吻合程度。这说明冲锤高速运动产生的轴向流体阻力不容忽略,设法减小冲锤处流体阻力的大小,有望成为提高高能射流式液动锤冲击功和能量利用率的重要途径。

新型射流式元件结构设计与试验研究

射流式液动锤由于其具有钻进效率高、钻进深度不受限制等优点被成功应用于油气钻井领域。然而由于射流元件在复杂受力条件下极易破损,严重制约了射流式液动锤的使用寿命。为解决此问题,对射流式液动锤射流元件受力情况进行了数值模拟分析,通过分析射流元件内部应力场分布情况,得出了射流元件破损机理,并设计了新型两体式射流元件。模拟分析研究表明,采用新型两体式射流元件可将元件内最大应力值降低一个数量级,使射流元件受力情况明显改善,可有效地提高其使用寿命。