行人腿型冲击器肌肉材料参数反求

aPLI先进行人腿型冲击器在碰撞测试中的生物仿真度,在很大程度上取决于其几何结构及其模拟腿部肌肉的合成橡胶的超弹性力学特性。根据橡胶准静态单轴压缩试验数据,分别对用于表述橡胶超弹性的Ogden和Mooney-Rivlin本构模型进行材料参数拟合,得到相应的材料参数并将拟合曲线与试验曲线进行比较,对比不同本构模型的拟合精度。结果表明,2阶Ogden材料模型更符合试验结果。为提高有限元模型中肌肉橡胶材料参数的准确性,重构压缩试验有限元模型,以拟合得到的2阶Ogden本构模型材料参数为初始值,通过将有限元与优化策略相结合,基于自适应响应面法对2阶Ogden模型中μ1、α1、μ2、α2这4个材料参数进行优化,获得该材料在准静态压缩状态下的一组最佳材料参数。

机械式复合冲击器的工作特性分析

常规冲击器采用的水力脉冲方法存在的冲蚀问题对冲击器的工作寿命影响较大。为此,提出一种机械举升及碟簧蓄能冲击方法并设计了一种机械式复合冲击器,通过实例模型验证了机构的可行性,在此基础上采用理论计算与数值分析相结合的方法对其压缩蓄能、扭冲、轴冲特性展开分析。研究结果表明:在10~100 MPa轴向压缩下,数量为11的碟簧组其总变形量增长率是数量为5的碟簧组变形量的约2.66倍,但其等效应力曲线特性相近;扭冲特性与径向冲击力成正比,下轴体端面总速度和总变形量与冲击力均呈线性相关,4对扭转冲击力作用的端面总速度约是2对的2.54倍;摆线轨迹线的举升座在30 r/min的运动状态下,12 mm冲程的最大冲击速度为0.2 m/s,最大冲击加速度为5.6 m/s^(2),为防止冲击过程接触应力过大需合理选择冲程大小,可通过增加扭冲对数、提高组合碟簧数量来增强冲击特性。研究结果可为复合冲击器的设计选型提供理论支撑。

潜孔冲击器钎头合金齿装配过盈量分析

潜孔冲击器钻进效率高成孔质量好广泛应用于各类成孔作业。冲击器工作过程中钎头受到活塞的高频次撞击和地层的反扭矩作用,钎头掉齿是主要失效问题。根据某石灰石矿场钎头的掉齿失效,分析了合金齿掉齿失效机理,基于厚壁圆筒理论、Tresca屈服条件和全增量理论等理论,分析并计算合金齿极限过盈量,确定过盈量合理范围。通过有限元仿真,模拟分析合金齿过盈装配过程。研究表明,过盈量不够导致固齿力小于脱齿力是发生掉齿的主因,通过分析对比理论计算与仿真模拟结果,得到合金齿装配优选过盈量为0.065 mm,能有效防止掉齿、脱齿现象发生。改进的钎头投入使用后,使用寿命较上一代有较大提升,对后续潜孔冲击器的设计与应用有一定的指导意义。

轴扭耦合冲击器结构设计与室内试验

为提高PDC钻头切削齿在硬地层中的吃入深度、消除扭转振动带来的危害,在自激换向式扭冲总成结构的基础上,增设水力脉冲式轴冲总成,利用扭冲总成拨叉带动轴冲总成动盘阀同步旋转,使过流面积发生周期性变化,产生水力脉冲轴冲载荷,与扭冲载荷一起形成轴扭耦合冲击,设计出一种结构简单、冲击频率相同的新型轴扭耦合冲击器。同时,基于能量转换与守恒定律,建立了冲击器性能参数数学模型,并开展了轴扭耦合冲击器性能参数室内试验。试验结果表明,该轴扭耦合冲击器的压降、轴冲载荷与流量平方呈正比,扭冲载荷、冲击频率与流量呈线性增大关系,最大相对误差仅7.91%,验证了该数学模型的准确性。研究结果可为同类冲击钻井工具的开发提供理论指导。

深部地层扭力冲击器破岩提速效果评价及应用

中深层是渤海油田进一步勘探开发的重点,但在钻探过程中面临各种各样的挑战,其地层抗压强度高,破岩难度大,机械钻速低,钻井周期长等特点导致渤海中深层勘探经济性差。为了解决中深层钻具憋跳严重及机械钻速慢的问题,渤海油田引入了扭力冲击器提速工具,为定量认识提速机理,建立了扭力冲击器的扭转力学特性模型,通过Abaqus有限元软件模拟了在扭冲条件下,PDC钻头的破岩过程,分析静载与扭冲条件下的破岩比功。结果表明,安装扭力冲击器后的破岩效率可提高约36%。在渤海某探井实现了现场实施,机械钻速提升了73%。研究成果对渤海油田中深层钻进提速及参数优化有一定的参考意义。

一种新型无阀式中高气压潜孔冲击器的设计

气动冲击器中,有气缸进气座内置式、外置式配气方式,尽管这两种方式结构合理,占据国内大部分的市场份额,但存在冲击器的内缸加工困难、制造精度低,冲击器内部气路弯道多影响冲击效率,整机重量大的缺点。文中较详细介绍了此类冲击器的改进,改进后冲击器的可靠性明显提高,主要零件的制造难度降低,整机重量减少2.75kg,获得实用新型专利。

潜孔冲击器非线性动力学建模

潜孔冲击器在工作过程中,气源压力进入工具中驱动活塞做高频高速的轴向往复运动,并冲击钎头使其进行破岩钻进。首先,以无缸潜孔冲击器为例,结合其结构特点分析工作原理;其次,基于计算流体力学、热力学和应力波传递相关理论,考虑气体的压力、温度和密度的变化,分别建立了气室气体的瞬变流模型、绝热模型以及活塞的冲击回弹模型;然后,基于活塞的运动状态和气室气体状态,将潜孔冲击器1个运动周期分为11个不同阶段,结合上述3个模型和活塞的运动学方程,建立了完整的潜孔冲击器的非线性动力学模型;最后,基于该模型对实际算例进行计算。结果表明,活塞运动参数、气室压力数值变化与潜孔冲击器的工作原理与运动学规律一致。对潜孔冲击器的设计与研发提供研究基础与方法,为相关工具的动力学模型和仿真模型的建立提供参考。

应力松弛影响下液动冲击器往复密封性能研究

液动冲击器在硬地层钻进中有良好的应用效果,高温高压极端工况下往复密封的密封性能对液动冲击器的寿命有重要影响。为此,考虑高温高压影响下橡胶材料应力松弛特性对密封性能的影响,结合液动冲击器的工况参数,通过压力渗透的加载方式对组合密封进行仿真,得到了钻井液压力、密封压缩率和钻井液温度等参数对组合密封主密封面接触压力的影响。研究结果表明:随着钻井液压力的增大,往复密封最大Mises应力和最大应变均逐渐增大,但当钻井液压力达到15 MPa以后,其增长趋势逐渐放缓;随着压缩率的增大,主密封面的有效接触长度逐渐增大,而且当压缩率达到15%时,主密封面的两端均出现较大值;高温环境下组合密封的有效接触长度小于常温,高温会降低动密封的可靠性。所得结论可为液动冲击器的现场应用和性能优化提供参考。

液压冲击器配合间隙出口流速的影响因素权重分析

为了分析液压冲击器配合间隙出口流速的影响因素权重,以平行平板泄漏机理为理论依据,首先通过SPSS软件将间隙高度、锥度、密封长度、压差4种因素进行正交试验设计,产生16组不同水平因素的组合进行Fluent流场仿真;其次通过控制变量法将各单因素对配合间隙出口流速的影响进行分析;最后都使用极差法对上述仿真结果进行权重分析。两种方式结果都表明,间隙高度、锥度和压差与液压冲击器配合间隙出口流速呈正相关,而密封长度与之呈负相关;间隙高度对出口流速的影响最大,其次为密封长度,而压差和锥度对其影响最小。这为液压冲击器减少配合间隙泄漏冲蚀的设计提供了参考。

扭力冲击器复合钻进工艺在干热岩钻井中的试验应用

扭力冲击器在石油、天然气行业钻井中得到广泛应用,具有提速增效的作用。而干热岩钻井工作环境不同于油气钻井,面临着高温、高压、硬岩、强研麿性以及深井、超深井等问题,因此对扭力冲击器进行了针对性设计,并进行试验应用。在扭力冲击器2次入井试验中,对硬-极硬岩地层进行了不同钻具组合下的钻进试验,确定了扭力冲击器对钻进效率的影响机理。结果表明:(1)扭力冲击器能够消除螺杆钻具因离心惯性力造成钻具的横向振动,验证了扭力冲击器与螺杆钻具组合应用的可行性。相比未使用扭力冲击器井段,机械钻速提高29.59%。(2)从碎岩机理和地层适配性上,相比PDC钻头,牙轮钻头在扭力冲击器+螺杆钻具+转盘复合钻进的方式下,有着较高的钻进优势。试验成果可为扭力冲击器与牙轮钻头匹配性研究和扭力冲击器与螺杆钻具的耦合性研究提供较好的技术基础。

轴向旋转冲击器动态特性分析与寿命研究

轴向液动旋转冲击器作为钻井最关键的井下动力钻具,其高频冲击振动可大幅减小或消除钻头粘滑振动,提高钻速并延长钻头寿命。基于粘滑振动机理建立了振动模型,首先对其工作原理和运动特性进行了研究,并结合实际工况,建立动力学方程,再对系统和扭力冲击器动力学进行仿真分析,最后通过实验法验证扭力冲击器动态特性的合理性及理论分析的正确性。通过对影响扭力冲击器寿命的因素研究,发现了旋冲产生的不平衡力以及转子高频旋转速度引起轴承出现了混沌现象,继而对动态特性产生影响,导致扭力冲击器无法达到使用寿命。

同频异位式复合冲击器的研究开发与现场试验

为了提高PDC钻头在硬地层中的破岩效率,增加切削齿吃深,同时消除井底钻头的“黏滑”现象,研制出同频异位式复合冲击器。该复合冲击器具有轴向冲击和扭向冲击2种功能,且2种冲击频率相同、但相位不同。基于同频异位式复合冲击器的结构特点和工作原理,确定了轴扭冲击相位角θ2为20°,建立了PDC切削齿轴向冲击力和扭向冲击力的数学模型,明确工具扭冲系统与轴冲系统消耗水力能量比值的合适范围为2.0~3.0。现场试验结果表明,带有复合冲击器钻进时,井底钻柱扭矩平稳,与邻井扭力冲击器+PDC钻头的钻具组合相比,其进尺和机械钻速分别提高111.36%和46.83%,节省1趟钻,且出井PDC钻头复合片磨损轻微。该工具使用效果良好,可为复杂难钻地层提速增效提供一种有效手段。

扭力冲击器流体仿真优化与试验

钻井作业过程中的粘滑现象严重制约了钻井提速,而扭力冲击器通过将部分钻井液的能量转化为扭转冲击能,产生高频低幅的扭向冲击力,以解决钻进时钻头的“粘—滑”问题,从而提高钻进效率。为了弄清钻井液在扭力冲击器中的流场特性以及影响扭力冲击器输出冲击扭力的因素,文章对自主研发的扭力冲击器做了4个典型工况下的钻井液在纵横向上的压力和流速分布仿真及排量大小、分流孔结构对扭力冲击器输出冲击扭力的影响。结果表明,扭力冲击器的锤座、偏心锤、换向阀在不同工作状态下所受的流体冲击扭力范围分别为156.4~1484.7、572.7~2219.4、728.4~735.6 N·m;直槽式方形孔的效果较好;随着钻井液排量的增加,冲击扭力增加。该扭力冲击器经过地面测试,在钻井液排量达到30 L/s以上时,其扭力冲击可以达到900 kN以上,并在试验井中实现提速22%。

近钻头旋扭冲击器结构设计与试验

PDC钻头在深井高硬度、研磨性较强的地层钻进时会出现蹩钻、跳钻现象,从而导致钻头机械钻速低、进尺少、经济效益差等问题。为提高钻头机械钻速,克服深井高硬地层普遍存在的粘滑现象,开展了近钻头旋扭冲击器设计研究工作。结合流体力学对工具进行结构优化设计,通过建立三维模型,运用模拟软件对工具结构流场进行有限元仿真分析,确定了工具结构参数。试制样机开展室内及现场的性能测试,样机各项功能正常,达到设计指标,满足现场应用要求。可为后期现场应用及工具的进一步优化改进提供借鉴。

DH型转阀钻井冲击器结构性能参数优化研究

为了研究旋冲钻井中双液驱动DH型转阀钻井冲击器的冲击运动规律,优化其性能参数,通过分析其在冲程阶段和回程阶段的受力情况,采用有限差分法,建立转阀活塞运动数学模型,利用MATLAB软件编译仿真电算程序,对转阀活塞的动力学过程进行仿真电算,得出DH型转阀钻井冲击器的最优冲击性能参数。同时研究冲击器上下腔面积差、油压系统流量及压降对DH型转阀钻井冲击器冲击性能的影响,并设计关于冲击功、冲击频率和冲击功率的正交分析试验,利用Design-Expert软件对计算结果进行优化,以更好地提高冲击器的工作性能。研究结果表明:活塞杆直径和压降对冲击器工作性能的影响较为突出,流量对冲击器工作性能的影响较小。经优化,冲击功提高21.88%,冲击频率提高12.9%,冲击功率提高37.6%。相关研究对液动冲击器设计及应用具有一定的指导意义。

东海L区块螺杆马达搭配复合冲击器提速技术研究与应用

中海油东海海域L区块地层可钻性较差,瓯江组存在大段含砾中砂岩和砂砾岩,单只钻头进尺短,灵峰组以泥岩、粉砂质泥岩为主,钻头吃入困难,机械钻速(ROP)低、井眼浸泡时间长,易发生钻具遇阻和卡钻等复杂情况。为提高该区块钻井效率、缩短钻井周期,加快L区块油气田勘探开发进程,开展了钻井提速实践探究。该文总结分析L区块已钻井提速现状,综合考虑螺杆马达和复合冲击器两种不同类型的提速工具工作原理,将螺杆马达与复合冲击器配套使用,强化钻头攻击性和布齿技术,应用于L区块直探井瓯江组砾石层和灵峰组泥岩段,提速效果显著,很好地解决了该区块单只钻头进尺短、磨损严重、机械钻速低和井斜不易控制等难题,创该区块单只钻头最长进尺记录,实现了12-1/4″井眼一趟钻工程。该技术可在类似区域直探井推广应用。

扭力冲击器-螺杆复合钻进工艺应用实践

扭力冲击器可以将钻井液的动能转化成下部钻具的高频周向动能,从而消除粘滑振动,保护PDC钻头,提高施工效率。在广西百色及贵州毕节2口地热钻井施工过程中,受软硬夹层的影响,粘滑振动效应强烈,导致PDC钻头的复合片迅速崩碎,钻头提前报废。使用扭力冲击器-螺杆钻具复合钻进工艺,通过合理设计钻具组合和钻进参数,与单纯的螺杆钻进工艺相比,因粘滑振动得到有效控制,钻头复合片崩齿现象显著减少,使用寿命增加,平均机械钻速提高了1倍以上,整体提高了施工效率和经济效益,为软硬夹层等易发生粘滑效应的地层施工提供了新的解决方案。

加强型复合冲击器在渤海潜山地层钻井中的应用

渤海油田潜山花岗岩地层可钻性差,机械钻速较低、单只钻头进尺普遍较短。为提高潜山地层的钻进效率,对复合冲击器进行了优化设计,设计了双冲击锤结构,以提高复合冲击器的冲击性能。现场应用表明,使用优化后的复合冲击器可以提高冲击频率,大幅提高机械钻速,且能有效保护钻头,具有较大的推广前景。

北部湾复杂地层复合冲击器工艺提速增效应用

北部湾盆地钻井技术经过多年发展,探井、开发调整井钻井技术趋于成熟的同时,提高机械钻速问题变得非常普遍和突出。因此如何在复杂地层中提高钻井速度、提高作业效率、保证井眼质量及预防复杂情况的出现是后续钻井作业更加高效、优质的关键。为解决上述技术难题,在分析区块地质特点的基础上,选择一款适用于北部湾区块复杂地层钻进的复合冲击器,根据该工具的工作原理,实现快速钻达设计井深,节约了大量的钻井时间,保证了建井质量。

双冲击锤复合冲击器在东海某区块探井的提速应用

东海海域某区块探井前期作业中普遍存在深部平湖组地层机械钻速偏低,不时出现钻具遇阻卡钻等问题。为提高该区块钻井效率,开展了双冲击锤复合冲击器的适用性研究。双冲击锤复合冲击器具有冲击能量大、周向与轴向冲击分配精准、冲击频率快等特点,在总结分析东海某区块地层特性、岩石抗压强度的情况下,优化了井身结构,采用双冲击锤复合冲击器提速工具很好地解决了该区块深部机械钻速偏低、钻头磨损严重的难题。双冲击锤复合冲击器在该区块探井的应用结果表明:12-1/4"井段机械钻速为35.9m/h,刷新该区块12-1/4"井段最高机械钻速纪录;8-3/8"井眼机械钻速为21.04m/h,相比前期邻井平均机械钻速提高97.2%,相比前期最高机械钻速提高24.57%,创造了东海海域平湖组地层最高机械钻速新纪录。