气动冲击潜孔锤动力性能仿真研究

论文摘要

与传统的泥浆钻井技术相比,气体欠平衡钻井技术利用压缩空气作为钻井循环介质,以高压气体能量实现井底携岩上返,可提高机械钻速、减少甚至避免井漏事故、延长钻头使用寿命、保护油气储层、降低钻井综合成本等,近年来得到广泛的研究与应用。气动冲击潜孔锤钻井技术属于气体欠平衡钻井的范畴,利用压缩空气在潜孔锤锤体上、下端面产生的压差作用力实现锤体往复冲击钻头,推动锤体做功后的废气在井底携带岩石上返至地面,完成钻井循环。气动潜孔锤冲击钻井技术具有钻孔凿岩效率高、所需钻压和扭矩小、钻头寿命长等特点,结合地面钻机提供的周向扭矩,可在井底实现冲击旋转破岩钻进,在深井、超深井等硬质地层及沙漠、偏远、干旱缺水等复杂地质条件区块的钻进工程中的表现突出,广泛应用于固体资源勘探、水文及地热井钻凿、石油天然气钻井等领域。本课题创新性研制了一款全孔反循环气动冲击潜孔锤,主要研究内容集中在4个方面:（1）全孔反循环气动冲击潜孔锤方案设计;综合对比国内外现有潜孔锤的结构、设计特点、工作性能等,设计出本课题研制的潜孔锤整体设计方案。（2）潜孔锤锤体与钻头的冲击碰撞特性仿真分析;针对所研制的潜孔锤,建立冲击碰撞组件的仿真模型,根据潜孔锤材料属性,确定出潜孔锤的极限冲击末速度,并试图通过仿真的方式得到锤体冲击钻头后的回弹速度与其冲击末速度间的关系,为锤体运动程序的设计提供理论支撑。（3）高压气体作用下锤体运动数学模型的建立;根据高压气体状态变化理论及潜孔锤的具体设计结构,建立潜孔锤各工作状态下锤体运动的数学模型。（4）锤体运动过程的数值计算及其输出动力性能分析;根据锤体运动过程的数学模型,采用程序设计的方法实现锤体运动特性曲线的数值计算,并对潜孔锤的具体工作参数及输出动力性能进行分析,为其应用提供指导。主要成果和结论如下:（1）完成了全孔反循环气动冲击潜孔锤的整体方案设计。回顾了气体欠平衡钻井技术及潜孔锤钻井技术的发展历程,总结了气动冲击潜孔锤钻井技术在石油天然气等资源勘探开发中的应用优势及发展趋势,得出了潜孔锤将逐渐向中高压、无阀式、反循环钻井工艺等方向发展的结论,并结合国内外相关研究单位及国际性大公司所研制的几种反循环潜孔锤的结构、原理及优缺点等,完成了本课题潜孔锤的基本方案及整体结构设计,并介绍了其五方面的设计特色。（2）完成了潜孔锤冲击碰撞组件的碰撞性能仿真分析。根据所研制潜孔锤的整体设计方案,建立了锤体与钻头的冲击碰撞仿真模型,分别采用多体动力学仿真软件ADAMS和冲击碰撞动力学过程仿真平台ANSYS Workbench,研究了锤体与钻头的冲击碰撞特性,得到了锤体冲击回弹速度与上一循环过程中冲击末速度间的函数关系为Vh=-0.302Vm+0.658,并分析了冲击碰撞过程中锤体和钻头应力应变的变化关系,并根据锤体和钻头的材料特性,确定出了锤体冲击末速度的最大值不得超7.2 m/s,为锤体运动过程动力学模型的建立提供了理论基础。（3）建立了高压气体作用下锤体运动过程的数学模型。基于所研制潜孔锤的整体设计方案,按照锤体在不同位置处气缸上、下腔的配气状态,将锤体的上冲程和下冲程运动过程分别划分了三个阶段,根据锤体在每一运动阶段内高压气体状态变化相关理论及准静态过程中锤体的运动微分方程,建立了锤体运动过程的数学模型。（4）采用程序设计的方法实现了锤体运动特性曲线的分析及潜孔锤输出动力性能和工作参数的分析。采用Matlab程序计算功能,根据上一章节中对锤体运动理论的分析及所建立的动力学模型,考虑锤体冲击钻头后发生回弹并迅速进入下一循环冲击过程,编制了相应的数值计算程序,以锤体的输出特性达到稳定后的结果为最终计算结果,得到了潜孔锤的运动特性曲线及相应的动力性能参数,通过不同输入压力条件下潜孔锤的冲击行程、冲击功、冲频率等特性参数的分析,结合本文第三章的研究结论及锤体的设计结构,得出本潜孔锤的工作压力范围为0.81.3MPa,此条件下,潜孔锤的输出冲击频率约为8.913.2Hz、热功效率范围约为43.6%61.1%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 选题背景与意义
•   1.2 气体钻井技术发展概述
•   1.3 气动冲击潜孔锤钻进技术发展现状
•   1.4 潜孔锤钻进技术的发展趋势
•   1.5 主要研究内容与研究方法
•   本章小结
• 第2章 反循环气动冲击潜孔锤结构设计
•   2.1 反循环潜孔锤钻进技术及其优势
•   2.2 常用的反循环潜孔锤介绍
•   2.3 反循环气动冲击潜孔锤结构设计
•   2.4 结构设计的特点
•   本章小结
• 第3章 潜孔锤锤体的冲击碰撞性能研究
•   3.1 潜孔锤运动过程的多体动力学分析
•   3.2 潜孔锤冲击碰撞性能研究
•   本章小结
• 第4章 潜孔锤锤体运动理论及其数学模型
•   4.1 潜孔锤锤体运动过程分析
•   4.2 潜孔锤各腔室配气过程
•   4.3 潜孔锤锤体冲击运动过程分析
•   4.4 潜孔锤锤体运动过程中的数学模型
•   本章小结
• 第5章 潜孔锤输出动力性能仿真分析
•   5.1 Matlab软件简介
•   5.2 数值计算程序设计
•   5.3 锤体运动特征曲线分析
•   5.4 潜孔锤输出动力性能分析
•   5.5 气动冲击潜孔锤工作压力分类
•   本章小结
• 第6章 结论与展望
•   6.1 论文的主要结论
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 魏俊

导师: 冯进

关键词: 全孔反循环,气动冲击潜孔锤,动力学仿真,数值计算,动力性能

来源: 长江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,石油天然气工业

单位: 长江大学

分类号: TE242;O354

总页数: 80

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