Φ102涡轮钻具井下喷射器设计.doc

1、 毕业论文 (设计 ) 题目名称： 102 涡轮钻具井下喷射器设计 题目类型： 设 计 类 学生姓名： 袁 华 良 院 (系 )： 机 械 学 院 专业班级： 机 械 11003 指导教师： 许福东 教授 辅导教师： 许福东 教授 时 间： 2014 年 3 月 14 日 至 2014 年 6 月 3 日 目录 i 目录 目录 _ i 任务书 _ I 开题报告 _ II 指导老师审查意见 _ 错误 !未定义书签。 评阅教师评语 _ 错误 !未定义书签。 答辩会议记录 _ 错误 !未定义书签。 摘要 _ XV 正文 1 前言 _ 1 1.1 研究的目的与意义 _ 1 1.2 国内外现状和发展趋势

2、 _ 1 1.2.1 国内现状 _ 1 1.2.2 国外现状 _ 2 1.2.3 发展趋势 _ 3 1.3 井下水力增压研究进展 _ 3 2. 涡轮钻具的设计 _ 4 2.1 涡轮钻具的选型 _ 5 2.2 总体方案设计 _ 6 3. 喷射器的设计 _ 8 3.1 喷射器方案对比 _ 8 3.1.1 先导阀控制换向方案 _ 8 3.1.2 涡轮离心式增压方案 _ 9 3.1.3 射流元件换向方案 _ 10 3.1.4 总结 _ 11 3.2 喷射器的工作原理 _ 12 3.2.1 工作原理 _ 12 3.2.2 水力结构 _ 13 3.2.3 内部流道关系 _ 14 3.3 喷射器结构设计 _

3、 14 3.3.1 托盖 _ 14 3.3.2 射流元件 _ 15 102 涡轮钻具井下喷射器的设计 ii 3.3.3 活塞缸体 _ 16 3.3.4 活塞杆 _ 18 3.3.5 活塞 _ 19 3.3.6 连接接头 _ 19 3.3.7 钻头 _ 20 3.3.8 高压连接管 _ 21 3.3.9 喷射器壳体 _ 21 3.4 喷射器水力结构 _ 22 3.4.1 水力结构说明 _ 22 3.4.2 水力结构计算 _ 25 4. 主要零件校核 _ 29 4.1 活塞杆 _ 29 4.1.1 活塞杆材料以及载荷 _ 29 4.1.2 分析结果 _ 29 4.2 连接头 _ 30 4.2.1

4、连接头强度分析 _ 30 4.3 喷射器外壳 _ 30 4.3.1 喷射器外壳材料以及载荷 _ 31 4.3.2 ansys 软件分析过程 _ 31 4.3.3 分析结果 _ 33 4.4 缸体 _ 33 4.4.1 缸体材料以及载荷 _ 33 4.4.2 分析结果 _ 33 4.5 总述 _ 37 5. 总结 _ 38 6. 参考文献 _ 39 7. 致谢 _ 41 8. 附录 _ 42 附件一 标准锥螺纹基本尺寸示意图（ GB/T 9253.1-1999） _ 42 附件二 石油钻杆街头螺纹基本尺寸（ GB/T 9253.1-1999） _ 43 附件三 接头扣型尺寸：（ 1-内平 2-贯

5、眼 3-正规） _ 44 附件四 钻头示意图以及喷嘴型式代号 _ 45 任务书 I 长江大学毕业设计 (论文 )任务书 学院（系） 机械工程学院 专业 机械设计制造及自动化 班级 机械 11003 学生姓名 袁华良 指导教师 /职称 许福东 /教授 1.毕业设计 (论文 )题目： 102 涡轮钻具井下喷射器设计 2.毕业设计（论文）起止时间： 2014 年 3 月 14 日 2014 年 6 月 5 日 3毕业设计 (论文 )所需资料及原始数据（指导教师选定部分） 喷射器外径 : 102； 适合于 51/2油管空间； 流量 :Q=10 20L/s)； 涡轮工作转速 :n=800-1200r.p

6、.m. 4毕业设计 (论文 )应完成的主要内容 （ 1）文献综述； （ 2）系统总体方案设计； （ 3）整体结构设计计算； （ 4）钻头的结构型式设计计算等； （ 5）喷射器的设计计算。 102 涡轮钻具井下喷射器的设计 II 5毕业设计 (论文 )的目标及具体要求 (1) 总装图 1 张； (2) 零件图若干张。 6、完成毕业设计 (论文 )所需的条件及上机时数要求 (1)绘图工具齐全； (2)上机时间： 150小时。 任务书批准日期 2014 年 3 月 9 日 教研室 (系 )主任 (签字 ) 任务书下达日期 2014 年 3 月 14 日 指导教师 (签字 ) 许福东 完 成任务日期

7、2014 年 6 月 5 日 学生（签名） 袁华良 开题报告 III 长江大学 毕业设计开题报告 题 目 名 称 102 涡轮钻具井下喷射器设计 院 （系） 机械工程学院 专 业 班 级 机械 11003 学 生 姓 名 袁华良 指 导 教 师 许福东 /教授 辅 导 教 师 许福东 /教授 开题报告日期 2014-4-7 102 涡轮钻具井下喷射器设计 IV 102 涡轮钻具井下喷射器设计 学 生：袁华良 ，机械工程学院 指导老师：许福东， 机械工程学院基础力学研究室 一、 题目来源及类型 题目名称： 102 涡轮钻具井下喷射器设计 题目来源：导 师的科研项目、生产实际 题目类型： 设计类

8、二、 研究目的和意义 注水开发是我国大部分油田采用的开采方式，这一方式要求布置庞大的地面主水管网系统。由于油气田分部范围广，使得地面管网异常复杂，虽然用了各种管网布置优化措施，但也很难保证井口压力能满足配注的要求，因而有很多注水井完成不了配注量，严重影响了整个油田开发方案的顺利实施。另外，低渗透和非均质也是我国大部分油田普遍遇到的开发难题，部分区块的注入压力已经达到了 35MPa,采用提高注入系统压力越来越难以保证这类油田日趋增高的注入压力。况且，提高系统压 力势必会造成管线的频繁损坏，增加事故的发生率。采用单井地面泵增压的方式虽然不会使管网系统压力升高，但提高了生产成本，由于井下管柱存在隐患

9、，而且还带来了单井地面增压泵及其配套装置的防盗问题。 井下增压是解决上述问题的最好方法，但井筒断面尺寸限制了机械设备在井下的布置和工作。一般高压柱塞泵的外形尺寸远远超过了井筒的尺寸，电潜泵虽然是常规的井下设备，但由于采用离心泵，达不到高压注水所需的注入压力。井下液压增压器是插装阀控制液压缸工作的系统，它利用锥阀尺寸小、导流能力强、泄露小、适合于清水驱动等特点，采用 帕斯卡 原理 增压，保证了增压器的外形符合井筒断面尺寸的要求，使机械增压装置在井下的工作成为可能。 三、阅读的主要参考文献及资料名称 1 成海，王甲昌，杨本灵，国内外井底增压喷射钻井技术研究现状 J，石油矿场机械， 2008， 37

10、 6）： 34-38 2 白穆民，唐建冬，超高压水射流技术及其应用 J新技术新工艺， 1995:21 6） 28-30 开题报告 V 3 李根生，沈忠厚，充分利用水力能量提高深井钻井速度 J石油钻探技术， 2002,30 6）： 1-3 4 汪志明 ,薛 ,邹和均 ,等 论研究 J械 ,2007,35(11)： 17-19 5 李洪敏 J ,2004(2):52-55 6 金国兴，方水良，喻斯成。面向 CAD/CAM 集成的产品特征建模研究 J。机械工业自动化， 1996（ 2） 7 薛亮，汪志明，李帮民 第二代射流式井下增压器结构设计 石油机械 2010年第 38 卷 第 8 期 第 24

11、页 8 吕苗荣 涡轮钻具性能的系统分析 江汉石油学院学报 1997-9 第 19 卷 第 3 期 9 孙波勇，段卫东，郑峰，廖成孟 岩石爆破理论模型的研究现状与发展趋势 矿业研究与开发 第 27 卷 第 2 期 10 徐瀚洋 关于机械液压传动系统的分析与研究 11 汪志明，薛亮，邹和均，谢涛 活塞式井下增压器设计理论研究 石油机械 2007年 第 35卷 第 ll 期 12 熊继有 ,付建红井下增压研究新进展 13 杨燕勤，安志强，经树栋 喷射器流场的数值模拟研究 西南民族大学学报 2006-3 第 32 卷 第 2 期 14 汪志明，薛亮 射流式井底增压器水力参数理论模型研究 石油学报 20

12、08-3 第29 卷第 2 期 15 薛亮 ，汪志明，李帮民 射流式井下增压器数值试验研究石油钻探技术 2010-11第 38卷第 6期 16 杨敏官，喻峰，康灿，王育立 往复式增压器的运动特性分析 排灌机械 2009年 9月 第 27 卷 第 5 期 17 杨世奇，薛敦松，蔡镜仑，赵宁，谭春飞涡轮钻井技术的新进展石油大学学报（自然科学版） 2002-3 第 26 卷 第 3 期 18 姚坚毅，刘宝林，王瑜涡 轮钻具水力设计与分析方法应用现状研究 石油矿场机械 2012-4 第 41 卷 第 3期 19 张 也，龚 彦，张晓东，张 毅，何 石，罗 毅 涡轮钻具推 力球轴承组磨损试验及寿命预测

13、石油矿场机械 2013年 第 42卷 第 12期 第 65页 20 冯进 ,符达良 涡轮钻具涡轮叶片造型设计新方法 石油机械 2000年 第 28卷 第 11期 21 陈鹏 ,银进 ,康博 ,吴雪锋 新型无扭矩井下电动钻具设计 科技创新与应用 2014年 第 5期 22 杜延军 ,刘剑辉 钻井井下增压器设计 内蒙古石油化工 2009 年 第 18期 23 Veenhuizen.S.D Development and Testing of a Downhole Pump for Jet-Assist Drilling Natural Gas RD&D Contractors Review Mee

14、ting, 1995: 4 6 24 S.Veenhuizen High Pressure Downhole Pump Jet-Assist Drilling Flow Drill 102 涡轮钻具井下喷射器设计 VI Corporation 21414 68th Avenue So.Kent, WA 98032 四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向 4.1 国外进展 4.1.1 第一代井下增压泵 1993 年， 没过 FlowDril 公司和天然气研究院共同研制了井下超高压泵，开展了用射流辅助破岩的研究计划，第一台试验样机与 1994 年研制成功，是一种往复式增压器，靠水力驱动。增压器将

15、较小部分的钻井液进行增压后通过超高压喷嘴，实现超高压射流辅助钻井。 5 口径的现场实验结果表明，井下泵工作时间在 1.040.5h，提高机械钻速 1.02.5 倍。 4.1.2 第二代井下增压泵 1994 年末，美国能源部、 FlowDril 公司和天然气研究院共同研制开发了第二代井下增压泵样机，增压器的增压比约为 14:1，井底增压泵将约 7 的井底流体压力增加到 207MPa，通过钻头加长喷嘴辅助钻头机械破岩。 11 口井的现场实验结果表明，使用超高压井下增压泵射流辅助钻井的机械钻速提高幅度在 45 100。第二代井下泵样机在室内试验时工作时间达到 40h，但是现场井下运行时间只有 917

16、h。 4.1.3 高压连续管钻井系统 2001 年， Maurer Engineering Inc.公式进行了高压射流钻井系统的研发及室内试验和现场呢试验。该系统可由连续管将底部钻具组合送入井内，也可使用改进的常规旋转钻井方法。井下增压泵特殊设计主要有：金刚 石止推轴承、钛伸缩轴和限流器。 室内试验表明，射流切割钻井技术在不同的地层类型下提速幅度达 1.02.0 倍。在大量的不同地层抱愧砂岩、页岩、砂质页岩和石灰岩等岩性地层开展现场试验表明机械钻速提高 1.36.0 倍。 4.2 国内研究现状 4.2.1 旁通式井下增压器 国内井下增压器研究起步较晚，中石油勘探开发研究院于 1994 年首次开

17、展井下增压器研究，第一代尺寸样机于 1996 年底研制成功，并开展室内试验，输出压力高达 150MPa，增压器工作时间超过 100h，但没能到现场应用条件。随后研究改进，新样机单级增压比高达 13:1,；当增压失效时，仍可按常规钻井方式继续惊醒钻进。第二代全尺寸样机进行了超高压室内试验，并于 2002 年在中原油田 900m 深试验井完成了可靠性实验测试，取得了令人满意的工作寿命。 经过再一次改进后的样机于 2004 年 11 月在中原油田文 407 井和胡 129 井进行了现场试验，工具总的寿命达到了 41h，现正在制造第三代工业试验机。 4.2.2 射流式增压器 中国石油大学（北京）汪志明

18、等在 2005 年完成了第一代射流式井下增压器设计。对该装置进行的地面模式测试和整机试验研究结果表明，增 压出口压力的变化与输入开题报告 VII 排量和节流压降直接关联，且立管压力波动也反映出设计的工具压耗与实际试验压耗相吻合。为适应钻井工艺的要求，必须增大增压比，实现在低节流压降条件下达到高增压出口压力。该试验初步验证了新型射流式井下增压装置设计的可行性，整体设计指标达到了预期要求。 4.3.3 水力增压式井下增压器 西南石油学院设计了利用环空流体水力能量实现增压的井下增压器。把还空水力能量作为外加激励源，达到自增流量与它激双重作用，进而实现井下增压。 该装置在脉冲射流喷嘴研究的基础上，于腔

19、室靠近上喷嘴处多开了多个 等径圆孔。当具有一定压力流体由上喷嘴进入共振腔后，在上游由于卷吸作用加上环流流体激励作用，小部分流体碰撞后在振荡腔内上游形成局部负压，环空流体被卷吸到共振腔内，从而实现井下增压。 井下水力增压主要依靠 3 种作用方式：振荡腔内负压区形成作用，振荡腔内射流卷吸作用以及环空流体要它激作用。 实验结果表明，通过卷吸作用可增加流量 10 25；在共振腔室结构参数设置较为合理的情况下，射流最大冲击力比自激振荡提高 2 倍。 4.3 发展趋势 超高压射流钻井能提高机械钻速，其破岩机理碎见就较多，也提出各 种破岩机理理论，但对其破岩机理仍缺乏清晰明确的认识，有待于进一步的研究。目前

20、关于岩石破碎的研究主要停留在静态或准静态上面，未充分考虑破岩过程动态影响，也未充分考虑钻深井过程中所遇到的高围压问题，故前任对钻井过程中破岩机理的研究还存在局限性。所以，应加强射流作用下井底岩石应力场研究。井下增压器将常规机械破岩钻井方式转化为高压超高压射流钻井方式，并且安全可靠，相对于其他提高钻速方式，经济效益也好，代表了目前超高压射流钻井方式研究的发展趋势 4.4 井下水力增压初步研究 井下水力增压是西南石油学院在自激振 荡脉冲射流喷嘴研究的基础上首次提出来的。利用井下环空流体的水力能量作为外加激励源，实现自增流量及它激的双重作用，达到增压的目的。 （ 1）振荡腔调制机理研究振荡腔的调制机理是射流在腔室内经扰动、碰撞、有效反馈和放大作用的循环过程。由于振荡腔内流体的流动为非定常流动，流体湍流边界层的不稳定性而生成涡环结构。但是，目前尚没有一个完整的数学模型能够较全面