射流式液动节流器缸体强度校核与数值模拟

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摘要 当今世界范围内，水平井已成为高效开发油气资源的重要技术支撑，然而水平井的轨迹控制要求高、难度大，管柱受力复杂，摩阻扭矩大，钻压传输困难等问题制约其推广应用，射流式液动节流器正好能够解决这些问题。射流式液动节流器缸体是节流系统的重要组成部件，通过对缸体的强度校核和数值模拟分析，得到缸体的Von-Mises云图和变形分布，为缸体设计提供参考和校核，进而减少了设计和生产成本，保障了射流式液动节流器缸体现场试验的顺利进行。

关键词 缸体；强度；校核；数值模拟

中图分类号TE3 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）112-0109-02

1 研究背景及现状

当今世界范围内正全力加大油气资源勘探开发投入，水平井已成为高效开发油气资源的重要技术支撑，随着水平井技术的发展，大位移水平井、水平分支井、侧钻水平井、径向水平井等技术的成熟，在提高油气田勘探、开发的速度和油藏采收率方面，水平井将起到极其重要的作用。但水平井钻井技术也存在许多技术难点，比如：水平井的轨迹控制要求高难度大，管柱受力复杂，摩阻扭矩大，钻压传输困难，岩屑携带困难，固井难度大等。

随着水平位移和水平段长度的增大，摩阻扭矩问题已成为大位移井和长水平段水平井最为突出的制约因素，很多情况下关系着钻井的成败。国内主要采用由泥浆马达为动力的滑动钻井系统实施钻井作业，此时动力钻具带动钻头旋转钻进，而钻柱本身并不旋转，由于受到钻柱的重力作用，而且钻具重力的方向与钻进方向有很大偏差，迫使钻具总是靠着井壁的，其接触面会比直井大得多，所产生的摩擦阻力和扭矩都大大地超过直井，因此钻进效率会大幅度降低。而且水平井岩屑上返困难，无法上返的岩屑堆积形成岩屑床会增大摩阻扭矩。随着井眼轨迹的延伸，摩擦力会逐渐增大，当摩擦力达到一定程度，钻柱在井内高度扭曲，附加侧向力产生，使摩擦力迅速增大，导致钻柱屈曲变形更加严重，甚至螺旋屈曲，从而形成自锁，甚至可能引发钻柱强度破坏而造成井下事故，使钻压无法施加到钻头上，使钻井过程无法继续进行。水平段长度越长，出现托压、粘滑、丢失工具面等现象就会更加严重，限制了钻进速度并制约了水平段长度的延伸。

上世纪90年代以来，钻井的摩阻问题一直引起世界石油钻井界和学术界的高度重视。目前减摩降扭的技术对策，主要有三种，一是使用优质钻井液，应具有好的性，减少泥饼摩阻系数，良好的携带岩屑能力。二是采用高强度钻杆、专用减摩降扭工具、优化钻具组合等方法降低摩阻。三是利用软件进行钻前预测摩阻，钻进时跟踪校正摩阻系数，进而预测后续钻进摩阻。

在水平井钻井过程中，在钻具组合中添加机械式减摩降扭工具被认为是一种降低钻进摩擦阻力的有效方法之一。近年来，井下减摩降阻工具层出不穷，但主要分为滚轮减阻工具和振动减阻工具。本项目涉及一种压力脉冲振动减阻工具的研发，结合振动减摩原理、压力脉冲振动技术和射流式液动冲击技术，研发一种射流式液动节流器，该工具利用钻柱内部泥浆压力，产生一定幅值和频率的压力脉冲波，为钻柱产生轴向振动，从而使钻具与井壁的静摩擦状态变为动摩擦状态，提高钻进过程中的钻压传递效率，减少钻柱与井眼之间的摩阻，保证钻井作业顺利进行。

2研究意义

缸体的结构复杂，是射流式液动节流器系统内非常重要的部件。射流式液动节流器工作时，缸体的作用是将射流元件输出的流体分配到活塞上下腔室，与活塞组合成运动副，实现活塞往复运动。设计图纸如图1所示，缸体采用35CrMo材料，内孔表面渗氮处理，渗氮厚度0.08mm~0.10mm，淬火回火，表面硬度达到HRC50~55。缸体内表面渗氮处理，旨在提高其使用寿命。然而石油钻井泥浆流量巨大，承受的井内围压偏高，缸体极易发生泄露，之后就会产生严重冲蚀导致节流器失效。因此，在缸体设计时除了有两处重要的密封结构外（一是射流元件输出道下端与缸体上端配合面，二是缸体侧面下腔的进液通道，采用双层密封圈，确保密封性能良好），缸体的强度必须满足工作要求。活塞在缸体内部高频往复运动，要求缸体内表面耐磨性能良好， 能够承受的荷载满足其强度要求，才能避免缸体在射流式液动节流器工作过程中发生变形，从而引起缸体活塞同心度降低，导致节流器系统工作失效。为了降低射流式液动节流器室外试验的风险，减少生产成本，故使用数值模拟技术对缸体强度进行了全面校核。射流式液动节流器缸体的三维立体图和加工实物图分别如图2、图3所示。

图1 射流式液动节流器缸体结构图

图2射流式液动节流器缸体三维示意图

图3 射流式液动节流器缸体加工实物图

3强度校核及数值模拟

3.1强度校核

已知缸体内径64mm，壁厚7mm，整体外径90mm，射流式液动节流器工作过程中，缸体内承受巨大的工作压力和地层压力，将缸体模型简化为厚壁圆筒强度计算，缸体内任一点处的强度值有：

可知，在处即缸体内表面处的径向应力最大，代入数值有：

综上，缸体强度条件符合要求。

3.2 数值模拟

缸体受力情况简化后如图4所示。在射流式液动节流器工作过程中，缸体承受50MPa

图4缸体所受载荷分布情况示意图

的工作围压。在模拟分析中，缸体承受的纵向振动力、自身重力等忽略不计，并将缸体一端设置固定边界。

4 结果分析及结论

4.1 结果分析

对射流式液动节流器缸体施加压力荷载，固定其两端，得到缸体的等效应力分布云图和总的变形云图分别如图5、图6所示。

如图4所示，射流式液动节流器缸体在薄壁处承受的Von-Mises应力值较大，平均值为545MPa。此应力值虽没有达到缸体的强度极限值，但在节流器工作过程当中，受纵向振动和高压循环射流冲击等的综合作用，缸体强度很难得到保证，故在钻井施工过程当中，不宜选择过大的流量（20L/s以下）和入井压力，以免造成缸体的变形，造成射流式液动节流器停止工作。

图5 射流式液动节流器缸体Von-Misse应力分布云图

图6射流式液动节流器缸体总变形云图

如图5所示，射流式液动节流器缸体的受力总变形主要发生在缸体四周薄壁中心处，最大变形为1.02mm，最小变形为0.12mm， 总变形均值为0.57mm。在50MPa工作压力作用下，射流式液动节流器缸体的最大变形为1mm左右，故不会造成对缸体的损坏。在此结构基础之上，射流式液动节流器缸体工作正常，缸体与活塞的运动同心度较高，设计的缸体满足其性能要求。

4.2 结论

射流式液动节流器是一种水平钻井的激增压力脉冲减阻工具，经过射流式液动节流器的钻井液产生高频压力脉冲，脉冲压力波使下部钻柱产生振动，同时钻具内部的冲锤对下部钻柱施加高频冲击载荷，使下部钻柱产生冲击振动，降低钻柱与井壁之间的摩擦系数，达到减小摩擦阻力的目的。

设计的射流式液动节流器缸体结构复杂，是节流器系统的重要组成部件。经强度校核和数值模拟分析，得到缸体在承受50MPa工作压力作用下，其承受的Von-Mises应力值为545MPa，发生的总的变形为1mm左右。模拟分析结果显示，设计的缸体结构合理，强度满足其工作条件，整体设计符合石油定向井工况要求。

参考文献

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