III水力振蕩器（振動發(fā)生部）結(jié)構(gòu)設(shè)計與關(guān)鍵參數(shù)計算摘要：隨著人類社會對資源的需求越來越高，當(dāng)今社會對鉆井技術(shù)的要求也隨之越來越高。常見的鉆井有直井，定向井，水平井幾種，無論是哪一種鉆井形式，在鉆井過程中鉆頭外柱與鉆井井壁之間的摩擦阻力都是影響鉆井速度的主要因素。鉆頭機構(gòu)與鉆井井壁摩擦產(chǎn)生的額外扭矩以及摩擦阻力會導(dǎo)致鉆頭鉆井速度降低，難以控制鉆頭工作面，單次鉆進尺度少，鉆頭鉆柱嚴(yán)重磨損等情況。而且當(dāng)鉆井過程中積累的摩擦力超過給與鉆頭的壓力（也就是鉆頭管柱依靠本身自重給與鉆頭機構(gòu)的下推力）時就會出現(xiàn)托壓的情況，托壓會導(dǎo)致鉆頭管柱發(fā)生正旋彎曲或是螺旋屈曲。再鉆定向井或者是水平井時，大的摩阻還會導(dǎo)致井眼彎曲，從而降低了鉆機能夠鉆達的最大深度，對于鉆探石油的鉆井，由于深度不夠，甚至?xí)绊懙接途漠a(chǎn)油量。經(jīng)過國內(nèi)外鉆井研究機構(gòu)實踐表明，依靠水力脈沖來使得鉆柱產(chǎn)生軸向振蕩，能夠有效的減少鉆頭機構(gòu)與鉆井井壁之間的摩擦力并且可以很好的改善鉆頭機構(gòu)的壓力傳遞情況，顯著提升鉆頭定向滑動鉆進的效果，大幅度提高鉆井時定向鉆進的效率，并且鉆出的井眼也更加的平滑，也大大提高了單次鉆進的深度。在直井，螺桿鉆具導(dǎo)向井，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井，大位移井，頁巖氣儲層井等類型的的鉆井應(yīng)用水力振蕩器，可以有效的解決托壓，卡滑以及鉆頭控制鉆頭工作面能力差等問題。所以本次課題應(yīng)鉆井機械發(fā)展背景，設(shè)計一款性能優(yōu)良的水力振蕩器。關(guān)鍵詞：鉆井技術(shù)；摩阻；托壓；水力振蕩器；水力脈沖；摘要I第一章研究的目的和意義與國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 31.1研究的目的和意義 31.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 3第二章直徑178型水力振蕩器的研究 92.1直徑178型水力振蕩器結(jié)構(gòu)及工作原理的確定 92.2水力振蕩器關(guān)鍵部位零部件設(shè)計以及主要參數(shù)的計算 112.3射流元件應(yīng)力分析 12第三章直徑178型水力振蕩器振動短節(jié)振動分析計算 163.1水力振蕩器系統(tǒng)振動模型 163.2芯軸—碟簧振動系統(tǒng)的固有頻率 173.3碟簧組的設(shè)計方法 183.4碟簧組的設(shè)計 22第四章直旋作動器流道口水擊數(shù)值模擬 234.1直旋作動器工作原理 244.2計算直旋作動器的螺旋角 264.3流道口水擊數(shù)值模擬 27參考文獻 29結(jié)論 30致謝 31第一章研究的目的和意義與國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢1.1研究的目的和意義隨著人類科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的物質(zhì)生活越來越豐富，人們對于外部資源與內(nèi)部設(shè)施的需求越來越大。這就使得人們對鉆井的使用越來越多。近年來，有許許多多的大位移井，長水平段水平井出現(xiàn)。在鉆井的過程中，機械鉆機的鉆機速度收到摩阻或、托壓等一系列問題使得鉆井鉆速下降，而伴隨著鉆速的下降，還可能造成壓差卡鉆等一系列的井下故障，特別是在鉆頭滑動鉆進的時候，鉆頭系統(tǒng)無法給與鉆頭施加有效的鉆進壓力，使得鉆井效率下降，建井周期延長。為了解決上述問題，鉆井研究人員分別做了優(yōu)化井眼軌道，加入井筒潤滑劑，應(yīng)用滑動扶正器等方面的一系列研究實驗。但是對于解決鉆井時長水平段摩阻大，托壓等問題的效果都不太理想。因此，國內(nèi)外專家學(xué)者便紛紛把精力投入到水力振蕩器的研究當(dāng)中。水力振蕩器在工作時利用機械振動原理把鉆井機械外壁與鉆井內(nèi)壁之間的靜摩擦力轉(zhuǎn)化為動摩擦力。這樣便降低了鉆井時的摩阻，同時也減下了托壓。隨著人們對鉆井的需求量越來越大，更多的大斜度井，水平井出現(xiàn)，尤其是最近一段時間，小井眼鉆井技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，在報廢井，枯竭井上進行套管開窗式側(cè)鉆以及裸眼側(cè)鉆的水平井或定向井已發(fā)展成為了挖掘舊的油氣井剩余潛能的重要手段。用以往的鉆井方法進行鉆井時，不管是轉(zhuǎn)盤的鉆進，亦或是鉆井底部動力鉆具的鉆進，都是靠著鉆機鉆柱自身的重量來對鉆頭施加壓力。在對一些大斜度井，水平井的鉆探時，井斜角的角度不斷增大，由于矢量的原因，使得鉆頭鉆柱想要給鉆頭施加足夠的壓力變得越來越困難，與此同時，鉆機機構(gòu)與鉆井井壁之間的摩擦阻力也變得越來越大，使得鉆頭在鉆井時受到了很大的阻礙。所以在對大斜度井，水平井還有一些小井眼鉆井進行鉆探時，使用以往的依靠鉆柱自身重量施加鉆壓的方法并不能很好的進行鉆探工作。并且對這些類型的鉆井進行鉆探時，鉆機的鉆柱所處的工作狀況要比普通鉆井惡劣的多，鉆柱在作業(yè)時會產(chǎn)生振動，尤其時鉆這些類型的鉆井時，鉆柱所產(chǎn)生的縱向振動，會使得鉆頭的鉆壓難以保持穩(wěn)定，使鉆頭的鉆速下降，會使鉆頭提前磨損過度而失效，還有可能會造成鉆柱被扭斷破壞等一些嚴(yán)重的事故。而水力振蕩器的開發(fā)與使用可以改變直井，大斜度井，水平井以及開窗側(cè)鉆井等鉆井進行鉆探時的水力學(xué)效果?？梢允广@機在鉆井過程中準(zhǔn)確施加壓力，勻速送進鉆頭，使井下的事故發(fā)生率大大的減少。對于機械產(chǎn)品設(shè)計要從全局出發(fā)，在滿足使用效果的前提下，既要有技術(shù)上的先進，還要考慮產(chǎn)生的經(jīng)濟性，以及是否便于加工或是維修更換零部件等特性。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢從上世紀(jì)九十年代開始，西方多家石油勘探公司便將人力物力投入到水力振蕩器的研究當(dāng)中。經(jīng)過多年的實踐探索，國外在水力振蕩器提速方面的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的比較完善。這其中，美國國民油井華高公司（NationalOilverVarco，簡稱NOV)研制開發(fā)的水力振蕩器是最具有代表性的一款水力振蕩器。其產(chǎn)品已經(jīng)投入到商業(yè)化市場應(yīng)用。因其出色的降低摩阻的效果，應(yīng)用的范圍便越來越大，在大斜度井，水平井，多分支水平井等類型的鉆井中也使用了此款水力振蕩器。同國外相比，我國對水力振蕩器的開發(fā)研究應(yīng)用比較晚，但是水力振蕩器的發(fā)展速度較快，特別是在最近的幾十年里面，我國大大小小的鉆井勘探公司已經(jīng)研發(fā)出了十幾種水力振蕩器。部分性能出色的產(chǎn)品已經(jīng)進入了商業(yè)化市場。下面小生列舉幾款水力振蕩器的機構(gòu)原理，并分析其優(yōu)缺點。NOV水力振蕩器結(jié)構(gòu)組成NOV水力振蕩器由振動短節(jié)，動力短節(jié)，閥門和軸承系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)見圖1NOV水力振蕩器結(jié)構(gòu)簡單，機身直接鏈接到鉆桿上工作原理NOV水力振蕩器在工作過程中，鉆井液流經(jīng)動力短節(jié)時，驅(qū)動動力短節(jié)內(nèi)部的螺桿旋轉(zhuǎn)，在螺桿末端的固定閥盤的中心位置設(shè)置上過流孔，和設(shè)置有偏心過流孔的振蕩閥盤緊密配合。因為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，固定閥盤與振蕩閥盤上的過流孔會出現(xiàn)周期性的交錯與重合。這樣會使得機構(gòu)下部的過流面積出現(xiàn)周期性的變化，進而形成了脈沖式的鉆井液壓力。鉆井液壓力升高，壓力推動著活塞和中心軸壓縮后面裝置的碟簧組。心軸伸出來；而鉆井液壓力降低時，心軸便縮回到之前的位置。這樣的結(jié)構(gòu)原理，會利用脈沖壓力使工具產(chǎn)生軸向的振動，進而改變了鉆頭鉆柱與鉆井內(nèi)壁之間的摩擦形式，降低了它們之間的摩阻，從而提高了鉆井的速度。NOV水力振蕩器的優(yōu)缺點：在鉆井過程中，對鉆井的造斜段與鉆井水平段進行勘探時，鉆井速度有顯著的提升，水力振蕩器設(shè)置在鉆柱的內(nèi)部，把鉆柱滑動鉆進時與鉆井內(nèi)壁之間的靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ?。這樣使得鉆井過程中的摩擦阻力降低了百分之八十以上。定向效果優(yōu)良，NOV水力振蕩器能夠有效的避免鉆頭壓力的堆積，可以很好的操控鉆頭工作面。使用壽命短，由于NOV水力振蕩器獨特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其動力部分產(chǎn)生的脈沖壓力在使振蕩器產(chǎn)生軸向振動時也會對振蕩器的內(nèi)部零部件進行沖擊，使其使用壽命縮短。當(dāng)鉆探超過六十度井斜角的鉆井時，或者是超過十萬米的水平位移鉆井時，鉆井的速度有明顯的下降。2水力脈沖誘發(fā)振動鉆井設(shè)備設(shè)備結(jié)構(gòu)：水力脈沖誘發(fā)振動鉆井設(shè)備分為鉆頭與鉆柱連接短節(jié)，外殼，鉆頭驅(qū)動桿缸套，水力振蕩組件等幾個部分，具體結(jié)構(gòu)見圖2在此款設(shè)備中，鉆頭驅(qū)動桿和水力震蕩組件在外部都設(shè)有專用的密封元件，這樣是為了防止在鉆機工作時會有鉆井液滲漏出來。水力脈沖誘發(fā)振動鉆井設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)如下：鉆進壓力75~85KN，理想排量32~35L/S，泵壓18mpa，工作頻率24HZ.設(shè)備的工作原理：在內(nèi)部所設(shè)置的能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)，可以把鉆井液的一部分動能轉(zhuǎn)換為對井底巖石的一種周期性的沖擊能，鉆頭執(zhí)行鉆井操作時，可以同時進行徑向旋轉(zhuǎn)和軸向振動。并且水力脈沖經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換裝置改變了鉆頭面對巖石的受力狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)的鉆井設(shè)備在工作時，還能夠有效的清潔井底，使得鉆頭的破巖性能非常的優(yōu)越。水力脈沖誘發(fā)振動鉆井設(shè)備的優(yōu)缺點：該款設(shè)備成功把振動沖擊和水力脈沖的優(yōu)勢集中到了一起，設(shè)備的破巖性能十分出色。直接利用水力脈沖引起機械振動，同一般的鉆機比如靠內(nèi)部沖擊錘沖擊鉆井的結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，安全系數(shù)高。設(shè)備的適應(yīng)能力不強，作業(yè)時受到地層結(jié)構(gòu)的限制，目前為止，該種設(shè)備還不能應(yīng)用在比較堅硬的地層。設(shè)備的耐沖蝕性能比較差，水力振蕩結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)損壞。1.3自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井設(shè)備設(shè)備結(jié)構(gòu)自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井設(shè)備分為鉆柱鏈接短節(jié)，自激振蕩器，沖擊傳遞桿和鉆頭驅(qū)動鏈接短節(jié)幾部分構(gòu)成，該設(shè)備中的自激振蕩器包括一級自激振蕩器和二級自激振蕩器兩種。設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)：設(shè)備使用在井深小于6000m的鉆井中，適合應(yīng)用于井眼大小在直徑154.3~直徑407.6mm之間，鉆頭壓力為40.0~140.0KN,鉆頭轉(zhuǎn)速在60~120r/min之間，泵壓18~26mpa，理想排量20~60L/S,設(shè)備的振動頻率50~55HZ,使用的鉆井液密度1.2~1.8kg/L，壓力損耗約為0.6mpa，設(shè)備的使用壽命超過220h。設(shè)備的工作原理鉆井液流經(jīng)該設(shè)備內(nèi)部所設(shè)的一級與二級自激振蕩器的處理，出來后的鉆井液形成水力脈動壓力，然后鉆頭驅(qū)動桿將水力脈動壓力轉(zhuǎn)化成為對鉆頭的機械振動沖擊。然后水力脈動壓力繼續(xù)往下傳遞，在鉆井的底部形成脈沖射流，鉆井底部的巖石在振動沖擊和脈沖射流的共同作用下，受力情況發(fā)生改變，同時脈沖射流還可以沖洗井底的巖屑，使設(shè)備的破巖效率提升，加快設(shè)備的鉆進速度。自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井設(shè)備的優(yōu)缺點：此種類型的設(shè)備采用高性能合金鋼制造，設(shè)備的機械強度高，與鉆頭的機械強度不相上下。所使用的密封原件環(huán)境適應(yīng)能力強，可在酸性，堿性，油性以及200度高溫等環(huán)境下工作。將振動沖擊水力脈沖以及射流破巖等優(yōu)勢集中到一起，設(shè)備的破巖效果更上一層樓，速度進一步提升。設(shè)備的耐沖蝕性能出色，此款鉆井設(shè)備在受到?jīng)_蝕比較強烈的部位采用硬質(zhì)合金等高耐磨材質(zhì)制成。并且對其表面采用局部淬火“氮化”激光熔覆等強化處理。此款設(shè)備的水力脈沖高頻率，幅度平緩。可以和各種各樣的鉆具鉆頭相配合使用，安全性能強。設(shè)備壓力損耗小（低于1.2mpa），減少了鉆井泵在高壓環(huán)境下工作所產(chǎn)生的額外損失。設(shè)備使用優(yōu)化過的水力結(jié)構(gòu)以及高耐磨材質(zhì)部件，使用壽命較長，一般超過220h。另外也可以更換局部零部件，使設(shè)備的使用壽命進一步延長。由于設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點，使此款設(shè)備只能在鉆井直井段的地方使用，設(shè)備的應(yīng)用范圍較為局限。1.4軸向水力振蕩器軸向水力振蕩器的機械結(jié)構(gòu)軸向水力振蕩器分為動力部分，閥門與軸承系統(tǒng)，振動部分等幾個部分，軸向水力振蕩器的主要技術(shù)參數(shù)見表2軸向水力振動器的工作原理：軸向水力振蕩器的工作原理同NOV水力振蕩器的工作原理類似，都是依靠周期性的改變閥門的過流面積來產(chǎn)生水力脈沖，從而帶動機身上振動部分周期性伸縮來產(chǎn)生振動效果，從而將鉆柱與鉆井井壁之間的靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ粒鰪娿@頭的鉆進效率。軸向水力振蕩器的優(yōu)缺點：軸向水力振蕩器可以通過把鉆柱與鉆井井壁之間的靜摩擦轉(zhuǎn)換為動摩擦，避免了鉆壓堆積，鉆柱屈曲，鉆頭黏滑以及鉆進面丟失等現(xiàn)象的發(fā)生，從而增強了鉆頭的工作效率?？梢耘c各種類型的鉆頭配合使用，并且?guī)鱼@頭做周期性的徑向伸縮運動，沒有軸向的扭轉(zhuǎn)，可以一定程度上保護鉆頭，延長鉆頭的使用壽命。由于水力脈沖的作用，該設(shè)備內(nèi)部零部件遭受較為強烈的沖蝕作用，易于損壞，另外此設(shè)備對于鉆探巖石面的沖刷性能不佳。在執(zhí)行對鉆井的三緯扭方位鉆進過程時，該設(shè)備的鉆進速度提升效果不好。1.5徑向水力振蕩器徑向水力振蕩器的機械結(jié)構(gòu)徑向水力振蕩器分為激振機構(gòu)單元，動力單元以及旋轉(zhuǎn)密封單元等幾個部分。在該設(shè)備中，使用螺桿馬達做為其動力單元的核心部件。而激振機構(gòu)單元則分為偏心軸，外筒，密封總成，軸承還有下部轉(zhuǎn)換接頭等。詳細(xì)結(jié)構(gòu)見圖4:徑向水力振蕩器的主要技術(shù)參數(shù)如下：適用于直徑155.3mm的鉆井。設(shè)備的最大外徑122.0mm，并且配備直徑88.9mm的鉆桿。激振力的大小在0.6KN~1.5KN之間，理想排量范圍10~15L/S.設(shè)備的振動頻率10~25HZ，設(shè)備壓力損耗1.4mpa。徑向水力振蕩器的工作原理：設(shè)備執(zhí)行鉆井工作時，首先將高壓鉆井液注入徑向水力振動器，驅(qū)動馬達運轉(zhuǎn)，偏心軸在馬達主軸的帶動下發(fā)生轉(zhuǎn)動從而產(chǎn)生激振力。激振力的方向跟隨偏心軸的旋轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)式分布，這樣的激振力推動徑向水力振蕩器內(nèi)部的鉆桿，做周期性的徑向振動。徑向水力振蕩器的優(yōu)缺點：可以周期性將鉆柱與井壁之間的靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ亮Γ广@壓傳遞給鉆頭的效率更高。結(jié)構(gòu)簡單，方便維修以及更換零部件，從而延長設(shè)備的使用壽命。目前為止，此款設(shè)備的應(yīng)用尚存在局限性，在對超過60度井斜角的鉆段進行鉆探時，仍然有很明顯的托壓現(xiàn)象。1.6雙向水力振蕩器2014年，我國鉆井公司在仔細(xì)分析了軸向水力振蕩器和徑向水力振蕩器的技術(shù)特點后，綜合了兩款水力振蕩器的優(yōu)勢，開發(fā)出了一款雙向水力振蕩器。雙向水力振蕩器的機械結(jié)構(gòu)：雙向水力振蕩器分為軸向水力振蕩裝置和徑向水力振蕩裝置兩個部分。這其中徑向水力振蕩裝置可以做為獨立的振蕩單元進行使用，而軸向振動裝置部分則需要配合徑向水力振蕩裝置使用。徑向水力振蕩裝置內(nèi)設(shè)動力部分與變流閥組，而軸向水力振動裝置則是由活塞，心軸，碟簧等零部件構(gòu)成。雙向水力振蕩器工作原理：雙向水力振蕩器的徑向振動部分主要是依靠鉆井液進入馬達后，轉(zhuǎn)子帶動定子產(chǎn)生徑向振動，而變流閥則會改變流入鉆柱的液體體積，進而形成水力脈沖。軸向振動部分則是依靠徑向振動部分變流閥工作產(chǎn)生的水力脈沖推動活塞，壓縮活塞后面的彈簧裝置，進行形成軸向水力振蕩器在軸向的振動。雙向水力振蕩器的優(yōu)缺點：雙向水力振蕩器可通過徑向振動與軸向振動的方式大大減少鉆桿鉆井時所受到的摩擦力，使鉆機的鉆井速度明顯提升。此款水力振蕩裝置較受安防位置的限制，需在合適的安防位置才能發(fā)揮出其良好的使用效果。第二章直徑178型水力振蕩器的研究2.1直徑178型水力振蕩器結(jié)構(gòu)以及工作原理的確定在國內(nèi)市場上，軸向振蕩減阻器以及射流式液動沖擊器是應(yīng)用最多的振動減摩阻工具。軸向振蕩減阻器，即是我們常說的軸向水力振蕩發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)見圖2-1軸向振蕩減阻器主要分為：軸向振動短節(jié)，動力短節(jié)，閥門和軸承系統(tǒng)等幾個部分。軸向振動短節(jié)則是由心軸，活塞，碟簧組以及外管等零部件構(gòu)成。螺桿是動力短節(jié)的核心零部件，它為動力短節(jié)部分提供動力。動閥盤和定閥盤共同工作構(gòu)成水力振蕩器的水擊裝置。此款水力振蕩器的工作原理：通過心軸將鉆井液注入到振蕩器下部的螺桿轉(zhuǎn)子部分。鉆井液推動螺桿旋轉(zhuǎn)，螺桿和閥盤通過一個萬向節(jié)連接，從而也帶動閥盤旋轉(zhuǎn)，在振蕩閥盤與固定閥盤上開有不同心的孔，振蕩閥盤旋轉(zhuǎn)從而周期性的改變鉆井液的注入體積，從而產(chǎn)生了水力脈沖。水力脈沖周期性的壓縮軸向振動短節(jié)下部的碟簧組，從而使碟簧組周期性的發(fā)生彈性形變，來推動活塞引起了振蕩性的軸向振動。把鉆機鉆柱與鉆井外壁之間的靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ亮?，使鉆頭因為摩擦而損耗的能量大幅度下降，并減少扭矩。但是這樣的結(jié)構(gòu)的水力振蕩器會因為螺桿轉(zhuǎn)動而帶來橫向振動和扭轉(zhuǎn)振動，要想制造外徑比較大的此款設(shè)備，需要一個很高的造價。在水力振蕩器方面我國還自主創(chuàng)新研發(fā)了一款射流式液動沖擊裝備，內(nèi)部結(jié)構(gòu)使用無運動的射流元件來控制振動的產(chǎn)生。比較國外的各種閥門式振蕩機，此種設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，對環(huán)境的適應(yīng)能力更強，具體結(jié)構(gòu)見圖2-2。射流式液動沖擊器可分為射流元件，缸體，活塞，沖錘還有帖子幾部分。射流式液動沖擊器的工作原理：鉆井液經(jīng)過射流元件附壁的作用，使鉆井液在不同時間進入不同的通道從而推動活塞作往復(fù)運動，來使設(shè)備產(chǎn)生振動。但是這種水力振蕩器容易出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)也比較大，而且部分零部件受沖蝕嚴(yán)重，需要頻繁更換。在綜合了上述兩款水里振蕩器的機械結(jié)構(gòu)原理以及使用性能上的優(yōu)缺點，我國水力振蕩器研究學(xué)者柳鶴將兩種水力振蕩器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)巧妙結(jié)合研發(fā)出了一款新型的振動減摩設(shè)備，其機械結(jié)構(gòu)見圖2-3心軸、2-上接頭、3-隔套、4-外管、5-碟簧組、6-中接頭、7-心軸中接頭、8-斯特封活塞、9-心軸下接頭、10-下接頭、11-上接頭、12-調(diào)節(jié)碟簧、13-外缶工、14-上接頭、15-射流元件、16-缸體、17-調(diào)整錐桿、18-活塞、19-圓柱銷、20-缸蓋、21-隔套、22-節(jié)流盤、23-下接頭這種水力振蕩設(shè)備是依靠振蕩短節(jié)中設(shè)置的碟簧組來實現(xiàn)機體的振動，通過設(shè)置在振蕩短節(jié)中的射流元件來周期性對碟簧組部位進行加壓與釋放，從而可以像前面提到的軸向振蕩減阻器一樣來為振動提供所需的能量。這樣的結(jié)構(gòu)因為圓柱銷會對節(jié)流盤產(chǎn)生沖擊，使得節(jié)流盤的損壞率比較高，節(jié)流盤損壞最終會使得振蕩短節(jié)無法產(chǎn)生水擊效應(yīng)進而形成壓力波的過程，然后導(dǎo)致水力振蕩器失效。本次設(shè)計，學(xué)生按照課題要求并且參考射流式水力振蕩器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一款直徑178型軸向水力振蕩器。具體結(jié)構(gòu)見圖2-4:芯軸、2-上接頭、3-套筒、4-碟形彈簧、5-外管、6-芯軸中接頭、7-斯特封活塞、8-芯軸下接頭、9-中接頭、10-下接頭、11-振蕩短節(jié)接頭、12-射流元件、13-缸體、14-活塞、15-旋轉(zhuǎn)套、16-活塞桿、17-缸蓋、18-導(dǎo)向套、19-平動滾珠固定套、20-鋼球、21-平動套、22-軸承、23-旋轉(zhuǎn)滾珠固定套、24-旋轉(zhuǎn)套、25-尾套。這一款的直徑178型軸向水力振蕩器的工作原理為：鉆井液從軸向振動短節(jié)的芯軸中心經(jīng)過，進入到水力振蕩短節(jié)，經(jīng)過射流元件噴嘴處理成為高速射流，在射流元件里面作附壁切換推動著后面的活塞在管體里面進行直線性的往復(fù)運動，與此同時和活塞桿下端連接在一起的直旋作動器驅(qū)動節(jié)流孔上面的旋轉(zhuǎn)套做圓周狀的來回擺動。從而可以周期地改變節(jié)流孔鉆井液的過流面積，在振動短節(jié)入口的地方形成周期性的脈沖壓力波。鉆井液壓力升高時，流體壓力推動軸向振動短節(jié)里面的芯軸向左壓縮碟簧組，芯軸伸出。鉆井液壓力降低時，被壓縮后的碟簧恢復(fù)原狀向外釋放能量，然后推動著芯軸向右運動。按照這種方式下部設(shè)立的水力振蕩短節(jié)經(jīng)上部的軸向振動短節(jié)提供動力。達到驅(qū)動連續(xù)油管往復(fù)運動，從而解決鉆頭滑動鉆井過程中面臨的托壓問題。2.2水力振蕩器關(guān)鍵部位零部件設(shè)計以及主要參數(shù)的計算2.2.1計算流體動力學(xué)簡介及運用計算流體動力學(xué)（ComputationalFluidDynamics，CFD）是一門融合了流體力學(xué)與數(shù)值計算兩部分內(nèi)容的學(xué)科，是一門應(yīng)用計算機科學(xué)技術(shù)與圖像顯示技術(shù)為方法的新型學(xué)科。使用計算流體動力學(xué)技術(shù)模擬鉆頭進行鉆井工作時射流式水力振蕩器的內(nèi)部流場和壓力場分布情況，能夠很好的優(yōu)化水力振蕩器的機械結(jié)構(gòu)以及工作性能。同常規(guī)的室內(nèi)外樣機實驗相比，計算流體動力學(xué)模擬技術(shù)更節(jié)省成本，并且可以縮短試驗周期以及簡化試驗步驟。本次研究的射流式水力振蕩器在工作時內(nèi)部流場十分復(fù)雜，因此本次我們使用Solidworksflowsimulation插件來模擬射流式水力振蕩器在工作情況下附壁射流機構(gòu)內(nèi)的流場分布還有壓力變化特性，從而實現(xiàn)對水力振蕩器的仿真模擬。對于使用Solidworksflowsimulation插件對射流式水力振蕩器內(nèi)部流場的模擬仿真的詳細(xì)過程，因篇幅原因本文不再一一敘述，只列出仿真結(jié)果。假設(shè)活塞，活塞桿以及活塞桿下方連接機構(gòu)的質(zhì)量為M，缸體的內(nèi)徑為D，面積為A，活塞桿直徑為p2，面積為A3，活塞上部腔體內(nèi)水壓為P,活塞下腔水壓力為P2，活塞所受阻力用R表示，因此，施加在活塞上的壓力差為：2.3射流元件應(yīng)力分析在本次設(shè)計的水力振蕩器振蕩短節(jié)中，振蕩機構(gòu)分為射流元件、活塞缸、活塞和活塞桿幾部分。為了確保振蕩機構(gòu)在工作過程中能夠正常發(fā)揮它的特定作用并且延長振蕩機構(gòu)的使用壽命，我們在設(shè)計時要對該機構(gòu)中的關(guān)鍵零部件做應(yīng)力分析，在振蕩短節(jié)中射流元件受沖蝕效應(yīng)比較嚴(yán)重，非常容易損壞,參考下圖：圖2-3射流元件損壞圖

圖2-3射流元件損壞圖我們利用流體仿真插件采用流固耦合的分析方式來分析射流元件在執(zhí)行操作時會受到的作用力，本次設(shè)計的射流元件采用對稱結(jié)構(gòu)，所以我們只需要分析射流附壁于射流元件內(nèi)部一側(cè)所受的應(yīng)力以及應(yīng)變，具體的分析模型分成流體域和固體域，參考圖2-3-2和2-3-3所示：圖2-3-1流固耦合分析流體域圖2-3-3流固耦合分析固體域首先我們對流體域進行模擬，分析出射流元件內(nèi)部流體作用力，具體的射流元件流體作用力導(dǎo)入固體域后的作用力分布情況見圖2-3-4：圖2-3-4射流元件流體作用力圖

接著我們將模擬所分析出來的的流體作用力導(dǎo)入到固體域中進行應(yīng)力分析，分析結(jié)果見圖2-3-5和2-3-6：圖2-3-5射流元件應(yīng)力圖圖2-3-6射流元件應(yīng)變圖由上圖分析結(jié)果可知在射流元件入射道、排出道拐角處以及附壁面的應(yīng)力要比其它地方高出很多，并且因為受到鉆井液的沖蝕，這幾個部位對比其它地方來說也更加容易損壞，為了使這幾個地方更加的耐用，我們在加工這幾個地方時鑲嵌硬質(zhì)合金塊或者對表面進行滲氮、滲碳等特殊熱處理。第三章直徑178型水力振蕩器振動短節(jié)振動分析計算3.1水力振蕩器系統(tǒng)振動模型在本次設(shè)計的水力振蕩器振動短節(jié)中，水擊元件為振蕩器的振動提供所需要的激振力，水力振蕩器所設(shè)的振動短節(jié)內(nèi)部碟簧組的運動帶動芯軸運動，從而產(chǎn)生往復(fù)的振動。此款水力振蕩器的振動為有阻尼的受迫振動，水力振蕩器的振動微分方程為： 公式中：m,c,k分別代表振動系統(tǒng)的質(zhì)量，阻尼，剛度；則是分別代表振動系統(tǒng)的加速度，速度，位移；F代表著振動系統(tǒng)所受的激勵力，它是一個周期性激振力，水擊效應(yīng)的作用力近似為簡諧激振力：在一般情況下，阻尼比小于一時，可以認(rèn)為共振頻率也就是激振力頻率等于統(tǒng)固有頻率。系統(tǒng)發(fā)生共振,共振的振幅為：3.2芯軸一碟簧振動系統(tǒng)的固有頻率像水力振蕩器振動短節(jié)芯軸一碟簧系統(tǒng)，需要把芯軸簡化成為振子、碟簧組簡化為有質(zhì)量的彈簧，用能量法計算水力振蕩器系統(tǒng)的固有頻率。圖3-2彈簧振子簡化示意圖假設(shè)彈簧的質(zhì)量為m、長度為L質(zhì)量均勻分布的彈性體，當(dāng)振子產(chǎn)生一個dx的位移時，彈性體也會產(chǎn)生一個位移，假設(shè)彈性體各部分的位移同它們到固定點之間的距離成正比，那么彈性體微元dm移動的距離為：因為彈性體的質(zhì)量呈現(xiàn)分布均勻的狀態(tài)，所以有：這樣我們便能計算出彈性體微元的動能為：對整個彈性體進行積分可以得到在任意時刻彈性體的總動能為：令可以得到：振動系統(tǒng)的哈密頓量為:得到的哈密頓正則方程為：聯(lián)和上面公式可得:解出上式得到其通解為：其中系統(tǒng)的固有圓頻率為：即系統(tǒng)的固有頻率為公式中：k是振動系統(tǒng)組合碟簧的總剛度，單位N/mmm0表示芯軸的質(zhì)量，單位kgm代表包括組合碟簧組以及套筒的質(zhì)量，單位kg3.3碟簧組的設(shè)計方法圖3-3-1單片蝶形彈簧圖圖3-3-2復(fù)合碟形彈簧圖經(jīng)過多次實驗研究得出結(jié)論，諸如隨鉆測量、鉆頭及導(dǎo)向這樣的工具，振動的頻率對于此類工具很有影響，普遍認(rèn)為當(dāng)振動頻率低于10Hz時，振動對于井下鉆井工具的影響是良性的；當(dāng)頻率大于10Hz小于60Hz的時時候，振動對于井下鉆井工具會產(chǎn)生中等程度的影響；當(dāng)頻率大于60Hz時，振動會對井下鉆井設(shè)備產(chǎn)生破壞性的影響。本次水力振蕩器振蕩元件的激振頻率為7Hz,因為我們要讓水力振蕩器振動短節(jié)同振蕩元件形成共振，所以把振動短節(jié)中芯軸一碟簧振動系統(tǒng)的固有頻率設(shè)計為7Hz左右,因為水力振蕩器內(nèi)鉆井液的阻尼作用，設(shè)置的水力振蕩器工作頻率不但不會對井下鉆井工具造成明顯影響，而且也不會破壞水力振蕩器的機械結(jié)構(gòu)。首先我們選定所使用的碟簧的特性曲線。然后根據(jù)碟簧的布置空間，選取合適的碟簧外圓直徑D與內(nèi)圓直徑d并確定它們之間的比值C,參考圖3-3-1。接下來給定f/h的值，然后根據(jù)應(yīng)力計算公式計算出滿足使用強度要求的碟簧厚度t。最后再根據(jù)本次水力振蕩器工作所受載荷與變形的關(guān)系，確定碟簧組合方式和碟簧的總片數(shù)，組合碟簧采用疊合再對合的方式布置，疊合層數(shù)為n,對合次數(shù)為i,布置方式見圖3-3-2，最后把組合碟簧用并聯(lián)的方式套在在芯軸上，并聯(lián)個數(shù)為numo確定已知參數(shù)： 參考圖3-3-1所示，單個碟簧的結(jié)構(gòu)主要分為4個尺寸參數(shù)（h0,t,D和d）,根據(jù)水力振蕩器振動短節(jié)結(jié)構(gòu)所留空間我們?nèi)=55mm,d=34mm。單片碟簧厚度計算:

當(dāng)hO/t的值在0-0.5之間時，碟簧的特性曲線接近直線，近似于壓縮圓柱螺旋彈簧。內(nèi)外徑比值應(yīng)力公式系數(shù)的值碟簧無支承面碟簧壓縮極限后面的計算中均以下式代入?yún)⒖紙D3-3-2,最大切應(yīng)力位于碟簧內(nèi)圓外表而的I處（碟簧材質(zhì)為60Si2CrVA）其中：E代表的是材料彈性模量；振動系統(tǒng)的固有頻率計算：為了便于計算芯軸質(zhì)量，我們把芯軸分成連接段和安裝碟簧段兩段，來計算它的質(zhì)量，質(zhì)量大約是（芯軸的材質(zhì)為40CrMnMo）公式中：P代表材料密度；L代表的是安裝碟簧段長度;內(nèi)套筒的質(zhì)量振動系統(tǒng)振子質(zhì)量碟簧的質(zhì)量組合碟簧的總剛度3.4碟簧組的設(shè)計利用MATLAB我們把已經(jīng)知道的參數(shù)還有計算公式求解出符合設(shè)計要求的碟簧組合形式以及具體的碟簧參數(shù)，接著計算出在限定條件下可以讓碟簧組壓縮量最大的數(shù)據(jù)。首先要確定設(shè)計變量。對于碟簧組的結(jié)構(gòu)來講，未知參數(shù)包括碟簧厚度t、碟簧組的疊合層數(shù)為n,對合次數(shù)為i還有并聯(lián)個數(shù)mun,所以設(shè)計變量為：然后確定設(shè)計約束。按照本次碟簧的設(shè)計方式還有水力振蕩器振動短節(jié)自身設(shè)計的尺寸等限定條件，具體的約束可分為以下幾個：碟簧特性曲線的要求碟簧壓縮界限要求碟簧強度要求，碟簧內(nèi)圓外表面的I處的應(yīng)力應(yīng)小于材料的屈服極限碟簧疊合片數(shù)要求，一般情況下碟簧片數(shù)不超過（5）工作頻率要求，當(dāng)水力振蕩器工作頻率不超過10Hz時振動對于井下鉆井工具的影響是良性的，并且與振蕩短節(jié)的激振頻率近似最后利用MATLAB編寫設(shè)計代碼然后進行求解（計算步驟因篇幅原因不在詳細(xì)敘述），得出的最終結(jié)果為：碟簧外圓直徑55mm、內(nèi)圓直徑34mm、疊合層數(shù)為2、對合次數(shù)為5、并聯(lián)個數(shù)為4。水力振蕩器振動短節(jié)振動系統(tǒng)固有頻率為7.2Hz,最大壓縮量為6.25mm。根據(jù)得出的結(jié)果設(shè)計出的水力振蕩器振動短節(jié)結(jié)構(gòu)如圖3-4所示：第四章直旋作動器流道口水擊數(shù)值模擬直旋作動器是一種能夠把活塞桿的直線往復(fù)運動轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)套往復(fù)擺動運動的機構(gòu)，在各種工程機械還有石油鉆井工具中被普遍應(yīng)用。直旋作動器具體結(jié)構(gòu)見圖4-1：1-活塞桿；2-導(dǎo)向套；3-平動滾珠固定套；4-滾珠；5-平動套；6-軸承；7-套筒;8-旋轉(zhuǎn)套；9-旋轉(zhuǎn)滾珠固定套；10-尾套圖4-1直旋作動器結(jié)構(gòu)簡圖4.1直旋作動器工作原理直旋作動器由旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與平動機構(gòu)構(gòu)成其核心部件，活塞桿上的活塞受到鉆井液的的不同方向的壓力在活塞缸內(nèi)做上下往復(fù)運動，帶動活塞桿還有平動套在導(dǎo)向套內(nèi)沿著軌道進行往復(fù)平移運動，平動套的上半部分是直線軌道，下半部分是螺旋軌道，在旋轉(zhuǎn)滾珠固定套的作用下平動套的直線運動迫使螺旋軌道內(nèi)的滾珠將力傳遞給旋轉(zhuǎn)套，使得旋轉(zhuǎn)套作周向往復(fù)擺動運動。具體結(jié)構(gòu)見圖4-1-1和圖4-1-2：流道口在直旋作動器旋轉(zhuǎn)套帶動下做旋轉(zhuǎn)運動時，流道口過流面積發(fā)生周期性的變化，因此可以使鉆井液產(chǎn)生周期性壓力脈沖，周期性壓力脈沖傳遞到振動短節(jié)，周期性的壓縮蝶形彈簧，從而使振蕩器得以產(chǎn)生周期性的軸向振動。圖4-1-2流道口初始位置與結(jié)束位置示意圖旋轉(zhuǎn)套上流道口在旋轉(zhuǎn)的過程中，鉆井液的流通區(qū)域逐漸發(fā)生改變。參考圖4-4-3，我們設(shè)定旋轉(zhuǎn)套上流道口的半徑為R,圓心距離旋轉(zhuǎn)套中心距離為L,陰影面積大小為S。圖4-4-3流道口運動簡圖計算陰影面積大小的公式為:計算運動階段a的公式為:隨著旋轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動鉆井液的流通區(qū)域消失后，即陰影面積S=nR2時，鉆井液的停止注入會形成水擊效應(yīng)，從而使水力振蕩器振蕩短節(jié)產(chǎn)生周期性的壓力波。水擊壓力為：其中：P代表流體密度,單位kg/m3；C代表水擊壓力傳播速度，單位m/s；v代表節(jié)流口處的流速，單位m/s；水擊壓力傳播速度為：式中：E為流體彈性模量，單位MPa；e為管壁厚度，單位mm；E0為管壁材料彈性模量，單位MPa；4.2計算直旋作動器的螺旋角根據(jù)直旋作動器的結(jié)構(gòu)我們知道，直旋作動器的水擊頻率取決于平動套、旋轉(zhuǎn)套、滾珠的直徑以及軌道的螺旋角。因為前文當(dāng)中我們已經(jīng)確定了活塞缸的結(jié)構(gòu)尺寸，直旋作動器的水擊頻率為7赫茲，平動套移動的距離與活塞的移動距離都為為40mm,假設(shè)旋轉(zhuǎn)套的螺旋角為B,參考圖4-2-1，直旋作動器的公稱直徑為46mm,在活塞桿的帶動下，平動套做往復(fù)的直線運動，旋轉(zhuǎn)套做擺動運動，根據(jù)圖4-1-2所示，旋轉(zhuǎn)套最大擺動角度為120度。圖4-2-1直旋作動器截面圖計算旋轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)動的角度公式:公式中：d。代表直旋作動器公稱直徑；代表旋轉(zhuǎn)套的擺動角度；1是平動套的直線移動距離；因此直旋作動器的螺旋角計算公式為:也就是，直旋作動器的螺旋角等于:為了便于加工螺旋角，取直旋作動器的螺旋角為40度。4.3流道口水擊數(shù)值模擬雖然水力振蕩器的振動短節(jié)與水擊振蕩元件短節(jié)可以形成共振，但是因為阻尼作用的存在，因此振動短節(jié)的振動幅度不可能無限的大，鉆井液的流體阻尼是振動短節(jié)中阻尼的主要來源。為了保證水力振蕩器在工作時能夠有足夠的振動幅值，所以我們需要研究直旋作動器流道口孔徑大小對于水擊激振力的影響，從而選擇一個合適的流道口孔徑。本次我們使用數(shù)值模擬的方法，在水力振動器的工作流量下，研究不同的流道口半徑R對于水力振蕩器激振力大小的影響。使用液態(tài)水作為鉆井液介質(zhì)、流量1.5L/S,流道口半徑R分別取2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm,流道口圓心距離旋轉(zhuǎn)套中心距離L的值7mm,對流道口流場進行數(shù)值模擬，因為模擬需要我們對直旋作動器流域進行適當(dāng)?shù)暮喕?，簡化后的模型見圖4-3。圖4-3直旋作動器流域簡化模型隨后將畫好網(wǎng)格的模型導(dǎo)入solidworksflowsimulation中模擬。我們把不同孔徑的流道口全部模擬后得到了直旋作動器流道口半徑與水擊壓力變化之間的關(guān)系，見下圖，由此可見水擊壓力隨著流道口半徑的減小而增大，這是因為流道口半徑減小，通過流道口的鉆井液速度會加快，所以發(fā)生水擊時壓力會變大。參