射流沖擊器的研究與應(yīng)用

射流沖擊器的研究與應(yīng)用

射流發(fā)生器是中國的原始植物，具有獨(dú)立的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。已經(jīng)形成了一系列。它在采礦業(yè)、水文井鉆、大陸科學(xué)勘探等領(lǐng)域取得了顯著成效。目前射流沖擊器正向油氣鉆井領(lǐng)域拓展。油氣鉆井對射流沖擊器提出了特殊的要求,即:(1)有耐高背壓的性能或不受背壓的影響;(2)具備合理的沖擊功和沖擊頻率,滿足牙輪鉆頭的受力條件;使其在提高鉆進(jìn)效率的同時(shí),不影響牙輪鉆頭的使用壽命;(3)對泥漿的適應(yīng)性要強(qiáng),以滿足復(fù)雜地層油氣田勘探鉆進(jìn);(4)需設(shè)計(jì)防空打機(jī)構(gòu),從而有效地延長沖擊器的使用壽命;(5)具有較長的使用壽命,以節(jié)約輔助鉆進(jìn)時(shí)間,提高鉆進(jìn)效率。1日化學(xué)成員提高沖擊功的方法為使射流式?jīng)_擊器更好地適應(yīng)新領(lǐng)域的需要,開展了一系列的試驗(yàn)研究和理論研究工作。20世紀(jì)90年代中期,殷琨教授依據(jù)理論公式,建立了數(shù)學(xué)模型,開發(fā)了計(jì)算機(jī)仿真分析軟件,對射流式液動(dòng)沖擊器內(nèi)部動(dòng)力過程及工作參數(shù)進(jìn)行了模擬仿真分析,利用有限差分原理將活塞運(yùn)動(dòng)行程微分,利用計(jì)算機(jī)可以模擬計(jì)算出每一瞬時(shí)缸體內(nèi)流體壓力及流量變化等參數(shù),并與實(shí)測數(shù)據(jù)相擬合,建立相應(yīng)的模擬計(jì)算公式,確定相關(guān)系數(shù),從而建立活塞運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的理論基礎(chǔ)是:水擊波動(dòng)方程,伯努利方程,活塞運(yùn)動(dòng)微分方程等。電算程序采用C語言編制,充分利用C語言豐富的圖形處理功能,調(diào)試方便,編程速度快的優(yōu)點(diǎn)。用戶界面全部采用圖形方式、菜單提示,操作方便。程序可繪出各參數(shù)之間相互影響的關(guān)系曲線,便于揭示各參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系。如位移曲線,動(dòng)力過程曲線,瞬時(shí)流量曲線,活塞質(zhì)量及行程與沖擊功、沖擊頻率變化關(guān)系曲線等。初步尋求了大幅度提高沖擊功的途徑和方法,并通過實(shí)驗(yàn)證明,加大活塞行程、加大活塞沖錘質(zhì)量、提高泵量是提高射流式液動(dòng)沖擊器單次沖擊功的有效措施。菅志軍在殷琨教授的工作基礎(chǔ)上,進(jìn)一步通過系統(tǒng)試驗(yàn)研究了活塞行程、沖錘質(zhì)量、水泵泵量、活塞桿直徑等因素對射流式液動(dòng)沖擊器的影響,推動(dòng)了射流式?jīng)_擊器在油氣、地?zé)徙@井和大陸科學(xué)鉆探領(lǐng)域的入井應(yīng)用試驗(yàn),取得顯著成效。由于油氣鉆井泥漿泵排量往往高出射流式?jīng)_擊器所需工作流量,進(jìn)行分流結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是油氣鉆井用射流式?jīng)_擊器研制所必需的。為了獲得分流流量變化的具體規(guī)律,祈宏軍進(jìn)行了KSC-127型射流式?jīng)_擊器的分流試驗(yàn)研究并進(jìn)行了理論探討。針對YSC-178型射流式?jīng)_擊器在油氣鉆井試驗(yàn)和KSC-127型射流式?jīng)_擊器在大陸科學(xué)鉆探中發(fā)現(xiàn)的射流元件沖蝕較嚴(yán)重,工作壽命還不能完全滿足實(shí)際要求的問題,李偉濤進(jìn)行了射流元件工作面爆炸噴涂耐磨耐蝕材料的試驗(yàn)研究,探索了通過改善材料表面狀況的途徑提高射流元件工作壽命的可行性。彭枧明進(jìn)行了射流式?jīng)_擊器增設(shè)蓄能裝置的數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)研究,建立將射流元件考慮在內(nèi)的射流式?jīng)_擊器“類沖擊水輪機(jī)式模型”?；诮⒌南盗袛?shù)學(xué)模型,運(yùn)用有限差分原理,在VisualBasic6.0開發(fā)平臺(tái)上開發(fā)了仿真分析軟件,并詳細(xì)分析了泵量、活塞沖錘質(zhì)量、活塞直徑、活塞桿直徑、活塞行程、前腔蓄能器初始容積和充氣壓力、后腔蓄能器初始容積和充氣壓力、緩沖蓄能器初始容積和充氣壓力、緩沖行程和活塞桿后端緩沖段直徑、緩沖彈簧剛度系數(shù)和預(yù)壓量等因素對射流式?jīng)_擊器性能的影響。譚凡教對射流式?jīng)_擊器進(jìn)行了改型設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,對射流式?jīng)_擊器關(guān)鍵部件-射流元件的流場進(jìn)行理論分析,分析得出元件附壁側(cè)和非附壁側(cè)各自排空道、輸出道,信號(hào)道、出口的流體壓力,流速等變量的控制方程。根據(jù)牛頓第二定律、流體連續(xù)性原理、氣體狀態(tài)方程、建立氮爆式液壓沖擊器系統(tǒng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的微分方程組,建立沖擊器機(jī)構(gòu)的物理方程組:動(dòng)力平衡方程、氣體狀態(tài)方程、流量平衡方程、壓力差方程,然后應(yīng)用matlab/Simulink建立系統(tǒng)仿真模型,進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真和數(shù)據(jù)分析。在理論上做了積極的探討和研究。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展,借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),可以大大縮短射流沖擊器研制的周期。微機(jī)模擬仿真電算的數(shù)學(xué)模型基于活塞運(yùn)動(dòng)微分方程、流體伯努利方程、流量方程、水擊能量方程等,建立活塞每微段內(nèi)運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型,并預(yù)先設(shè)定各方程中的相關(guān)系數(shù),待實(shí)際沖擊器參數(shù)測定后加以擬合修定,使電算值與實(shí)測值達(dá)到高度吻合。2采用射流沖擊裝置對沖擊錘的內(nèi)部動(dòng)力過程進(jìn)行的數(shù)學(xué)模型和模擬分析2.1射流式液體運(yùn)動(dòng)錘內(nèi)部動(dòng)力過程的數(shù)學(xué)模型2.1.1沖程階段和回流階段首先建立活塞及沖錘在缸體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及上下缸內(nèi)液體狀態(tài)變化的數(shù)學(xué)模型,射流沖擊器活塞及沖錘的運(yùn)動(dòng)模型可簡化至如圖1所示。(A)沖程階段:G.沖錘重量;Fn.上腔壓力對活塞作用力;Fb.沖程時(shí)背壓對活塞及沖錘作用力;Fr.沖程水墊阻力及摩擦力;P1.進(jìn)水壓力;V1.進(jìn)水速度;S1.活塞作用面積;S2.活塞桿橫截面積。(B)回程階段:Fn.下腔壓力對活塞作用力;Fb.回程時(shí)上腔壓力對活塞作用力;Fb1.回程時(shí)背壓對活塞及沖錘作用力;V2.出水速度;其它符號(hào)含義同沖程。2.1.2沖程階段的激活運(yùn)動(dòng)方程加速度微分方程為:式中:V———任一時(shí)間微段內(nèi)的初始速度;Δt———微段時(shí)間(計(jì)算步長)。2.1.3多元階段的激活運(yùn)動(dòng)方程加程度微分方程:2.1.4任一門微段內(nèi)初始狀態(tài)和末狀態(tài)上下腔壓力及流速的變化關(guān)系可用伯努利方程表示,設(shè)P0,V0,P1,V1為任一時(shí)間微段內(nèi)初始狀態(tài)和末尾狀態(tài),所以在任一時(shí)間間隔內(nèi)初始狀態(tài)和末尾狀態(tài)可用伯努力方程來表示。式中:P0、V0———任一時(shí)間微段內(nèi)初始參數(shù);P1、V0———任一時(shí)間微段末的參數(shù);γ———重度;τ———壓力損失系數(shù)(分為局部和沿程)。2.1.5沖擊速度m根據(jù)理論力學(xué),活塞回彈速度應(yīng)為:式中:V′———活塞回彈速度,m/s;Vc———活塞沖擊速度,m/s;VZ———打擊體的初速度,m/s;mc———活塞質(zhì)量,kg;mZ———打擊體的質(zhì)量,kg;k———回彈系數(shù)。因?yàn)閂Z=0,所以可得回彈速度:當(dāng)打擊體與地面連接,活塞沖錘自上而下沖擊時(shí),打擊體質(zhì)量mz可視為無窮大。2.2matlab中的獨(dú)立功能和使用方法Matlab是目前最流行的控制系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)軟件,為用戶提供強(qiáng)大的功能和友好的界面。Simulink作為Matlab的重要組成部分,具有相對獨(dú)立的功能和使用方法。它是一種針對各種物理、數(shù)學(xué)系統(tǒng),尤其是控制系統(tǒng)以及基于數(shù)字信號(hào)處理(DSP)系統(tǒng)的建模、分析以及仿真環(huán)境,廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、離散時(shí)間系統(tǒng)、連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)、單輸入單輸出系統(tǒng)、多輸入多輸出系統(tǒng)、多速率系統(tǒng)和多級(jí)模型系統(tǒng)。2.2.1參數(shù)參數(shù)活塞及沖錘質(zhì)量:m;活塞幾何參數(shù):D1、D2、S1、S2;沖擊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)位移參數(shù):S、S0、S1、S10、S2、S12、S3、S23;時(shí)間參數(shù):t0、t1、t10、t2、t12、t3、t23。水物理參數(shù):密度ρ=1×103kg/m3;鋼材物理參數(shù):彈模E=200×109Pa;地球重力加速度:g=9.8m/s2。壓力參數(shù):P1、Pb、P0;流速系數(shù):V1、V2。2.2.2模擬框架圖沖錘活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng),速度和位移仿真框圖如圖2所示。2.2.3功能不同對沖擊功的影響Simulink射流沖擊器仿真系統(tǒng)模型如圖3所示。對射流式?jīng)_擊器的微機(jī)模擬仿真電算研究揭示出以下幾點(diǎn)重要結(jié)論:(1)泵量和泵壓呈一次線性關(guān)系變化。泵量增大時(shí),沖擊功、沖擊頻率及有效熱功效率相應(yīng)增大。(2)活塞行程對沖擊功產(chǎn)生較大的影響。行程增大,沖擊末速度提高,沖擊功增加,沖擊頻率有所降低,沖擊功率加大。沖擊功隨行程增加呈線性提高,是實(shí)現(xiàn)大沖擊功的一條有效措施。(3)沖擊活塞質(zhì)量變化對沖擊功的影響。在泵壓保持不變條件下沖擊功變化不大,而沖擊頻率變化較大。在保持泵量不變,泵壓隨活塞質(zhì)量增加而增大時(shí),沖擊功相應(yīng)增加。一般認(rèn)為,活塞質(zhì)量與沖擊功關(guān)聯(lián)較大,質(zhì)量大,則沖擊功增加。電算結(jié)果科學(xué)地揭示了活塞質(zhì)量對沖擊器工作參數(shù)的影響規(guī)律。對電算結(jié)果的研究和分析表明,對沖擊器沖擊功產(chǎn)生影響的因素很多,諸如動(dòng)力介質(zhì)參數(shù)、前后缸體對活塞的有效作用面積、活塞質(zhì)量、活塞行程等,其中活塞行程對沖擊能影響尤為顯著。通過模擬電算,加深了對沖擊器工作參數(shù)理論的認(rèn)識(shí),使沖擊器的設(shè)計(jì)趨于科學(xué)化。電算后可打印輸出沖擊器的各主要工作性能參數(shù),如沖擊功、沖擊頻率、水泵壓力及流量、沖擊器的各結(jié)構(gòu)參數(shù)等,供設(shè)計(jì)者參考。3問題的發(fā)展趨勢3.1基本內(nèi)流場分析(1)由于考慮到射流元件與活塞運(yùn)動(dòng)之間相互影響的復(fù)雜性和不可測性,以往一般都直接將活塞運(yùn)動(dòng)部分作為研究對象,忽略或簡化射流元件內(nèi)部工作流體對活塞運(yùn)動(dòng)的影響。(2)目前進(jìn)行的射流式液動(dòng)沖擊器內(nèi)流場分析,國內(nèi)基本都是基于穩(wěn)態(tài)的假定,而實(shí)際射流式液動(dòng)沖擊器內(nèi)部流場本質(zhì)是非穩(wěn)態(tài)的。(3)射流沖擊器仿真數(shù)學(xué)模型還沒有統(tǒng)一,有待進(jìn)一步完善。3.2流場測試技術(shù)為了更準(zhǔn)確地描述射流式液動(dòng)沖擊器內(nèi)部流場的特征,提高理論研究與設(shè)計(jì)水平,特別有必要加快對射流式液動(dòng)沖擊器內(nèi)部流場瞬態(tài)特性的研究,但由于瞬態(tài)特性的模擬對計(jì)算機(jī)要求非常高,對于提高數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性來講,應(yīng)用瞬態(tài)模型研究射流式液動(dòng)沖擊器瞬態(tài)特性是數(shù)值模擬計(jì)算的發(fā)展方向。當(dāng)前,簡化細(xì)化邊界條件,逐步改進(jìn)計(jì)算物理模型使之逼近真實(shí)模型從而提高數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確性是射流式液動(dòng)沖擊器數(shù)值計(jì)算研究的重點(diǎn)和趨勢。隨著科學(xué)的發(fā)展與進(jìn)步,流場測試技術(shù)主要向PIV、LIF(激光誘導(dǎo)熒光技術(shù))和光學(xué)表面測壓技術(shù)方面發(fā)展。PIV已進(jìn)入實(shí)用階段,能夠測量三維瞬時(shí)的速度矢量場;LIF既能定性的顯示流場又能定量的測量速度、溫度和密度等參數(shù),既可用于低速流動(dòng),又可用于高速流動(dòng),雖然技術(shù)難度較大,投資費(fèi)用也很高,但確實(shí)是一種很有發(fā)展前途的流動(dòng)顯示與測量技術(shù)。光學(xué)表面測壓的最大優(yōu)點(diǎn)是模型測力和測壓可以同時(shí)進(jìn)行,節(jié)省了制造常規(guī)模型和單獨(dú)進(jìn)行模型測壓實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用,又能得到用常規(guī)打孔測壓模型實(shí)驗(yàn)難以得到的某些模型部位表面的壓力信息。在射流研究方面,近年來,國內(nèi)外研究人員有了新手段,取得了新進(jìn)展。目前,CFD技術(shù)被廣泛用來定量分析單相流和多相流流場,通過建立沖擊器內(nèi)流體通道的計(jì)算模型,計(jì)算分析流道內(nèi)各處的流體流速和壓力分布,在樣機(jī)制造和試驗(yàn)前,可在計(jì)算機(jī)屏幕上看到流道各處的旋渦大小、流體流速大小和方向。為改型設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。對射流的研究,尤其是對附壁射流的研究,有利于揭示射流元件內(nèi)部的流動(dòng)細(xì)節(jié),改善和優(yōu)化射流元件內(nèi)部流場,有效