李奪,萬霖,李劍
(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院,大慶163319;2.東北石油大學)
科學技術的快速發(fā)展,對石油等能源需求量不斷增長,行業(yè)內(nèi)逐步加大了石油勘探開發(fā)的力度,區(qū)域上由內(nèi)陸逐步轉(zhuǎn)向深海,技術上已經(jīng)由深井向超深井邁進,這些變化將會成為日后行業(yè)的主流趨勢。如深海洋井的開發(fā),主要方式就是擴大油層泄油面積與提高鉆井深度,即深井和超深井的開發(fā)。在實際鉆采過程中,隨著井深加深,井底重力、浮力、壓力與之成線性關系劇增,使超臨界流體侵入井筒造成井控難度增大;同時由于地層深部可鉆性差,大量高密度鉆井液的使用,很容易造成泥漿、巖屑等返渣隨鉆井液噴出井口,造成環(huán)境的嚴重污染[1-4],這些都使開采工作愈發(fā)艱難,影響了勘探開發(fā)的綜合效益。因此需對此現(xiàn)象進行總結(jié)研究,提出針對性的工藝技術。目前國內(nèi)石油鉆采設備涵蓋內(nèi)容廣泛,設計種類繁多,是一套龐大的聯(lián)合機組,伴隨鉆井方法、技術的發(fā)展而不斷發(fā)生變化和完善。對鉆采機械設備、鉆井工藝也有著多方面的要求,比如要有足夠的功率起升、鉆井旋轉(zhuǎn)鉆井的能力及清除巖屑能力等,要求鉆井設備的操作和維修工作簡單易行,易損件便于更換[5]。該設計結(jié)合以上因素,設計井口排污裝置,運用Pro/E優(yōu)化/動態(tài)仿真設計,優(yōu)化設計該裝置的幾何尺寸參數(shù),并對導污過程進行動態(tài)仿真,為今后解決此類問題提供了理論依據(jù)。
在鉆采過程中,根據(jù)地質(zhì)情況選擇不同的鉆桿與配套對應的膠芯,安裝時鉆桿通過加壓方式旋轉(zhuǎn)擠壓穿過膠墊及膠芯(這個過程中可加適量潤滑油使鉆桿較容易通過膠墊和膠芯)。穿過膠芯的鉆桿接著與井下鉆具連接。由于膠芯自身具有彈性(采用橡膠材質(zhì)),緊抱鉆桿帶動中心管一起旋轉(zhuǎn),井底返渣及鉆井液在下筒腔中受膠芯的旋轉(zhuǎn)作用,從下筒側(cè)法蘭口噴出,流入到規(guī)定的管道中。
裝置在工作過程中,受到井底反沖壓力、旋轉(zhuǎn)慣性力及井底返渣與鉆井液對裝置的磨擦力等載荷[6-8]?;谶@些受力特點與裝置自身工作原理,在滿足工作壓力與工作強度的條件下,設計出裝置的結(jié)構(gòu)尺寸與幾何尺寸,①外形尺寸(外徑×高)¢530 mm×640 mm;②測通徑156 mm;③主通徑200 mm;④公稱通徑350 mm。運用CAD創(chuàng)建裝置二維模型,如圖1所示。
圖1 井口排污裝置二維圖Fig.1 Two-dimensionalmap ofwellhead drainage device
由于膠芯是此裝置的“心臟”核心部件,在鉆桿帶動膠芯旋轉(zhuǎn)排污工作的過程中,返渣與鉆井液對膠芯的摩擦力很大,易磨損。因此,需要對膠芯進行優(yōu)化設計,尋求出理想的幾何尺寸,降低磨擦程度[9-12],圖2與圖3分別為膠芯的二維與三維視圖。
(1)膠芯繞Y軸旋轉(zhuǎn),mx=0;mz=0;mv=c;
(2)膠芯的體積為最大,相應參數(shù)為:
式中:S為參數(shù)L,W的二元函數(shù),見圖2。
從而將目標要求轉(zhuǎn)化為求函數(shù)關系的數(shù)學模型,因曲面計算較復雜,所以采用Pro/E更方便與快捷。
圖2 膠芯二維視圖Fig.2 Two-dimensional view of the rubber core
圖3 膠芯三維視圖Fig.2 The rubber core 3D view
(1)在Pro/E的運行界面下,Insert an analysis feature(創(chuàng)建一個分析特征);在Model Analysis(模型分析)下計算模型的Model Mass Properties(質(zhì)量特征)[13-14]。
(2)通過Analysis下的Feasibility/Optimization建立模型的目標及約束條件;設計Goal為所選分析名稱下的最大體積。
(3)將設計的零件按上述自動生成為所求出的理想解值,W=80mm,L=246.9mm。
當然,也可根據(jù)實際情況需要首先將L值取整,然后利用上述方法確定W值。
對該裝置工作過程進行運動仿真,進一步分析其運動是否合理、結(jié)構(gòu)是否發(fā)生運動干涉等。將分析結(jié)果存放在模型中,使用回放、軌跡曲線等工具將分析結(jié)果表達出來,便于對裝置進行直觀分析,對設計結(jié)果進行優(yōu)化。在考慮力、質(zhì)量、慣量等外力作用的情況下,對裝置添加所有外部載荷,建立仿真流程圖,如圖4所示。運用Mechanica實現(xiàn)裝置的運動仿真。利用MPEG格式影片,將裝置的裝配與功能演示,形象立體地展現(xiàn)出來。
圖4 建立運動仿真流程圖Fig.4 The flow chartofmotion simulation
(1)結(jié)合鉆采工藝要求,設計了井口排污裝置,運用CAD繪制了該裝置二維圖。
(2)運用Pro/E軟件的優(yōu)化設計功能,最終找出設計變數(shù)范圍及限制條件內(nèi)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。W=80mm,L=246.9mm,使膠芯具有較好的耐磨性與使用壽命。
(3)膠芯在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)時,與返渣間的接觸壓力成為顯著影響磨損因素,因此對摩擦磨損特性敏感的速度、壓力范圍有待進一步研究。
(4)通過對模型的動態(tài)仿真分析,實現(xiàn)裝置的裝配,裝配干涉檢查等,該裝置在滿足工作要求條件下,能夠?qū)⒎翟揭?guī)定的管道中。提高了設計的精準性,縮短了研發(fā)周期,減少了不必要的浪費。
[1]王興武,王時成,馬小龍,等.超深井注水水泥塞技術[J].鉆采工藝,2012,35(4):32-34.
[2]萬立夫,李根生,黃中偉,等.超臨界流體侵入井筒多相流動規(guī)律研究[J].鉆采工藝,2012,35(3):9-13.
[3]申衡,張立鶴.慶深氣田水力脈沖空化射流鉆井技術[J].鉆采工藝,2012,35(4):10-12.
[4]王敏震,楊文斌,姚順利,等.淺層水平井管柱摩阻與力學分析[J].鉆采工藝,2012,35(4):80-87.
[5]陳長海,許春林,畢春輝,等.水稻插秧機測深施肥技術及裝置的研究[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學學報,2012,24(6):10-12.
[6]J.H.全斯伯格.機械與結(jié)構(gòu)振動—理論與應用[M].北京:中國航宇出版社,2005.
[7]邵忍平.機械系流動力學[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.
[8]張策.機械動力學[M].2版.北京:高等教育出版社,2008.
[9]王存堂.AutoCAD2004模具設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.
[10]王耕耘.模具CAD/CAM/RPM綜合實驗[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.
[11]曾珊琪,丁毅.模具壽命與失效[M].北京:化學工業(yè)出版社,2005.
[12]王德文.提高模具壽命應用技術實例[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.
[13]孫仰杰,徐立新,甄彤,等.Pro/E EGINEER模具設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.
[14]李錦標.Pro/E EGINEER模具設計專家實例精講[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.