李奪，萬霖，李劍

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶163319；2.東北石油大學(xué)）

科學(xué)技術(shù)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(shù)上已經(jīng)由深井向超深井邁進(jìn)，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(kuò)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(shí)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(guān)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(yán)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(jìn)行總結(jié)研究，提出針對性的工藝技術(shù)。目前國內(nèi)石油鉆采設(shè)備涵蓋內(nèi)容廣泛，設(shè)計種類繁多，是一套龐大的聯(lián)合機(jī)組，伴隨鉆井方法、技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)生變化和完善。對鉆采機(jī)械設(shè)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(shè)備的操作和維修工作簡單易行，易損件便于更換[5]。該設(shè)計結(jié)合以上因素，設(shè)計井口排污裝置，運(yùn)用Pro/E優(yōu)化/動態(tài)仿真設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計該裝置的幾何尺寸參數(shù)，并對導(dǎo)污過程進(jìn)行動態(tài)仿真，為今后解決此類問題提供了理論依據(jù)。

1 建立井口排污裝置二維模型

1.1 工作原理

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(yīng)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。

1.2 創(chuàng)建裝置二維模型

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(diǎn)與裝置自身工作原理，在滿足工作壓力與工作強(qiáng)度的條件下，設(shè)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(yùn)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

2 優(yōu)化膠芯幾何尺寸參數(shù)

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(jìn)行優(yōu)化設(shè)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。

2.1 建立參數(shù)數(shù)學(xué)模型

（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(yīng)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(biāo)要求轉(zhuǎn)化為求函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，因曲面計算較復(fù)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

2.2 數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為Pro/E參數(shù)

（1）在Pro/E的運(yùn)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(biāo)及約束條件；設(shè)計Goal為所選分析名稱下的最大體積。

（3）將設(shè)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(dāng)然，也可根據(jù)實(shí)際情況需要首先將L值取整，然后利用上述方法確定W值。

3 對模型動態(tài)仿真分析

對該裝置工作過程進(jìn)行運(yùn)動仿真，進(jìn)一步分析其運(yùn)動是否合理、結(jié)構(gòu)是否發(fā)生運(yùn)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(dá)出來，便于對裝置進(jìn)行直觀分析，對設(shè)計結(jié)果進(jìn)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(yùn)用Mechanica實(shí)現(xiàn)裝置的運(yùn)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(yùn)動仿真流程圖Fig.4 The flow chartofmotion simulation

4 結(jié)論與討論

（1）結(jié)合鉆采工藝要求，設(shè)計了井口排污裝置，運(yùn)用CAD繪制了該裝置二維圖。

（2）運(yùn)用Pro/E軟件的優(yōu)化設(shè)計功能，最終找出設(shè)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(jìn)一步研究。

（4）通過對模型的動態(tài)仿真分析，實(shí)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(shè)計的精準(zhǔn)性，縮短了研發(fā)周期，減少了不必要的浪費(fèi)。

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