Φ102涡轮钻具井下喷射器设计

毕业论文(设计)

题目名称： Φ102涡轮钻具井下喷射器设计 题目类型： 设 计 类 学生姓名： 袁 华 良 院 (系)： 机 械 学 院 专业班级： 机 械 11003 指导教师： 许福东 教授 辅导教师： 许福东 教授 时 间：2014年3月14日 至 2014年6月3日

目录

目录

目录 ___________________________________________________________________ i 任务书 _________________________________________________________________ I 开题报告 ______________________________________________________________ II 指导老师审查意见 ______________________________________ 错误！未定义书签。 评阅教师评语 __________________________________________ 错误！未定义书签。 答辩会议记录 __________________________________________ 错误！未定义书签。 摘要 __________________________________________________________________ XV 正文

1 前言 ________________________________________________________________ 1 1.1 研究的目的与意义 _____________________________________________________ 1 1.2 国内外现状和发展趋势 ______________________________________________ 1 1.2.1 国内现状 ________________________________________________________ 1 1.2.2 国外现状 ________________________________________________________ 2 1.2.3 发展趋势 ________________________________________________________ 3 1.3 井下水力增压研究进展 ______________________________________________ 3 2. 涡轮钻具的设计 ______________________________________________________ 4 2.1 涡轮钻具的选型 ____________________________________________________ 5 2.2 总体方案设计 ______________________________________________________ 6 3. 喷射器的设计 ________________________________________________________ 8 3.1 喷射器方案对比 ___________________________________________________ 8 3.1.1 先导阀控制换向方案 _______________________________________________ 8 3.1.2 涡轮离心式增压方案 _______________________________________________ 9 3.1.3 射流元件换向方案 ________________________________________________ 10 3.1.4 总结 __________________________________________________________ 11 3.2 喷射器的工作原理 _________________________________________________ 12 3.2.1 工作原理 _______________________________________________________ 12 3.2.2 水力结构 _______________________________________________________ 13 3.2.3 内部流道关系 ___________________________________________________ 14 3.3 喷射器结构设计 ___________________________________________________ 14 3.3.1 托盖 __________________________________________________________ 14 3.3.2 射流元件 _______________________________________________________ 15

i

Φ102涡轮钻具井下喷射器的设计

3.3.3 活塞缸体 _______________________________________________________ 16 3.3.4 活塞杆 ________________________________________________________ 18 3.3.5 活塞 __________________________________________________________ 19 3.3.6 连接接头 _______________________________________________________ 19 3.3.7 钻头 __________________________________________________________ 20 3.3.8 高压连接管 _____________________________________________________ 21 3.3.9 喷射器壳体 _____________________________________________________ 21

3.4 喷射器水力结构 ___________________________________________________ 22 3.4.1 水力结构说明 ___________________________________________________ 22 3.4.2 水力结构计算 ___________________________________________________ 25 4. 主要零件校核 _______________________________________________________ 29 4.1 活塞杆 ___________________________________________________________ 29 4.1.1 活塞杆材料以及载荷 ______________________________________________ 29 4.1.2 分析结果 _______________________________________________________ 29 4.2 连接头 ___________________________________________________________ 30 4.2.1 连接头强度分析 _________________________________________________ 30 4.3 喷射器外壳 _______________________________________________________ 30 4.3.1 喷射器外壳材料以及载荷 __________________________________________ 31 4.3.2 ansys软件分析过程 ______________________________________________ 31 4.3.3 分析结果 _______________________________________________________ 33 4.4 缸体 _____________________________________________________________ 33 4.4.1 缸体材料以及载荷 ________________________________________________ 33 4.4.2 分析结果 _______________________________________________________ 33 4.5 总述 _____________________________________________________________ 37 5. 总结 _______________________________________________________________ 38 6. 参考文献 ___________________________________________________________ 39 7. 致谢 _______________________________________________________________ 41 8. 附录 _______________________________________________________________ 42 附件一 标准锥螺纹基本尺寸示意图（GB/T 9253.1-1999） _________________ 42 附件二 石油钻杆街头螺纹基本尺寸（GB/T 9253.1-1999） _________________ 43 附件三 接头扣型尺寸：（1-内平 2-贯眼3-正规） _______________________ 44 附件四 钻头示意图以及喷嘴型式代号 ___________________________________ 45

ii

任务书

长江大学毕业设计(论文)任务书

学院（系）机械工程学院 专业 机械设计制造及自动化 班级机械11003 学生姓名 袁华良 指导教师/职称 许福东/教授 1.毕业设计(论文)题目：

Φ102涡轮钻具井下喷射器设计

2.毕业设计（论文）起止时间： 2014年3月14 日～2014年 6月5 3．毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分） ①喷射器外径:Ф102； ②适合于51/2油管空间； ③流量:Q=10～20L/s)；

④涡轮工作转速:n=800-1200r.p.m. 4．毕业设计(论文)应完成的主要内容 （1）文献综述； （2）系统总体方案设计； （3）整体结构设计计算； （4）钻头的结构型式设计计算等； （5）喷射器的设计计算。

I

日 Φ102涡轮钻具井下喷射器的设计

5．毕业设计(论文)的目标及具体要求 (1) 总装图1张； (2) 零件图若干张。

6、完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求 (1)绘图工具齐全； (2)上机时间：150小时。

任务书批准日期 2014 年 3 月 9 日 教研室(系)主任(签字)

任务书下达日期 2014 年 3 月 14日 指导教师(签字) 许福东 完成任务日期 2014 年 6 月 5 日 学生（签名） 袁华良

II

开题报告

长江大学

毕业设计开题报告

题 目 名 称 Φ102涡轮钻具井下喷射器设计 院 （系） 机械工程学院 专 业 班 级 机械11003 学 生 姓 名 袁华良 指 导 教 师 许福东/教授 辅 导 教 师 许福东/教授 开题报告日期 2014-4-7

III

Φ102涡轮钻具井下喷射器设计

Φ102涡轮钻具井下喷射器设计

学 生：袁华良 ，机械工程学院

指导老师：许福东， 机械工程学院基础力学研究室

一、 题目来源及类型

题目名称：Φ102涡轮钻具井下喷射器设计 题目来源：导师的科研项目、生产实际 题目类型：设计类

二、 研究目的和意义

注水开发是我国大部分油田采用的开采方式，这一方式要求布置庞大的地面主水管网系统。由于油气田分部范围广，使得地面管网异常复杂，虽然用了各种管网布置优化措施，但也很难保证井口压力能满足配注的要求，因而有很多注水井完成不了配注量，严重影响了整个油田开发方案的顺利实施。另外，低渗透和非均质也是我国大部分油田普遍遇到的开发难题，部分区块的注入压力已经达到了35MPa,采用提高注入系统压力越来越难以保证这类油田日趋增高的注入压力。况且，提高系统压力势必会造成管线的频繁损坏，增加事故的发生率。采用单井地面泵增压的方式虽然不会使管网系统压力升高，但提高了生产成本，由于井下管柱存在隐患，而且还带来了单井地面增压泵及其配套装置的防盗问题。

井下增压是解决上述问题的最好方法，但井筒断面尺寸限制了机械设备在井下的布置和工作。一般高压柱塞泵的外形尺寸远远超过了井筒的尺寸，电潜泵虽然是常规的井下设备，但由于采用离心泵，达不到高压注水所需的注入压力。井下液压增压器是插装阀控制液压缸工作的系统，它利用锥阀尺寸小、导流能力强、泄露小、适合于清水驱动等特点，采用帕斯卡原理增压，保证了增压器的外形符合井筒断面尺寸的要求，使机械增压装置在井下的工作成为可能。

三、阅读的主要参考文献及资料名称

[1] 成海，王甲昌，杨本灵，国内外井底增压喷射钻井技术研究现状[J]，石油矿场机械，2008，37 6）：34-38 [2] 白穆民，唐建冬，超高压水射流技术及其应用[J]新技术新工艺，1995:21 6）28-30

IV

开题报告

[3] 李根生，沈忠厚，充分利用水力能量提高深井钻井速度[J]石油钻探技术，2002,30 6）：1-3 [4] 汪志明,薛,邹和均,等论研究[J]

械,2007,35(11)：17-19 [5] 李洪敏[J],2004(2):52-55

[6] 金国兴，方水良，喻斯成。面向CAD/CAM集成的产品特征建模研究[J]。机械

工业自动化，1996（2）

[7] 薛亮，汪志明，李帮民 《第二代射流式井下增压器结构设计》 石油机械 2010

年第38卷 第8期 第24页

[8] 吕苗荣 涡轮钻具性能的系统分析 江汉石油学院学报 1997-9 第19卷 第3期 [9] 孙波勇，段卫东，郑峰，廖成孟 岩石爆破理论模型的研究现状与发展趋势 矿业

研究与开发 第27卷 第2期

[10] 徐瀚洋 关于机械液压传动系统的分析与研究

[11] 汪志明，薛亮，邹和均，谢涛 活塞式井下增压器设计理论研究 石油机械2007

年 第35卷 第ll期

[12] 熊继有,付建红井下增压研究新进展

[13] 杨燕勤，安志强，经树栋 喷射器流场的数值模拟研究 西南民族大学学报

2006-3 第32卷 第2期 [14] 汪志明，薛亮 射流式井底增压器水力参数理论模型研究 石油学报 2008-3 第

29卷第2期

[15] 薛亮，汪志明，李帮民 射流式井下增压器数值试验研究石油钻探技术2010-11

第38卷第6期

[16] 杨敏官，喻峰，康灿，王育立 往复式增压器的运动特性分析 排灌机械 2009

年9月 第27卷 第5期

[17] 杨世奇，薛敦松，蔡镜仑，赵宁，谭春飞涡轮钻井技术的新进展石油大学学报

（自然科学版） 2002-3 第26卷 第3期

[18] 姚坚毅，刘宝林，王瑜涡 轮钻具水力设计与分析方法应用现状研究 石油矿场

机械 2012-4 第41卷 第3期

[19] 张 也，龚 彦，张晓东，张 毅，何 石，罗 毅 涡轮钻具推力球轴承组磨损试验

及寿命预测 石油矿场机械 2013年 第42卷 第12期 第65页

[20] 冯进,符达良 涡轮钻具涡轮叶片造型设计新方法 石油机械 2000年 第28卷

第11期

[21] 陈鹏,银进,康博,吴雪锋 新型无扭矩井下电动钻具设计 科技创新与应用 2014

年 第5期

[22] 杜延军,刘剑辉 钻井井下增压器设计 内蒙古石油化工 2009年 第18期 [23] Veenhuizen.S.D Development and Testing of a Downhole Pump for Jet-Assist

Drilling Natural Gas RD&D Contractors Review Meeting, 1995: 4~ 6

[24] S.Veenhuizen High Pressure Downhole Pump Jet-Assist Drilling Flow Drill

V

Φ102涡轮钻具井下喷射器设计

Corporation 21414 68th Avenue So.Kent, WA 98032

四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向 4.1国外进展

4.1.1 第一代井下增压泵

1993年，没过FlowDril公司和天然气研究院共同研制了井下超高压泵，开展了用射流辅助破岩的研究计划，第一台试验样机与1994年研制成功，是一种往复式增压器，靠水力驱动。增压器将较小部分的钻井液进行增压后通过超高压喷嘴，实现超高压射流辅助钻井。5口径的现场实验结果表明，井下泵工作时间在1.0~40.5h，提高机械钻速1.0~2.5倍。 4.1.2 第二代井下增压泵

1994年末，美国能源部、FlowDril公司和天然气研究院共同研制开发了第二代井下增压泵样机，增压器的增压比约为14:1，井底增压泵将约7％的井底流体压力增加到207MPa，通过钻头加长喷嘴辅助钻头机械破岩。11口井的现场实验结果表明，使用超高压井下增压泵射流辅助钻井的机械钻速提高幅度在45％~100％。第二代井下泵样机在室内试验时工作时间达到40h，但是现场井下运行时间只有9~17h。 4.1.3 高压连续管钻井系统 2001年，Maurer Engineering Inc.公式进行了高压射流钻井系统的研发及室内试验和现场呢试验。该系统可由连续管将底部钻具组合送入井内，也可使用改进的常规旋转钻井方法。井下增压泵特殊设计主要有：金刚石止推轴承、钛伸缩轴和限流器。 室内试验表明，射流切割钻井技术在不同的地层类型下提速幅度达1.0~2.0倍。在大量的不同地层抱愧砂岩、页岩、砂质页岩和石灰岩等岩性地层开展现场试验表明机械钻速提高1.3~6.0倍。

4.2国内研究现状

4.2.1 旁通式井下增压器

国内井下增压器研究起步较晚，中石油勘探开发研究院于1994年首次开展井下增压器研究，第一代尺寸样机于1996年底研制成功，并开展室内试验，输出压力高达150MPa，增压器工作时间超过100h，但没能到现场应用条件。随后研究改进，新样机单级增压比高达13:1,；当增压失效时，仍可按常规钻井方式继续惊醒钻进。第二代全尺寸样机进行了超高压室内试验，并于2002年在中原油田900m深试验井完成了可靠性实验测试，取得了令人满意的工作寿命。

经过再一次改进后的样机于2004年11月在中原油田文407井和胡129井进行了现场试验，工具总的寿命达到了41h，现正在制造第三代工业试验机。 4.2.2 射流式增压器

中国石油大学（北京）汪志明等在2005年完成了第一代射流式井下增压器设计。对该装置进行的地面模式测试和整机试验研究结果表明，增压出口压力的变化与输入

VI

开题报告

排量和节流压降直接关联，且立管压力波动也反映出设计的工具压耗与实际试验压耗相吻合。为适应钻井工艺的要求，必须增大增压比，实现在低节流压降条件下达到高增压出口压力。该试验初步验证了新型射流式井下增压装置设计的可行性，整体设计指标达到了预期要求。

4.3.3 水力增压式井下增压器

西南石油学院设计了利用环空流体水力能量实现增压的井下增压器。把还空水力能量作为外加激励源，达到自增流量与它激双重作用，进而实现井下增压。

该装置在脉冲射流喷嘴研究的基础上，于腔室靠近上喷嘴处多开了多个等径圆孔。当具有一定压力流体由上喷嘴进入共振腔后，在上游由于卷吸作用加上环流流体激励作用，小部分流体碰撞后在振荡腔内上游形成局部负压，环空流体被卷吸到共振腔内，从而实现井下增压。

井下水力增压主要依靠3种作用方式：振荡腔内负压区形成作用，振荡腔内射流卷吸作用以及环空流体要它激作用。

实验结果表明，通过卷吸作用可增加流量10％~25％；在共振腔室结构参数设置较为合理的情况下，射流最大冲击力比自激振荡提高2倍。

4.3发展趋势

超高压射流钻井能提高机械钻速，其破岩机理碎见就较多，也提出各种破岩机理理论，但对其破岩机理仍缺乏清晰明确的认识，有待于进一步的研究。目前关于岩石破碎的研究主要停留在静态或准静态上面，未充分考虑破岩过程动态影响，也未充分考虑钻深井过程中所遇到的高围压问题，故前任对钻井过程中破岩机理的研究还存在局限性。所以，应加强射流作用下井底岩石应力场研究。井下增压器将常规机械破岩钻井方式转化为高压超高压射流钻井方式，并且安全可靠，相对于其他提高钻速方式，经济效益也好，代表了目前超高压射流钻井方式研究的发展趋势

4.4井下水力增压初步研究

井下水力增压是西南石油学院在自激振荡脉冲射流喷嘴研究的基础上首次提出来的。利用井下环空流体的水力能量作为外加激励源，实现自增流量及它激的双重作用，达到增压的目的。

（1）振荡腔调制机理研究振荡腔的调制机理是射流在腔室内经扰动、碰撞、有效反馈和放大作用的循环过程。由于振荡腔内流体的流动为非定常流动，流体湍流边界层的不稳定性而生成涡环结构。但是，目前尚没有一个完整的数学模型能够较全面

VII

Φ102涡轮钻具井下喷射器设计

地描述振荡腔内流体流动压力和速度的大小及其分布。所以，首先采用实验的方法，用有机玻璃模型定性的观察了振荡腔内流体流动的规律，同时在腔室的同一个面上开孔6个，用压力传感器定量地测试了振荡腔内流体的压力。 （2）井下水力它激振荡增压探讨

井下水力增压是以钻井环空流体液柱压力作为它激的激励源以自增流量来实现井下增压的。当具有一定压力（流速）的流体进入共振腔后，在腔室的上游区域，由于紊流射流强烈的卷吸作用，以及环空液柱压力的激励作用，引入部分环空流体，实现自增流量，这部分流体（自增流量部分）与振荡腔室内的紊流射流发生着复杂的动量和能量交换。流体到达腔室的下游区域时，大部分流体经由腔室出口喷出，小部分流体经过碰撞后，沿腔室内壁返回到腔室上游区域。由于在这一区域的负压作用，驱使着环空流体被引入共振腔室。由此可见，井下水力增压主要依靠3种作用方式：①振荡腔内的卷吸作用；②振荡腔内反馈负压区的形成作用；③环空流体压力的它激作用。

4.5主攻方向

1.喷射器的机构整体布局和方案的合理选择；

2.喷射器结构的设计，高压泥浆的形成，高压泥浆的喷出方案设计； 3.液压增压原理的改进和创新。

五、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路 5.1工作原理

对高压水射流或高速水滴冲击下物体的破坏进行描述形成了多种理论学说, 如气蚀破坏作用、水射流的冲击作用、水射流的动压力作用、水射流脉冲负荷引起的疲劳破坏作用、水楔作用等, 但目前大部分学说尚停留在假说阶段。其中, 拉伸水楔破岩和密实核劈拉破岩学说因定性解释相对全面, 且有部分宏观现象支持, 在水射流破岩理论研究中获得较多认可。

带喷射器的涡轮钻具是一种结构特殊的井下动力钻具，它的主要元件是由定子、转子和喷射装置组成。工作时，涡轮钻具利用高压高速的钻井液冲击涡轮定转子，反向的定转子叶片将高压液的动能转变成机械能；通过了涡轮节的高压液流向下一级的喷射装置，然后通过喷射器将液体变成高压液喷射出去。其主要特点是将能量集中在井底直接驱动钻头联合破岩，能量利用充分，机械钻速较高，井身质量好。其工作原

VIII

开题报告

理如图：

图1 射流式井下增压器（downhole boost compressor）总装图 1—上接头 2—射流元件 3—二位三通阀 4—中心杆 5—下活塞缸 6—增压缸 7—节流阀 8—旁通阀 9—外缸 10—下接头

井下液压增压器液压结构 井下液压增压器原理图

1-马达液缸 2-超高压泵 3-超高压喷嘴 4-普通喷嘴 5-节流阀 6-换向机构

5.2主要研究内容

1.钻具的总体结构和力学性能 2.喷射器在涡轮钻具中的结构布局

串联式井下增压器的马达液缸与普通喷嘴串联, 来自地面泵的钻井液到达井下率先进入增压

IX

Φ102涡轮钻具井下喷射器设计

器马达液缸,推动马达活塞运动。马达液缸流出的钻并液大部分进入钻头上的普通喷嘴,以较低的速度喷出, 清洗井底、携带岩屑小股钻井液进入超高压泵,泵排出的超高压钻井液被引入钻头上的超高压喷嘴, 高速射出, 冲击井底、破碎岩石。马达活塞杆与超高压泵活塞杆联为一体, 马达活塞杆带动超高压泵活塞一起作直线往复运动, 并用自动换向阀实现马达活塞的自动换向。钻井液循环系统的其余部分仍和常规钻井一样。

并联式井下增压器为马达液缸与普通喷嘴并联, 来自地面泵的钻井液分为三股, 第一股流量 , 进入马达液缸, 出来后直接进入环空;第二股流量 :引入普通喷嘴, 与常规钻井一样循环;第三股流量 :引入超高压泵, 超高压泵排出的钻井液引入钻头上的超高压喷嘴 ;马达活塞杆与超高压泵活塞杆直接相联;自动换向阀控制马达活塞自动换

X

开题报告

3.连接头在涡轮钻具中的结构和布局设计

5.3重点研究的问题

1.喷射器的方案选择及结构设计；

2.涡轮节、蜗轮副、支承轴承结构设计； 3.喷射器在钻具中的位置布置； 4.喷射液的蓄能方式及其控制；

六、完成毕业设计所必须具备的工作条件 6.1已有条件：

1.《机械设计手册》 2.CAD制图软件

3.经验丰富的指导老师

4.查阅到的大量的与设计相关的资料和书籍

6.2尚缺条件：

1.对设计概念理解不透彻，对相关领域了解不全面； 2.图纸较少，还需进一步查找；

七、工作的主要阶段、进度与时间安排

XI

Φ102涡轮钻具井下喷射器设计

7.1准备阶段

6周：根据导师给的设计题目，去学校图书馆，学校机房查阅相关书籍，搜集相关文

献，找到与之相关的英文文献，中文书籍等。

7周：根据老师提供的资料和自己准备的资料完成外文翻译和工作计划及准备开题报 告

8周：根据已有的资料完成文献综述。

7.2设计阶段

9周：确定尺寸参数，进行喷射器结构方案对比；

10周：涡轮节蜗轮副结构设计，支承轴承结构设计； 11周：喷射器结构设计计算及绘图； 12周：液体循环系统损失的计算；

13周：钻头的结构型式设计计算，部分零件图和装配图的完善等； 14周：整理零件图检查并修改；

15周：完成毕业设计初稿，并做修改；

16周：复查前期完成情况，并全部录入电子档案，准备毕业设计答辩。

八、指导老师审查意见

XII

摘要

摘要

学 生：袁华良，机械工程学院 指导老师：许福东教授，机械工程学院

[这项工作提出了在新的冷启动系统技术设计的基础上，电磁加热原理奥托循环燃烧的热建模。首先，提出一个国家的最先进的检讨，并提出了汽车产业的背景下加热喷油器是必要的。电磁加热原理的新颖的方法来解决冷启动问题仍处于发展阶段，它使发动机在低温起动时在分散的汽车动力由乙醇或灵活燃料汽车 。这个新系统技术应可作为替代，以取代现有的系统。目前，冷启动系统采用了辅助的汽油罐，这带来了一些在用户的便利性。其次，我们的目标也是建立一个物理模型，考虑到涉及在加热过程中，如电力加热和平均传热系数的所有其参数。这项研究是基于集总系统理论建模的乙醇加热过程。从分析中，两个普通的差分方程式的出现，这使得解析解。特别是，得到了在喷射器内的乙醇加热曲线，在这一过程中的重要参数。还提供有来自其他作者的实验数据进行比较。最后，控制参数，如加热功率和传热系数变化的敏感性分析。本文的结论与进一步研究的建议。]

关键词 [乙醇，冷启动系统，电磁加热，加热喷油器]

XV

Φ102涡轮钻具井下喷射器的设计

ABSTRACT

This work presents a thermal modeling of a new cold-start system technology designed

for Otto cycle combustion based on the electromagnetic heating principle. Firstly, the paper presents a state-of-the-art review and presents the context of automobile industry where heated injectors are necessary. The novel method of electromagnetic heating principle to solve the cold-start problem is still in the development phase and it enables engine starting at low temperatures in vehi-cles powered by ethanol or flex-fuel vehicles . This new system technology should be available as an alternative to replace the existing system. Currently, the cold-start system uses an auxiliary gasoline tank, which brings some in-convenience for the user. Secondly, the aim was also to create a physical model that takes into consideration all the pa-rameters involved on the heating process such as power heating and average heat transfer coefficient. The study is based on the lumped system theory to model the ethanol heating process. From the analysis, two ordinary differential equa-tions arise, which allowed an analytical solution. Particularly, an ethanol heating curve inside the injector was obtained, an important parameter in the process. Comparison with experimental data from other authors is also provided. Finally, a sensitivity analysis of controlling parameters such as heating power and heat transfer coefficient variation. The paper is concluded with suggestions for further studies.

Keywords: Ethanol; Cold-Start System; Electromagnetic Heating; Heated Fuel Injector

XVI

前言

1 前言

1.1研究的目的与意义

注水开发是我国大部分油田采用的开采方式，这一方式要求布置庞大的地面主水管网系统。由于油气田分部范围广，使得地面管网异常复杂，虽然用了各种管网布置优化措施，但也很难保证井口压力能满足配注的要求，因而有很多注水井完成不了配注量，严重影响了整个油田开发方案的顺利实施。另外，低渗透和非均质也是我国大部分油田普遍遇到的开发难题，部分区块的注入压力已经达到了35MPa,采用提高注入系统压力越来越难以保证这类油田日趋增高的注入压力。况且，提高系统压力势必会造成管线的频繁损坏，增加事故的发生率。采用单井地面泵增压的方式虽然不会使管网系统压力升高，但提高了生产成本，由于井下管柱存在隐患，而且还带来了单井地面增压泵及其配套装置的防盗问题。

井下增压是解决上述问题的最好方法，但井筒断面尺寸限制了机械设备在井下的布置和工作。一般高压柱塞泵的外形尺寸远远超过了井筒的尺寸，电潜泵虽然是常规的井下设备，但由于采用离心泵，达不到高压注水所需的注入压力。井下液压增压器是插装阀控制液压缸工作的系统，它利用锥阀尺寸小、导流能力强、泄露小、适合于清水驱动等特点，采用帕斯卡原理增压，保证了增压器的外形符合井筒断面尺寸的要求，使机械增压装置在井下的工作成为可能。

1.2国内外现状和发展趋势

1.2.1 国内现状

1. 旁通式井下增压器

国内井下增压器研究起步较晚，中石油勘探开发研究院于1994年首次开展井下增压器研究，第一代尺寸样机于1996年底研制成功，并开展室内试验，输出压力高达150MPa，增压器工作时间超过100h，但没能到现场应用条件。随后研究改进，新样机单级增压比高达13:1,；当增压失效时，仍可按常规钻井方式继续惊醒钻进。第二代全尺寸样机进行了超高压室内试验，并于2002年在中原油田900m深试验井完成了可靠性实验测试，取得了令人满意的工作寿命。

经过再一次改进后的样机于2004年11月在中原油田文407井和胡129井进行了现场试验，工具总的寿命达到了41h，现正在制造第三代工业试验机。 2. 射流式增压器

中国石油大学（北京）汪志明等在2005年完成了第一代射流式井下增压器设计。对该装置进行的地面模式测试和整机试验研究结果表明，增压出口压力的变化与输入排量和节流压降直接关联，且立管压力波动也反映出设计的工具压耗与实际试验压耗

第1页（共45页）

Φ102涡轮钻具井下喷射器的设计

相吻合。为适应钻井工艺的要求，必须增大增压比，实现在低节流压降条件下达到高增压出口压力。该试验初步验证了新型射流式井下增压装置设计的可行性，整体设计指标达到了预期要求。

3. 水力增压式井下增压器

西南石油学院设计了利用环空流体水力能量实现增压的井下增压器。把还空水力能量作为外加激励源，达到自增流量与它激双重作用，进而实现井下增压。

该装置在脉冲射流喷嘴研究的基础上，于腔室靠近上喷嘴处多开了多个等径圆孔。当具有一定压力流体由上喷嘴进入共振腔后，在上游由于卷吸作用加上环流流体激励作用，小部分流体碰撞后在振荡腔内上游形成局部负压，环空流体被卷吸到共振腔内，从而实现井下增压。

井下水力增压主要依靠3种作用方式：振荡腔内负压区形成作用，振荡腔内射流卷吸作用以及环空流体要它激作用。

实验结果表明，通过卷吸作用可增加流量10％~25％；在共振腔室结构参数设置较为合理的情况下，射流最大冲击力比自激振荡提高2倍。 1.2.2 国外现状

1.第一代井下增压泵

1993年，没过FlowDril公司和天然气研究院共同研制了井下超高压泵，开展了用射流辅助破岩的研究计划，第一台试验样机与1994年研制成功，是一种往复式增压器，靠水力驱动。增压器将较小部分的钻井液进行增压后通过超高压喷嘴，实现超高压射流辅助钻井。5口径的现场实验结果表明，井下泵工作时间在1.0~40.5h，提高机械钻速1.0~2.5倍。 2.第二代井下增压泵

1994年末，美国能源部、FlowDril公司和天然气研究院共同研制开发了第二代井下增压泵样机，增压器的增压比约为14:1，井底增压泵将约7％的井底流体压力增加到207MPa，通过钻头加长喷嘴辅助钻头机械破岩。11口井的现场实验结果表明，使用超高压井下增压泵射流辅助钻井的机械钻速提高幅度在45％~100％。第二代井下泵样机在室内试验时工作时间达到40h，但是现场井下运行时间只有9~17h。 3.高压连续管钻井系统 2001年，Maurer Engineering Inc.公式进行了高压射流钻井系统的研发及室内试验和现场呢试验。该系统可由连续管将底部钻具组合送入井内，也可使用改进的常规旋转钻井方法。井下增压泵特殊设计主要有：金刚石止推轴承、钛伸缩轴和限流器。

室内试验表明，射流切割钻井技术在不同的地层类型下提速幅度达1.0~2.0倍。在大量的不同地层抱愧砂岩、页岩、砂质页岩和石灰岩等岩性地层开展现场试验表明机械钻速提高1.3~6.0倍。

第2页（共45页）

前言

1.2.3 发展趋势

超高压射流钻井能提高机械钻速，其破岩机理碎见就较多，也提出各种破岩机理理论，但对其破岩机理仍缺乏清晰明确的认识，有待于进一步的研究。目前关于岩石破碎的研究主要停留在静态或准静态上面，未充分考虑破岩过程动态影响，也未充分考虑钻深井过程中所遇到的高围压问题，故前任对钻井过程中破岩机理的研究还存在局限性。所以，应加强射流作用下井底岩石应力场研究。井下增压器将常规机械破岩钻井方式转化为高压超高压射流钻井方式，并且安全可靠，相对于其他提高钻速方式，经济效益也好，代表了目前超高压射流钻井方式研究的发展趋势。

1.3井下水力增压研究进展

井下水力增压是西南石油学院在自激振荡脉冲射流喷嘴研究的基础上首次提出来的。利用井下环空流体的水力能量作为外加激励源，实现自增流量及它激的双重作用，达到增压的目的。

（1）振荡腔调制机理研究振荡腔的调制机理是射流在腔室内经扰动、碰撞、有效反馈和放大作用的循环过程。由于振荡腔内流体的流动为非定常流动，流体湍流边界层的不稳定性而生成涡环结构。但是，目前尚没有一个完整的数学模型能够较全面地描述振荡腔内流体流动压力和速度的大小及其分布。所以，首先采用实验的方法，用有机玻璃模型定性的观察了振荡腔内流体流动的规律，同时在腔室的同一个面上开孔6个，用压力传感器定量地测试了振荡腔内流体的压力。 （2）井下水力它激振荡增压探讨

井下水力增压是以钻井环空流体液柱压力作为它激的激励源以自增流量来实现井下增压的。当具有一定压力（流速）的流体进入共振腔后，在腔室的上游区域，由于紊流射流强烈的卷吸作用，以及环空液柱压力的激励作用，引入部分环空流体，实现自增流量，这部分流体（自增流量部分）与振荡腔室内的紊流射流发生着复杂的动量和能量交换。流体到达腔室的下游区域时，大部分流体经由腔室出口喷出，小部分流体经过碰撞后，沿腔室内壁返回到腔室上游区域。由于在这一区域的负压作用，驱使着环空流体被引入共振腔室。由此可见，井下水力增压主要依靠3种作用方式：①振荡腔内的卷吸作用；②振荡腔内反馈负压区的形成作用；③环空流体压力的它激作用。

第3页（共45页）

Φ102涡轮钻具井下喷射器的设计

2. 涡轮钻具的设计

2.1 涡轮钻具的选型

涡轮钻具是一种结构比较特殊的井下动力钻具，它由钻井泵打出的高压钻井液来驱动。涡轮钻井与转盘钻井相比，主要优点是：能将能量集中在井底驱动钻头旋转以破碎岩石，因此机械钻速较高；钻井时钻杆不动，减少了钻杆的磨损以及断裂事故，延长了钻杆的使用寿命，特别适用于打定向井、丛式井以及进行修井、侧钻的特殊作业。如下图2-1（a）、（b）所示即为涡轮钻具整体结构简图：

图2-1 涡轮钻具整体结构图

第4页（共45页）

喷射器的设计

如下图2-2所示为涡轮转子、定子工作结构图。

Mud-泥浆

Rotor-转子 Stator-定子

图2-2 涡轮钻具定转子结构图

根据原始数据：

①喷射器外径:Ф102 ②适合于512油管空间 ③流量:Q=10～20L/s

④涡轮工作转速:n=800-1200r.p.m.

由《钻井测试手册》表2-7，综合考虑以上条件按选取型号为3WZ1-5”的涡轮钻具，其工作特性如下表2-1所示。

表2-1 涡轮钻具的工作特性

涡轮 型号 3WZ1-5” 轮叶 类型 涡轮 级数 排量 功 率（hp） 转 矩转 速压 力 降（kg/cm） 66 77 90 2（L/S） （kg·N） （r/min） 备注 25/12 240 12 `13 14 45 58 72 43 50 58 760 825 885 3节 涡轮钻具枢轴载荷以及有关数据 涡轮平均直径：8.825cm; 涡轮平均面积：61.1cm2; 止推轴承表面积：17.8cm2;

止推轴承：15个;

止推轴承总表面积：17.8cm2;

主轴系统总重：0.48t;

第5页（共45页）

Φ102涡轮钻具井下喷射器的设计 表2-2 涡轮钻具枢轴载荷以及有关数据

止推轴承比压压力降（kg/cm） 排量（L/S） 清水 12 13 66 77 比重1:2泥浆 79 92 清水 4.04 4.7 比重1:2泥浆 4.83 5.62 清水 4.52 5.18 比重1:2泥浆 5.31 6.1 2水力载荷(吨) 轴上总载荷(吨) （kg/cm） 清水 16.9 19.4 比重1:2泥浆 19.9 22.8 2

2.2 总体方案设计

在开始时，我选了这个题目，其实我对涡轮钻具有一点了解，涡轮钻具就是主要由定子和转子组成的一种结构比较特殊的井下动力钻具，由钻井泵打出的高压钻井液来驱动，作用是把液体能变为主轴上的机械能。但是我却对于带喷射器的涡轮钻具的作用很是疑惑，在老师和同学的帮助下，我也查阅很多相关的资料，才把什么是带喷射器的涡轮钻具弄清楚了，其实喷射器就是在涡轮钻具下端加上的一个间歇喷射经过增压的高压液体的装置。根据我的题目——Ф102涡轮钻具井下喷射器设计，我将设计在钻具上加上的一个能够提供喷射高压液的装置，这样能很好的利用资源，产生高效率钻井，在初步的认识的引导下，我脑海中慢慢的就形成了我的总体设计思路，如图2-3所示。

机械破岩钻进 设 计

液力破岩钻进 图2-3 总体设计流程简图

涡轮钻具设计

喷射器设计 由于今年的时间较短，老师让我做喷射器设计，所以我的设计主要集中于喷射器的结构设计。

经过一段时间的资料查找以及阅读，带喷射器的涡轮钻具的工作原理是十分必要的，现将其做以下叙述。如下图2-4所示为带喷射器的涡轮钻具工作原理简图，其工

第6页（共45页）

喷射器的设计

作过程为：

首先，由地上的泥浆泵产生一定压力的泥浆，通过钻杆输送到井底，同时不断向下放钻杆；

其次，通过钻杆的泥浆在通过涡轮钻具时，驱动涡轮转子将液体压力能转化为涡轮轴的转动机械能；

最后，与涡轮轴相连接的喷射器也就随着涡轮轴一起转动，从而带动喷射器下端的钻头破碎岩石，同时通过喷射器的一部分泥浆液体经过喷射器内的增压装置达到高压，从高压喷嘴射出同时配合钻头钻进，另外一部分泥浆液体则从低压流道从钻头普通喷嘴流出冲洗井底。

岩 图2-4 带喷射器的涡轮钻具工作原理简图

第7页（共45页）

泥浆 泵 产生并传递泥浆 放钻杆、钻杆 输送泥浆 涡轮节 机械破岩 喷射器 产生一定转速和扭矩 液力破岩 钻把泥浆变成高压液 头 层

Φ102涡轮钻具井下喷射器的设计

3. 喷射器的设计

3.1 喷射器方案对比

3.1.1 先导阀控制换向方案

如下图3-1所示为先导阀控制换向方案结构图，该增压器由外筒、动力液缸、换向阀、超高压泵等组成。两个动力液缸并联使用，相当于一个大直径液缸，布置在换向阀的上方与下方。换向阀的外筒与液缸筒为一体，在筒外焊接扇形流道D和E，分别将两液缸的上腔与下腔连通。扇形流道D和E以外的扇形部分在B-B处隔离为上下两个部分，上部分与空间A连通，下部分与空间F连通。

图3-1 先导阀式井下增压器原理结构

1.外筒 2.悬挂盘 3.缸筒 4.大活塞 5、9.缸筒 6.导阀套筒 7.换向阀主芯 8.导阀附筒 11.活塞杆 12、19.扇形流道壳体 13.小活塞 14.超高压泵缸体 15.吸入阀 16.超高压管 17.单向阀组 18 排出阀

第8页（共45页）

喷射器的设计

该增压器方案的优点在于：

1. 中间的组合阀阀结构较为复杂，制造不够方便； 2. 采用两个液缸并联使用控制活塞运动速度； 3. 实现脉动增压,上冲程能量损失少； 该增压器方案的缺点在于：

1. 中间的阀结构较为复杂，制造不够方便； 2. 采用焊接成形，成本加大；

3. 中间的阀占用空间过大，进而液体流速加大； 3.1.2 涡轮离心式增压方案

如下图3-2所示为涡轮离心式增压方案，该方案中通过钻井液推动动力装置，将钻井液所具有的压能转化为机械能，带动增压装置做功，使一小部分钻井液增压到较高的压力，再经过高压流道由特制的喷嘴喷出的形成高速射流，对井底岩石进行破碎、切割，实现超高压射流钻井。

图3-2 离心式井下增压装置结构示意图

1.外壳 2.止推轴承 3.涡轮转子 4.涡轮定子 5.下部轴承 6.上联轴器 7.碟片离心分离器 8.下联轴器 9.离心泵 10.轴 11.离心泵出口流道 12.钻头高压液体流道 13.钻头

按照增压装置的功能，可以将整个装置分解为4个单元，即动力单元、固液分离单元、增压单元和流道短节单元。 （1）动力单元

涡轮作为结构特殊的工具，不仅可以通过改变叶轮的直径满足空间要求，还可以通过钻井液来驱动旋转，将钻井液携带的能量转换为机械能，为离心泵的旋转提供扭

第9页（共45页）

Φ102涡轮钻具井下喷射器的设计

矩。

（2）固液分离单元

在井下离心增压装置中，考虑增加一个离心式固液分离装置，来降低进入离心泵的大颗粒固相成分。

（3）增压单元

离心式的增压方式，主要靠旋转运动实现增压，结构相对简单。由于井眼空间的限制，将离心泵的叶轮设计成小直径，以满足空间要求。

（4）流道短节单元

从离心泵出来的高压流体，通过一定的流道与钻头上的高压合金管联接，将高压小排量的钻井液输送到钻头上的高压喷嘴。

该增压器方案的优点在于： 1. 能够实现连续增压； 该增压器方案的缺点在于：

1. 内部构件过多，相应的易损件也就越多，故寿命相对较低； 2. 增压效果不够明显,适用于井下增压注水； 3.1.3 射流元件换向方案

该方案采用了射流元件配合组合阀进行换向，简化了阀的结构，其总装图如下图3-3所示：

图3-3 射流式井下增压器（downhole boost compressor）总装图 1.上接头 2.射流元件 3.二位三通阀 4.中心杆 5.下活塞缸 6.增压缸 7.节流阀 8.旁通阀 9.外缸 10.下接头

来自钻井泵的钻井液经钻具进入增压工具，假定大活塞处于上位，此时二位三通阀亦处于上位，活塞腔下腔与节流器下部低压腔相通，上腔与射流元件进口相连。在节流压降静压差的作用下，钻井液推动大活塞向下运动，推动增压小活塞向前运动增压，增压后的高压液体经单流阀、高压管路输出至钻头超高压喷嘴。

第10页（共45页）

喷射器的设计

大活塞运动至下死点，推动二位三通阀换向，此时大活塞下腔与节流器低压端关闭，打开与射流元件下腔通道，利用射流附壁切换功能在射流动压差作用下将两级大活塞及增压小活塞推至上死点。此时增压小活塞通过单流阀进液，完成一个增压过程。如此循环，实现相对稳定的射流输出。

带射流元件喷射器的涡轮钻具是一种结构特殊的井下动力钻具，它的主要元件是由定子、转子和喷射装置组成。工作时，涡轮钻具利用高压高速的钻井液冲击涡轮定转子，反向的定转子叶片将高压液的动能转变成机械能；通过了涡轮节的高压液流向下一级的喷射装置，然后通过喷射器将液体变成高压液喷射出去。

该增压器方案的优点在于：

1. 能够实现间断增压；

2. 采用了射流元件实现液路的自动换向； 3. 实现脉动间歇增压,上冲程能量损失少；

4. 将能量集中在井底直接驱动钻头联合破岩，能量利用充分，机械钻速较高，井身质量好。 该增压器方案的缺点在于：

1. 液缸的制造较为复杂； 2. 射流元件的制造较复杂；

3.1.4 总结

综合上述对比以及课题要求，本次设计采用方案三比较合理.

首先题目要求配合涡轮钻具进行设计；其次它能够配合涡轮钻具进行喷射钻井，减少能量损失。综合考虑选择方案三较为合理。

第11页（共45页）

Φ102涡轮钻具井下喷射器的设计

3.2 喷射器的工作原理

3.2.1 工作原理

2006年,中原油田钻井院与中国石油大学(北京)经过多年的联合研究,先后研制出了2套射流式井底增压钻井系统,并进行了现场工业试验,取得了阶段性研究成果。这里我也将它的设计结构应用到我的设计上，其结构如下图3-4所示：

它主要由2个部件组成：

a) 外部由上接头、外壳体、下接头、双流道PDC钻头等4部分组成。 b) 内部由上下托盖、射流元件、上活塞缸、中活塞缸、二位三通阀、下活塞缸、输出接头等8部分组成。

图3-4 喷射器结构

1.上接头 2.外缸 3.射流元件 4.上缸体 5.上活塞 6.活塞杆 7.组合阀总成 8.下缸体 9.下活塞 10.下活塞 11.单向阀 12.节流嘴 13..托盖 14.高压输出管 15.下接头

（1）增压冲程

假定输入活塞位于输入活塞缸上位（即上死点），此时换向机构受控使输入活塞缸与环形流道2的连通通道关闭，同时打开下腔与与泄流通道的连通通道。此时双稳射流元件的第二切换流道受背压的影响，流体压力增大，使流体附壁于第一切换流道，并通过该流道进入输入活塞缸的上腔，同时由于节流元件的作用，活塞缸上腔的流体压力大于下腔，因此输入活塞在该压差作用下向下运动，同时带动输出活塞缸的输出活塞向下运动，输出活塞缸中的流体通过输出流道输出高压射流，而输入活塞缸下腔的流体通过低压流道泄流。

（2）复位冲程

当输入活塞运动到下位（即下死点）时，组合换向机构（行程阀）受作用换向，使输入活塞缸的下腔与泄流通道（低压流道）的连通通道关闭，同时打开输入活塞缸

第12页（共45页）

喷射器的设计

下腔与第二切换流道的连通流道，此时活塞缸上腔在背压作用下压力增大，与上腔连通的第一切换流道压力增加，输入流道输入的流体附壁切换到第二切换流道，并通过该流道流入下腔中，在下腔和上腔流体动压差作用下，推动输入活塞向上运动，输出活塞缸的输出活塞随之向上运动，输出活塞缸的下腔同时通过单向阀补入工作流体，当输入活塞运动到上位时，组合阀换向机构受控换向，使活塞缸的下腔与第二切换流道的连通流道关闭而打开输入活塞缸的下腔与泄流通道的开关，开始下一个高压射流输出循环。如下图3-5所示为增压器测试工作图。

图3-5 井底增压器测试工作图

3.2.2 水力结构

（1）增压冲程水力结构图

如下图3-6所示为喷射器增压冲程水力结构图：

图3-6 增压冲程水力结构图

（2）复位冲程水力结构图

如下图3-7所示为喷射器复位冲程水力结构图：

第13页（共45页）

Φ102涡轮钻具井下喷射器的设计

图3-7 复位冲程水力结构图

3.2.3 内部流道关系

由于该喷射器结构较为复杂，弄清楚其内部流道之间的关系对于设计整体结构以及各个零件都是十分重要的。如图3-8所示为喷射器内部各流道关系简图，连通的流道主要有以下4条:：

（1）排空道1——环形流道1——环形流道4——普通喷嘴； （2）排空道2——环形流道2——环形流道4——普通喷嘴； （3）输出道1——环形流道3——低压流道——普通喷嘴； （4）输出道2——新环形流道——高压喷嘴。

图3-8 内部流道关系简图

3.3 喷射器结构设计

3.3.1 托盖

为了保证喷射器内部元件能够更好地定位，在喷射器结构两端分别设计一个托盖。托盖材料用45钢即可满足要求。

由于两端的流道不同，所以两端的的托盖结构不同。上托盖结构图如图3-9所示，。上托盖上部（左边）是有螺纹连接的上连接头，上连接接头压紧托盖；上托盖下部（右边）是靠紧喷射器，喷射器与上托盖用螺钉连接。

第14页（共45页）

喷射器的设计

图3-9 上托盖结构示意图

下托盖结构图如下图3-10所示，下托盖上部用螺钉与下缸体连接，下部是有螺纹的下连接接头，下托盖开了多一个低压流道出口。

图3-10 下托盖结构示意图

3.3.2 射流元件

如下图3-11所示为射流元件的结构简图，其中几个流道与上缸体的流道入口位置一致。由于射流元件内部结构比较复杂，为方便制造，故射流元件的制造采用铸钢进行铸造。

图3-11 射流元件结构示意图

第15页（共45页）

Φ102涡轮钻具井下喷射器的设计

在增压器的设计中，由于射流元件内部的结构的复杂，使得流过元件的液体能够产生附壁稳流。射流元件既作为控制元件，又作为强功率执行元件，为满足其工作要求，对射流元件提出以下要求：

①附壁稳定性，即射流附壁的稳定程度，要求元件在使用条件下，当射流附壁于双稳元件的某一侧壁时如果背压没有达到一定压力时，射流应该牢固地附壁在这一侧壁。

②切换灵敏性，即射流从射流元件的某一侧壁切换到另一侧壁时的快慢程度，要求元件在使用条件下能够迅速反应。 3.3.3 活塞缸体

考虑到活塞缸的内径不同，为了便于加工缸体和便于活塞等零件的装配，对于活塞缸采取分段制造，采用材料为45Cr钢调质处理，整个活塞缸分为上、中、下三段加工，以下分别加以说明介绍。

1.上缸体

如下图3-12所示为喷射器上缸体的结构图，上缸体中流道较为复杂，图中虚线为连接大、小活塞上腔的新环形流道。图中C-C截面上部的开口是在射流元件切换流道时推动活塞上行的入口；图中B-B截面上部为输出道2，左边为新环形流道以及其入口，下边为排空道1，右边为环形流道4。排空道1与排空道2并联与环形流道4相连通；图中A-A为零件左视图，上边入口为输出道2口，中间入口为输出道1口，下边为排空道1，右边为排空道2。

图3-12 上缸体的结构示意图

第16页（共45页）

喷射器的设计

2.下缸体

为了能够将组合阀装配进去，下缸体的结构设计成如下图3-13所示。

图3-13 下缸体结构示意图

3.增压缸体

由于增压缸体承受的压力较高，所以壁厚要足够厚，主视图中左边腔是下活塞腔，右边是增压活塞腔在缸体底部有三个单向阀组周向分布，其结构如图3-14所示。

图3-14 增压缸体结构示意图

第17页（共45页）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4cu3.html