钻井液连续波信号发生器转阀水力转矩分析

转子运动过程中在转子背面产生的回流以及随转子的转动而不断变化的入口速度角导致了转阀的水力转矩变化较大,影响了转阀的动态性能.利用动量矩定理建立转阀水力转矩的理论模型,然后利用CFD方法,针对所设计的实验样机进行三维流场仿真,对转阀水力转矩的几种影响因素进行仿真分析.研究结果表明:在转阀关闭的起始阶段,水力转矩使转阀趋于打开,其余阶段,水力转矩使转阀趋于关闭;采用曲线阀VI可以使水力转矩变化平缓;适当增大定转子轴向间隙、增加转阀阀瓣个数、减小转子阀瓣厚度可以减小水力转矩,改善电机的控制性能.     

滑阀矩形节流槽阀口的流量系数

基于阀口流量压差特性试验和矩形阀口面积计算,对滑阀上矩形节流槽阀口的流量系数进行研究,获得滑阀矩形节流槽阀口流量系数及其变化规律.研究发现:滑阀矩形节流槽阀口流量系数与阀口开度、液流方向、截面深宽比和截面水力直径关系密切,阀口开度较小时流量系数接近于1,随着阀口开度的增大而逐渐减小,在阀口中间区段接近于常数,在接近全开度时流量系数又快速增大;流入节流槽方向的流量系数比流出方向大0.05~0.10;流量系数随矩形节流槽截面深宽比增大而增大,并随截面水力直径增大而有所增大.     

自振阀式低压脉冲射流调制器振动特性仿真研究

基于脉动低压波克服井底压差提高钻速的机理，并根据自振阀式低压脉冲射流调制器的工作原理，利用Matlab环境下的Simulink系统建立了调制器液压振动力学的计算机仿真模型，对调制器的阀系运动进行了运动仿真。结果显示，调制器上阀和下阀协调振动具有可行性，调制器振动频率随钻头压降的增大线性增加，随钻井液流量、下阀质量、上阀行程的增加而减小。     

伺服阀滑阀阀口系数影响因素分析

分析电液伺服系统中液压缸活塞位移、液压刚度、阀口开度、外负载刚度及阀芯与阀套间径向间隙对伺服阀阀口系数的影响。采用工作点线性化的处理方法,通过引入液压缸负载力方程,给出零开口电液伺服阀滑阀流量-压力系数和流量增益的计算公式,并对其影响因素进行分析。结果表明,在液压缸全行程中,流量-压力系数会随着液压缸活塞位移、外负载刚度及阀口开度的增加而增大,其中流量-压力系数随液压缸活塞位移的增大呈抛物线增长,其最大值约为最小值的2倍;流量增益随着液压缸活塞位移、外负载刚度的增大而减小,其中流量增益随液压缸活塞位移的增大而近似呈线性规律减小,其最小值约为最大值的1/2;阀芯与阀套间径向间隙对阀口系数随液压缸活塞位移变化率的影响不大;阀口系数在液压刚度取最小值附近时存在突变;同一液压刚度值可对应2个不同的液压缸活塞位移,分别对应的阀口系数值相差非常大。     

高压脉冲静电破乳过程水滴的破碎临界电场参数

通过显微试验考察水滴在高压高频脉冲电场作用下的极化变形及失稳破碎过程,研究水滴破碎临界场强、占空比及电场频率的变化规律。结果表明:随占空比的增加,作用于水滴的电场能随之增大,同一脉冲周期内电场施加时间增长,水滴破碎临界场强减小;随电场强度的增加,水滴的极化变形效应愈加明显,水滴的变形弛豫时间缩短,破碎临界占空比减小,临界占空比最小值所对应的电场频率逐渐降低;电场强度一定时,随占空比的增大,水滴的破碎临界频率呈现先增大、后减小的趋势;电场强度、占空比及电场频率三者共同决定了水滴的极化弛豫状态、作用于水滴的电场能以及水滴的振荡频率,其交互作用对水滴的破碎具有重要影响。     

自振阀式低压脉冲射流调制器振动特性仿真研究

基于脉动低压波克服井底压差提高钻速的机理,并根据自振阀式低压脉冲射流调制器的工作原理,利用Matlab环境下的Simulink系统建立了调制器液压振动力学的计算机仿真模型,对调制器的阀系运动进行了运动仿真.结果显示,调制器上阀和下阀协调振动具有可行性,调制器振动频率随钻头压降的增大线性增加,随钻井液流量、下阀质量、上阀行程的增加而减小.     

固定锥形阀特性参数及流动特征的仿真分析

固定锥形阀应具备良好的水力特性以满足管线系统中不同工况的调流和消能要求,以DN1200锥形阀为研究对象,利用计算流体力学(computional fluid dynamics,CFD)方法分析不同开度下的稳态工况及开、关阀过程的瞬态工况,通过对比流量系数、流阻系数、排放系数、汽蚀系数、消能率等阀门特性参数及套筒闸的动静态不平衡力和阀内流场分布等,全面分析了固定锥形的水力特性。结果表明,流量系数和排放系数具有较好的线性特性,其过流能力随开度增大而线性增加。流阻系数和消能率曲线的变化趋势相同,小开度时对水流的流动阻碍和能量损耗作用明显,开度增大后流阻系数和消能率迅速减小。汽蚀系数表征实际工况中的汽蚀可能程度,在设计流量工况下,各开度对应的汽蚀系数呈抛物线变化趋势。另外,由于流动和启闭同在轴向,故套筒闸主要受到轴向的不平衡力;稳态不平衡力与水流方向相同,而开关阀过程的瞬态不平衡力均与水流方向相反,且关阀力略大于开阀力。最后,分别以各开度下的压力、流速、湍动能和湍流耗散率等流场分布对固定锥形阀的流动规律进行说明。     

基于静态贯入试验法研究无黏性土管涌发生后抗剪强度变化规律

管涌对堤防和大坝危害严重且十分常见,但是有关管涌发生后无黏性土抗剪强度的研究较少.通过对不同细颗粒含量试样进行管涌和静态贯入试验,分析总结了无黏性土细颗粒含量和管涌过程中的水力梯度及细颗粒流失量等因素对无黏性土发生管涌前后抗剪强度变化的影响.得出以下结论:对于较松散的无黏性土,当土体细颗粒含量较小时,管涌发生后的抗剪强度有所提高,抗剪强度随细颗粒流失量的增大而增大,随作用在试样上的最大水力梯度的增大而增大;当土体细颗粒含量较大时,管涌发生后的抗剪强度有所降低,抗剪强度随细颗粒流失量的增大而减小,随作用在试样上的最大水力梯度的增大而减小.     

高含水油水混合液黏度影响因素及计算模型

掌握高含水油水混合液的黏度特性,对于高含水原油-水体系的管道输送具有重要指导意义。采用搅拌测黏法测定并研究了剪切率、含水率、温度、单一界面活性物质含量、组合界面活性物质含量对高含水油水混合液表观黏度的影响。结果显示,混合液表观黏度随剪切率的增大、含水率的增加、温度的升高而逐渐减小,呈现出剪切稀释性,而且该性质随着温度的升高或含水率的增加而逐渐减弱;混合液表观黏度随沥青质、胶质、蜡、机械杂质等单一界面活性物质含量的变化并没有显著规律性,而随组合界面活性物质含量的增加而逐渐增大;混合液表观黏度并不依赖于某一种界面活性物质,而是与原油中典型界面活性物质的总含量密切相关,受各种界面活性物质协同作用的影响。通过回归分析,建立了高含水油水混合液黏度计算模型,模型计算结果的平均相对偏差为7.8%。     

纳米带中涡旋畴壁在磁场驱动下的振荡行为

利用微磁学模拟软件(OOMMF),对坡莫合金纳米带中涡旋畴壁在略高于Walker极限的磁场驱动下的动力学行为进行模拟,分析外磁场强度、纳米带尺寸及自旋极化电流对畴壁振荡频率的影响。结果表明,纳米带中涡旋畴壁的振荡频率随外磁场强度的增大而增加,随着纳米带宽度的增加呈先增加后减小再增大最后基本保持不变的趋势;外加与磁场方向相反的平衡电流,虽然不改变畴壁振荡频率随外磁场强度和纳米带宽度的变化规律,但能起到减小畴壁振荡频率的作用,且平衡电流随外磁场强度和纳米带宽度的变化趋势与畴壁振荡频率基本相反,而其随着阻尼系数的增大而线性增加。     

负载力矩对旋转阀转速的影响分析及转速控制研究

旋转阀的转速控制关系到钻井液压力信号的产生。旋转阀负载力矩随旋转角的变化规律是影响转速控制的关键。根据旋转阀转子的受力情况分析了旋转阀负载力矩的组成及影响因素。通过理论分析结合计算流体力学(CFD)仿真分析建立了负载力矩的计算模型。研究表明,旋转阀负载力矩随旋转角呈严重的非线性变化,负载力矩与钻井液流量的平方有关,与钻井液密度呈线性关系,与钻井液黏度无关。负载力矩的非线性特性对旋转阀转速产生严重影响。基于负载力矩的计算模型,采用负载力矩的前馈补偿进行旋转阀转速控制系统的线性化校正,通过转速负反馈形成PID(比例-积分-微分)闭环实现旋转阀转速的快速随动控制。MATLAB/Simulink仿真结果表明,旋转阀转速闭环控制系统具有快速跟随调相脉冲变化的能力;同时对流量测量误差及负载力矩计算模型偏差产生的干扰影响具有较强的抑制作用,可以满足对32 Hz的压力载波进行相移键控(PSK)调制,实现16 bit/s的数据传输速率。     

液黏传动双圆弧油槽摩擦副油膜剪切转矩研究

双圆弧油槽摩擦副广泛应用于液黏传动,为了研究油槽结构参数对油膜剪切转矩的影响,对摩擦副间流体的流动特性进行数值模拟,得到了油膜剪切转矩.建立了集流场参数化建模(CAD)、数值模拟(CFX)、试验设计方法(DOE)及响应曲面法(RSM)为一体的油槽参数影响分析平台,分析了油槽深度、油槽宽度和油槽数目对油膜剪切转矩的影响并建立了近似响应曲面模型.搭建转矩性能试验台进行试验验证,结果表明:油膜剪切转矩随着油槽深度、宽度和数目的增大均减小,而油槽宽度对转矩的影响最大,油槽深度影响次之,油槽数目影响最小.通过理论和试验研究,应用CFX数值模拟和建立摩擦副油槽参数影响分析平台实现了CAD、CFX、DOE及RSM等技术的高度融合,可以准确地分析摩擦副油槽参数对油膜剪切转矩的影响.     

热孔弹塑性完全耦合作用下的井底岩石应力分布

井底待破碎岩石所处的应力状态作为影响其破碎的关键因素而直接影响着钻井效率,建立综合考虑上覆岩层压力、水平地应力、液柱压力以及孔隙压力和地层温差完全耦合作用下井底岩石的三维物理模型,借助有限元软件进行求解,研究在不同液柱压力、不同井深、不同温差以及不同渗透系数作用下井底岩石应力分布的数值解。结果表明:液柱压力、井深以及温差越大,井底表面岩石最大主应力越大;渗透系数减小,井底表面最大主应力先增大后减小;在井眼轴向方向,在距离井底表面以下一定距离之后,液柱压力和井深越大,岩石最大主应力越小;温差对岩石最大主应力没有影响。     

水力喷射侧钻径向水平井钻速方程

通过试验得到泵功率、围压和喷距等参数对钻速的影响,应用数学分析方法建立水力喷射侧钻径向水平井钻速方程,将试验和理论推导相结合给出钻速方程的求解方法。结果表明:钻速随着泵功率的增加以指数关系变化,指数一般小于1,钻井液黏度越大指数越小;钻速随着围压的增大而逐渐减小;钻速随着喷距的增大先增大后减小。     

钻井液提升阀流量系数的测定

以钻井液作为介质,对锥阀、球阀、板阀3种阀芯4种不同结构的阀座形式在不同开度下的流量、压力进行测量和计算,得出了各种条件下钻井液提升阀阀口流量系数及其规律,并与水压阀阀口流量系数进行对比分析.结果表明:阀座倒角角度和倒角长度对锥阀及球阀阀口流量系数有较大影响,对板阀影响较小;背压存在与否对板阀流量系数变化规律影响较大;与水压阀相比,钻井液提升阀阀口流赶系数略高.     

液压阀阀体内流场的数值分析与可视化

液压滑阀是液压控制系统中控制液压油流动方向和流量的重要元件,阀体内流场特性直接影响阀的工作性能．按照实际使用中的参数,建立了滑阀的三维几何模型,利用CFD软件对其阀体内液体的流动状态进行了仿真分析,其结果对阀体结构的设计和性能优化都有重要的实际意义．     

用于深水套管切割的水力式内切割装置设计及研究

随着中国进入深水勘探阶段,机械式割刀越来越难以快速、高效地进行深水套管切割。针对此问题,在课题组前期研究的基础上,设计了一种用于深水套管切割的水力式内切割装置,并针对其结构特点,对其工作原理进行了介绍。结合水力式内切割装置的结构与工作原理,建立了活塞与割刀的几何模型,分析了割刀刀尖切割半径与活塞位移间的关系,并得到了工具切割套管所需最大扭矩和井口转盘所需提供的最小扭矩的关系式;最后通过建立的相关数学模型,借助MATLAB软件对影响其切割效率的因素进行了分析,结果表明:(1)随着割刀端面角的增大,活塞所需移动位移也增大但工具切割扭矩却降低;(2)工具切削扭矩随钻井液驱动力的增加而增加;(3)井口扭矩随切削深度的增加而增加,在切削深度不变时,井口扭矩随着转速的增大而增大,并给出了最好切削效果下的割刀端面角和切割转速的建议。研究结果对用于深水套管切割的水力式内切割装置设计和优化具有参考价值。     

涡轮式水力振荡器结构参数优化及流体仿真

大位移长水平井开发的后期,存在着大摩阻的问题,严重制约钻具向更远目标的快速钻进,在世界范围内引起了广泛关注。水力振荡器是油井开发后期降摩减阻的重要工具。针对该问题提出了一种涡轮式水力振荡器。该水力振荡器通过静阀与转阀流道口之间的相位变化将钻井液的动能转化为周期性脉冲压力,有效地解决了钻井过程中出现的托压和自锁问题。分别对圆形流道口、扇形流道口与正方形流道口进行优化设计,发现正方形流道口的降摩减阻效果最好。运用理论计算与FLUENT流体仿真分析,研究静阀与转阀的运动规律以及流道的尺寸和长度对阀组压降的影响,得到一组最优的阀组尺寸：中间流道口的半径为14.2 mm,正方形外流道口的边长为27 mm,流道长度为30 mm。研究结果表明该结构可以提供0.096～2.96 MPa的稳定脉冲压力。