液压双向双级减震器的研究

黄庆斌

（黑龙江省大庆市钻探工程公司钻井一公司探井项目部，黑龙江大庆163413）

液压双向双级减震器的研究

黄庆斌*

（黑龙江省大庆市钻探工程公司钻井一公司探井项目部，黑龙江大庆163413）

减震器作为一种能同时减缓或消除钻柱纵向和周向振动的常用井下工具，它能维护正常的钻压和扭矩，从而避免钻头钻具及地面设备因井下突然产生振动而破坏，也可以提高钻速加快打井速度，降低钻井成本的目的。而不同减震器在硬地层和砾石层中使用达不到理想的减震效果，根据钻具结构的特点，开发研制液压双向双级减震器具有重要意义。

液压；双向；双级；减震器

在双向减震器有多种结构，考虑到现场使用，研制一种能够进行有效减震，能够有效提高钻进速度，适合深井作业的双向减震器，于是开始提出一个液压双向双级减震器进行研究。该减震器属于钻柱减震器的一种，是配合牙轮钻头或研磨性取芯钻头钻进时起轴向和周向减震作用的减震工具。它能够吸收或减缓钻进过程中钻柱的轴向震动和周向冲击负荷，从而维持正常的钻压与扭矩。液压减震器适合在中硬地层、硬地层、砾石层或软硬夹层中使用，能在全面钻进或取芯作业中实现钻压和扭矩的最佳配合。

1 技术原理

1.1 结构构成及工作原理

主要由心轴、扶正筒、花键外筒、一级液压室、导向活塞、二级液压室、冲管、下接头及密封元件等组成。

钻压传递：钻压通过心轴及密封元件作用在硅油上，传给下接头及钻头。

扭矩传递：转盘的扭矩由上部钻柱传递给心轴，通过心轴与花键筒体的花键传递给液压室缸体、下接头，从而驱动钻头。

1.2 减震原理

钻柱和钻头受到冲击，震动使轴向负荷发生变化，该负荷使减震器内下部一级液压室(工作腔)中的硅油发生弹性变形(压缩或膨胀)，从而吸收或释放钻柱或钻头的冲击、震动能量。在硅油弹性变形的同时，心轴相对花键外筒做轴向运动，一级液压室（阻尼腔）中的液体高速流过各自环隙阻尼，产生大量摩擦热，吸收部分冲击能量，从而达到减缓周向冲击作用，从而减轻和防止跳钻。二级的液压室作为由导向活塞传递第一级液压室残余冲击力及振动，起到第二级减缓周向冲击作用使用，两级液压室的互为配合使液压双向减震器结构更适用于3000m以上深井作业。

1.3 工作原理

该减震器可以看为一种液压缓冲设施与螺旋推进器的有机结合，由钻头方向传递过来的周向冲击和振动，通过该减震器的两级液压油室处理，将钻柱产生的阻力传递给硅油，将机械能转换为热能，保护正常的钻压和扭矩，保护设备起到极其主要的作用。

钻杆钻进时，减震器处于两端受压状态，工具压力增加时，心轴受压缩进腔内，液压室内液体压力增加。钻杆提起时，处于减震器两端压力释放，液体压力恢复，心轴伸出。

2 实验模型的确立

物理模型是在某些特定条件下往往可抽象为理想的研究对象，是人们为了研究物理问题的方便和探讨物理事物的本身而对研究对象所做的一种简化描述，是以观察和实验为基础，采用理想化的办法所创造的，能再现事物本质和内在特性的一种简化模型。理想化的物理模型既是物理学赖以建立的基本思想方法，也是物理学在应用中解决实际问题的重要途径和方法，这种方法的思维过程要求学生在分析实际问题中研究对象的条件、物理过程的特征，建立与之相适应的物理模型，通过模型思维进行推理。

2.1 建立模型

对该减震器几何，运动上的物理量采用相似性准则，将流场上的重力、压力、液体张力以及液体的粘滞力和液体的压力设置模型，用相似三定理推倒相似指标和相似准则。

式中：CP——相似常数；

P1——原型的各种变量；

P2——模型中与P相应的变量。

（1）按相似理论选定比例因数：

式中：λY、λX——纵向和横向的相似比例因数；

l、D——液压室的长度和直径。

（2）判断模型建立是否与实际吻合，只需查看它们的动力相似准则是否相等，如一至则相似。

根据牛顿相似准则：

通过计算两者的牛顿数，比较两者数值相等，保证两者动力相似。

液体均有粘滞力系数，作为液压室内的油同时也应考虑其粘滞力，根据相似准则：

判断粘滞力只需判断雷诺数，只要比较模型中油与实际由雷诺数相等即可判断。

（3）冲击力在钻柱的Y方向表现为压力，所以也需要判断工作状态下油的压力场相似。

根据公式：

Eu=P（ρμ）-1

只要模型与实际压力的欧拉数Eu相等，则两者相似。

2.2 模型材料的选择

减震器的主体结构采用应满足以下几点：

（1）模型材料需选用使用于高压下刚度、硬度、强度及韧性等力学性能依然稳定的材料。

（2）热处理性能好，可以进行淬火增加其强度等力学性能，且通过热处理消除其应力。

（3）具有良好的加工性能。

（4）高低温抗冲击能力高。

综合以上几点选用42CrMo钢作为主体加工材料，且材料主要为圆钢结构，方便加工，切削加工量小。

42CrMo的成分和性能：

成份：

碳C：0.38%～0.45%；硅Si：0.17%～0.37%；锰Mn：0.50%～0.80%；铬 Cr：0.90%～1.20%；钼 Mo：0.15%～0.25%。

力学性能：

抗拉强度 σb≥1080(110)MPa；屈服强度σs≥930(95)MPa。

液压油选用耐高温，挥发性小，对金属无腐蚀，无毒，具有较大压缩量，综合以上选用硅油作为一级液压室和二级液压室的液压油。

3 现场数据采样

对使用中减震器其中一次十分明显对钻压与扭矩的控制情况进行了现场效果，该井队使用的是新钻机，钻压为自动送钻，提高增进钻速，表现为波动较大，但纵向减震效果明显，可有效地保护钻柱现场使用；轴向扭矩的控制较好，充分体现了减震器的轴向减震效果。

4 结论

通过现场试验，结果表明液压双向双级减震器满足设计要求，设计理念先进，在高温高压的工作环境中使用减震效果明显。具体优点如下：

（1）满足大庆地区深探井的工作环境，能有效防止钻头、钻具在钻进中发生较大震动，使转盘扭矩变化小、工作平稳；

（2）对钻进能有效地保护钻头，延长钻头使用寿命，提高钻井速度和经济效益。在我油田推广应用有着广阔的前景。

[1]张兆顺,崔桂香.流体力学[M].2版.清华大学出版社，2006.

[2] 刘延强，吕英民.钻柱拖扭阻力的计算分析[J].石油学报, 1996（3）.

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[4] 杨建国,张兆营，鞠晓丽，谭建宇.工程流体力学[M].北京大学出版社，2010.

TE92

A

1004-5716(2015)09-0103-02

2014-09-29

2014-10-28

黄庆斌（1973-），男（汉族），吉林农安人，工程师，现从事钻井工艺、技术、钻井设备及钻井生产管理工作。