Progettazione strutturale e analisi degli effetti su un nuovo tipo di oscillatore idraulico azionato con gruppi a doppia valvola

Jun 23, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 15719 (2022) Citare questo articolo

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È stato progettato un nuovo oscillatore idraulico, in grado di regolare le fluttuazioni di pressione attraverso due serie di valvole dinamiche e fisse. Gli oscillatori idraulici possono soddisfare i requisiti di frequenza e forza assiale della perforazione con un flusso del fluido di perforazione inferiore rispetto agli oscillatori idraulici generali. La struttura dell'oscillatore è stata descritta in dettaglio ed è stata calcolata l'area di troppo pieno tra i due gruppi di valvole dinamiche e fisse. Sulla base della differenza del flusso del fluido di perforazione, è stata analizzata l'influenza dei diversi flussi del fluido sulle perdite di carico dell'oscillatore, la sua legge di influenza è stata determinata dal software a elementi finiti Fluent e il suo effetto è stato verificato mediante simulazioni numeriche. La ricerca correlata è di grande importanza nella selezione di valvole dinamiche e fisse e fornisce la base teorica per l'ottimizzazione dei parametri strutturali degli oscillatori idraulici a doppia valvola.

L'attrito statico tra l'utensile di perforazione e la parete del pozzo aumenta con l'aumento della profondità del pozzo e della sezione orizzontale nei processi di perforazione convenzionali1,2, il che influisce gravemente sulla roccia della punta di perforazione, sulla durata dell'utensile di perforazione e sulla velocità di perforazione e causa persino incidenti nel fondo del pozzo come incollamenti, perforazioni. , ecc.3,4,5. Numerosi lavori di ricerca sono stati condotti in tutto il mondo sulla riduzione della resistenza di attrito della perforazione6,7,8 e gli oscillatori idraulici sono una delle tecnologie più interessanti9,10.

L'azione idraulica degli oscillatori idraulici provoca vibrazioni assiali nel gruppo di perforazione, che possono trasformare l'attrito statico del gruppo di perforazione in attrito dinamico. In questo modo, la pressione di sostegno del pozzo orizzontale può essere risolta efficacemente e la velocità di perforazione è stata migliorata. Zhang et al.11 hanno introdotto un oscillatore idraulico autoeccitato e ne hanno analizzato sperimentalmente le caratteristiche di frequenza e ampiezza. Xu12 e Liu et al.13 hanno valutato l'effetto degli strumenti di perforazione a percussione rotante auto-oscillanti sul campo. Liu et al.14 hanno progettato un nuovo tipo di oscillatore idraulico con vibrazione assiale indotta da un impulso idraulico e ne hanno descritto sperimentalmente la struttura e il principio. Li et al.15 hanno sviluppato un oscillatore idraulico per un foro di trivellazione di φ215 mm e hanno effettuato simulazioni indoor ed esperimenti sul campo. Wang et al.16 hanno progettato un oscillatore idraulico e ne hanno studiato il materiale e la struttura. L'effetto dell'oscillatore idraulico è dimostrato dal carico di spinta, dal test della frequenza di pressione e dall'applicazione sul campo.

Secondo le soluzioni numeriche delle equazioni di Navier–Stokes del modello Fluent e sperimentali nel sistema "Pipeline Fittings", Karpenko et al.17 hanno analizzato l'influenza dei processi idrodinamici sullo sviluppo del flusso turbolento di un fluido. Yu et al.18 hanno progettato un oscillatore idraulico e ne hanno analizzato i principali parametri meccanici, modificandone le leggi e le caratteristiche di vibrazione. Richard19, Liu20, Leus21, Wicks22 sono stati proposti diversi modelli di vibrazioni assiali per l'analisi degli oscillatori idraulici.

Tuttavia, per soddisfare i requisiti di forza di oscillazione, frequenza, ecc., la maggior parte degli oscillatori idraulici studiati richiedeva più di 30 L/s di fluido di perforazione23,24; pertanto erano necessarie pompe di perforazione a grande portata o pompe di perforazione aggiuntive. Pertanto, abbiamo progettato un oscillatore idraulico azionato con doppio gruppo valvola adatto a flussi di fluido di perforazione inferiori a 30 L/s.

Il nucleo di un oscillatore idraulico azionato con un gruppo a doppia valvola è costituito da due parti, ovvero la sezione superiore dell'oscillatore e l'estremità inferiore della sezione di azionamento. Come mostrato in Fig. 1, la sezione di oscillazione era composta principalmente da mandrino scanalato, manicotto scanalato, molla a disco, dado di compressione, guscio oscillante, ecc. Inoltre, la sua funzione principale era quella di convertire l'onda di pressione proveniente dall'estremità inferiore in forza assiale oscillante di guscio vibrante tramite molla a disco. Come si può vedere nella Fig. 2, la sezione di trasmissione era costituita principalmente da albero centrale, gruppo turbina, cuscinetti di allineamento, valvola dinamica, labbro divisore e cuscinetti reggispinta. La sezione di oscillazione era collegata alla sezione di azionamento tramite la filettatura della vite. La funzione principale della sezione di trasmissione era la rotazione dell'albero centrale da parte di una turbina impostata per modulare le onde armoniche periodiche attraverso il canale di flusso che cambia periodicamente mediante la rotazione di valvole dinamiche.