（机械设计及理论专业论文）井下低频水力脉冲注水工具设计与研究.pdf

摘要 通过注水井向油层注水补充能量，保持油层压力是油田为了提高采油率和采油速度 而广泛采用的一种方法。但现有油田注水方式普遍存在效率低，能源消耗大等问题。而 且，我国现有油田相当一部分是低渗透油田，现有注水方式很难对低渗透油田进行有效 注水，提高油层渗透率，进而难以提高原油采收率。 基于国内外对低频水力脉冲波提高油田渗透率，有效提高采油率机理研究的基础 上，本文制定了井下低频水力压力脉冲注水工具的设计方案，并对该工具进行了设计， 根据设计目标，对该工具关键部件进行了参数计算和强度校核。基于流体力学基本理论 对井下低频水力脉冲注水工具的工作过程和受力情况进行了分析，并针对蓄能过程和释 能过程，建立了压力、流量变化数学模型，以此模型为依据，用液压仿真软件a m e s i m 进行了系统仿真分析，结果表明，在理想状态下，设计的低频水力脉冲注水工具满足设 计目标要求。 在仿真分析与设计的基础上，对井下低频水力脉冲注水工具的关键元部件及总成进 行了反复室内实验研究，并通过逐步改进设计，其相关性能达到了设计目标要求。限于 加工进度和实验条件的限制，对低频水力脉冲注水工具的总体实验尚未进行。 关键字：注水，井下工具，低频水力脉冲，仿真 d e s i g na n dr e s e a r c ho nd o w n h o l ew a t e ri n je c t i o nt o o lw i t h l o w f r e q u e n c yh y d r a u l i cp r e s s u r ep u l s e w a n gl e i ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db ya s s o c i a t e dp r o f j u nf a n g a b s t r a c t s u p p l e m e n t i n ge n e r g ya n dm a i n t a i n i n gp r e s s u r et h r o u g hw a t e ri n j e c t i o ni s at e c h n i q u e w i d e l yu s e di no i lf i e l df o ri m p r o v i n go i lr e c o v e r yr a t e b u te x i s t i n gi n j e c t i o ns t r a t e g yi s u b i q u i t o u sh i g hc o n s u m i n ge n e r g ya n di n e f f i c i e n t a n d i ti si n e f f i c i e n tt oi n j e c t o ra n d i m p r o v ep e r m e a b i l i t ya n dt h e ni m p r o v i n gc r u d e o i lr e c o v e r yr a t i oi sd i f f i c u l t y t h i sd r a w s d e s i g n ) o s a lo fd o w n h o l ei n je c t o rt 0 0 1w i t hlowfrequencyhis p a p e rd r a w su pd e s i g np r o p o s a lo td o w n l a o l e e c t o rt 0 0 1w l t n i tq u e n c y 1 一 一 h y d r a u l i cp r e s s u r ep l u sb a s e do nt h em e c h a n i s ms t u d yo fl o w f r e q u e n c yh y d r a u l i cp r e s s u r e p l u st h a ta r ep r o c e e d e da th o m ea n da b r o a d a n dt h e nw ed e s i g nt h i s t o o la n dp r o c e e d p a r a m e t e r sc a l c u l a t i o na n di n t e n s i t yc h e c k i n go fk e yp a r t s t h i sp a p e ra n a l y s i s f o r c es t r e s s s t a t e sa n dw o r k i n gs t a t e sb a s eo nf l u i ds t a t i c sa n df l u i dd y n a m i c s t h ew o r k i n gp r o c e s so f d o w n h o l ei n j e c t t i o nt o o lw i t hl o w - f r e q u e n c yh y d r a u l i cp r e s s u r ep l u si sr e s o l v e di n t op r o c e s s o fe n e r g ys t o r a g ea n de n e r g yr e l e a s e a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d a lo ff l o w r a t ev a r i a t i o na n d p r e s s u r ev a r i a t i o no fe n e r g ys t o r a g ea n de n e r g yr e l e a s ei se s t a b l i s h e d t h i sp a p e rs i m u l a t e s h y d r a u l i cs y s t e mo ft h i st o o lb ya m e s i m b a s eo ne s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d a l i nt h i sp a p e rl a b o r a t o r ye x p e r i m e n to fr e l a t e da s s e m b l yo fd o w n h o l ew a t e ri n j e c t i o nt o o l w i t hl o w f r e q u e n c yh y d r a u l i cp r e s s u r ep l u si sp r o c e e d e df i n a l l y a n dt h er e s u l t ss h o wt h a t r e l a t e dp r o p e r t i e sm e e tt h er e q u i r e m e n t a n dt h eg e n e r a le x p e r i m e n ti sn o tp r o c e e d e db e c a u s e t h e l i m i t i n g o fe x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ow ec a n n o tc o n f i r mt h a t t h e g e n e r a t e d l o w f r e q u e n c yh y d r a u l i cp r e s s u r ep l u sc a n m e e to u ri n i t i a ld e s i g nr e q u i r e m e n t s - k e y w o r d s ：i n j e c t o r , d o w n h o l et o o l ，l o w f r e q u e n c yh y d r a u l i cp u l s e ，s i m u l a t i o n 学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：蒌猛日期：肋呷年j 月乡日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 至箍 指导教师签名： 日期：噼上月；日 日期：d 审i 月? f 日 中目i 油 ( 华东】顶学论文 第一童绪论 】1 低频水力脉冲波增产机理及作用 1 低频水力脉冲波的增产机理 低频水力脉冲采油技术是水力脉冲采油技术的一种，由前苏联罗兹科学研究院于上 世纪8 0 年代首先研制成功。后经国内外现场应用证明低频水力脉冲采油技术是一种既 经济又有良好发展前景的技术。 低频水力脉冲采油是以轻质油或表面活性剂处理过的水为注水介质，多次瞬间升降 压，来恢复、增强油层渗流能力的一种技术。当一定频率的液体传递给油层，经多次重 复的增压，会对含油饱和岩石有脉冲作用，井对地层有强烈的伸长一压缩作用，使地层 产生裂缝刚。在注入压力周期性变化的情况下，注入的液体会逐步向地层深处渗透，有 可能在地层深处产生裂缝。同时，由于注入的介质是活性水或者轻质油，所以注入近井 地段后，可以降低原油黏度及岩层水的表面张力，加快液体向井底的流动速度。图卜l 是经低频水力脉冲波处理前含油多孔介质的原始孔隙状态，液体水在其中的流动状态可 看做准静定流( 达西渗流) 。图l - 2 是经过低频水力脉冲波处理后的多孔介质的孔隙状态， 圉1 1 孔隙周定的多孔介质的原始状态 f i 9 1 - 1 0 r i g i n u ls t a t eo f t h ep o r o u s m e d i ah a s i t f i x e d p o r e t h r o a t 含油层的多孔介质在经过低频水力脉冲渡处理后，其孔隙度明显的增加。液体介质在其 r f l 的流动状态是一种动态流动。图1 3 是多孔介质经低频水力脉冲波处理后的恢复过程。 油层多孔介质经低频水力脉冲波处理后，其恢复过程需要耗散一定的能量；返对，液体 注水介质在多孔介质中的流动状态又可咀看做准稳定流动状态。 第一章堵论 圈1 - 3 多孔介质孔隙的恢复状态 f i 9 1 - 3 r e l s x a t i o no f t h ep o r o u s m e d i a a f t e ra f l u i d p u l s e 图1 - 4 是低频水力脉冲器的示意结构，通过活塞产生的一定量高压力液体经过 井底射孔排入到油层中，提高了多孔介质的的油层压力、渗透率、孔隙度，饱和度和均 质性。 图l o 低频水力脉冲发生器结构 f i g l q s t r u c f i o no f l o w - f r e q u e n c yp r e s s u r ep l u sp r o d u c e r 中国石油大学( 华末) 学位论文 低频水力脉冲发生器在多孔介质中产生的流体位移波( 图1 - 5 ) 就像一块石子在水塘 中产生的细水波。这种流体位移波在多孔介质中使流体产生了很高的加速度，强迫原油 圈1 - 5 低频水力脉冲波波形 f i g l 一5 w a v e f o r mo f l o w - f r e q u e n c yp r e s s u r e p l u s 快速流出，和注水介质的快速流入。 图l 一6 是储油层与水力脉冲波 的关系。当水力脉冲波为低频高幅 波时，储油层的油层渗透率最大， 液体在储油层中的流速也最快：当 水力脉冲波是高频低幅波时，储油 层的油层渗透率虽小，液体在储油 层中的流速最小，中频中幅渡对储 油层的影响介于两者之间。 图1 7 是低频水力脉冲发牛器 产生的低频水力脉冲波水流，水流 的中间是恒定的注水流束，外层是 由于低频脉冲水力脉冲发牛器作 用而增加水流流量和压力的流柬。 渗透率水力脉冲渡波形 流速 图l 储油层与水力脉冲波形关系 f i 9 1 - 6r e s e r v o i ra n dd e e p w a v er e l a t i o n s h i p 第章绪论 囊眵一严 一 低频水力脉卅发生器 自m 颠水力渡增 ，翼訾 5 4 i n 管 3 2 1 5 1 2 i n 2 i n 管 1 5 5 0 3 0 压油管路 2 i n 管 5 0 4 0 回油管路 3 控制油路 2 3 流经控制阀等短距离的缩小截面的通道 6 溢流阀 1 5 溢流阀做安全阀使用 3 0 损失影响很大。表2 1 列出了不同作用管径的推荐值【1 s 】。 根据j b8 2 7 6 6 ，j b z9 5 6 7 的有关规定得钢管公称直径与推荐流量关系如表2 2 l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 所示。 井下低频水力脉冲注水工具处于地面注水泵站的压油管路，管路直径 5 0m m ，所以 其设计流速在4 0 m d 一左右，地面注水泵站的最大注水量1 0 0 m 3 d ( 约6 9 5 三m ) ，将 表2 2 钢管工程通径、外径、壁厚、连接螺纹及推荐流量表 t a b l e 2 2n o m i n a ld i a m e t e r ，o u t s i d ed i a m e t e r , t h i c k n e s s ，t h r e a da n dr e c o m m e n df l o wo fs t e e l t u b e 公称通径 公称压力珞( g p a ) 推荐管道 d g 过流流量 2 581 62 531 5 ( l r a i n ) m ml n 管子壁厚( m m ) 311111 40 0 6 3 41ll1 41 4 2 5 5 ：6 1 8 ”1111 61 66 3 81 4 ”111 6222 5 1 0 ：1 23 8 ”11 61 622 5 4 0 1 5 l 2 1 61 62 2 5 3 6 3 2 03 4 ”1 622 53 5 41 0 0 2 51 ”2234 55 1 6 0 3 24 5 ”22 54562 5 0 4 03 2 ”2 534 55 574 0 0 5 0 2 33 556 58 56 3 0 6 5 5 2 ”3 5 4 6 81 01 0 0 0 8 03 45 7 1 01 21 2 5 0 l o o4 ”568 52 5 0 0 q ，v 值代入式2 - 2 得d 1 8 7m m ，即其过流截面积2 7 5 m m 2 即可。 2 3 蓄能器控制阀设计 2 3 1 蓄能器控制阀的工作原理 蓄能器控制阀结构原理图2 2 。蓄能器内的液体进入先导阀前腔和主阀前腔，当蓄 能器的最高工作压力达到先导阀开启压力时，先导阀被推开；主阀后腔与井底注水段相 通，主阀后腔压力降低，主阀开启；蓄能器内高压液体通过主阀瞬时排入到井底注水段 第二章井下低频水力脉冲注水工具设计 容腔中。由于蓄能器排出的液体瞬时流量很大，所以会使井底注水段内液体压力瞬时上 升，使流过井底射孔的液体流量急剧增加，产生低频脉冲压力波。低频脉冲压力波在井 筒及油层孔隙中传播，从而实现解堵、增注的目的。随着蓄能器内液体的排出，蓄能器 内压力降低，先导阀阀芯复位。当蓄能器内压力降低到最小工作压力时，先导阀将主阀 后腔与井底注水段断开，主阀后腔压力升高，在压力差的作用下主阀将被关闭，一个压 力脉冲周期完成。 2 3 2 蓄能器控制阀先导阀总成设计 先导阀总成主要由差动双活塞，换向滑阀，阀套，阀座，车氏组合密封，弹簧及其 他辅助件组成。其主要 功能是控制主阀的工 作压力和频率，使蓄能 器内液体尽可能多的 排出，降低井底注水段 低频水力脉冲波的工 作频率，提高低频水力 脉冲波的压力幅值。 1 先导阀总成工 作原理 地面注水泵站在 差动 向蓄能器供液时，液体 同时会进入先导阀上 腔室推动活塞克服弹 簧力的压缩力使差动 图2 - 2 蓄能器控制阀 f i 9 2 2c o n t r o lv a l v eo fa c c u m u l a t o r 双活塞自上向下运动。由于活塞台肩与滑阀间存在一定行程，所以活塞开始运动时， 不会立刻推动换向滑阀运动。当差动双活塞运动行程后，活塞台肩与换向滑阀端面接 触推动换向滑阀自上向下运动行程乞后，换向滑阀换位导通主阀后腔室与井底注水段容 腔。主阀后腔内高压液体经换向滑阀排向井底注水段，主阀前后腔产生压差，主阀芯在 压差力的作用下被打开，蓄能器内储存的液体水快速排入到注水井井底注水段中，井底 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 注水段内液体不能及时排除，压力瞬时提高，产生低频压力脉冲波。活塞两端力达到平 衡后，滑阀芯由于惯性力的作用，继续向下运动距离为厶的行程后与换向滑阀套的限位 台接触，换向滑阀停止运动，活塞运动到下极限。蓄能器内液体排出后，压力降低，先 导阀弹簧将克服液压力使差动双活塞向上运动复位。差动双活塞向上运动厶的行程后与 换向滑阀接触，带动换向滑阀向上运动厶的行程后，换向滑阀关闭。换向滑阀关闭后， 主阀后腔内液体不再排出，压力升高，主阀将被关闭。主阀关闭后，蓄能器内液体不再 排出，蓄能器胶囊被压缩，压力开始上升，一个新的循环过程开始。在工作过程中，由 于活塞在一个周期内运动距离的空行程，换向滑阀存在的空行程，从而起到降低主 阀工作频率，增加蓄能器释放液体量的目的。 2 先导阀总成差动双活塞参数计算 图2 3 是差动双活塞( 以下简称差动活塞) 结构。差动活塞有两个活塞将活塞腔分成 井底注水段液体 图2 - 3 差动双活塞结构 f i 9 2 - 3s t r u c t i o no fd i f f e r e n t i a ld o u b l ep i s t o n 三个腔室，前后腔室内液体压力与蓄能器内液体压力相等，中间腔室液体压力与井底注 水段液体压力相等。活塞腔中间腔室与井底注水段相同，便可通过调节弹簧的压缩力来 调定蓄能器内液体压力与井底注水段内液体压力差值卸。 1 ) 差动活塞结构尺寸确定 差动活塞的运动过程是一个加速、平稳运动、减速的复杂过程。在运动过程中活塞 所受到的液压力作用比较复杂，几乎无法对差动活塞的受力情况进行动态分析。设计时 考虑细长杆在受拉和受压条件下的强度及稳定性要求，先导阀总成整个装置的结构尺寸 的限制，蓄能器控制阀外壳强度的要求，加工装配条件及相关国家标准的规定，初步 1 3 第二章井下低频水力脉冲注水工具设计 选定大活塞处缸径映= 0 0 3 2 m ，小活塞处缸径易、= o 0 2 8 m ，活塞中间腔处的活塞杆径 坼= o 0 1 8 m ，下端的小活塞杆径幽、= o 0 1 6 m 。根据国家标准关于活塞行程s 的基本系列 2 3 1 ( 表2 - 3 ) 的规定，选定活塞行程s = 2 5m m 。 表2 _ 3 活塞行程 t a b l e 2 3p i s t o ns t r o k e i t i i l l 2 55 08 01 0 01 2 51 6 02 0 02 5 0 3 2 04 0 05 0 0 注：活塞行程超过表中所示数值时，可按r 1 0 优选数系歹0 选用 2 ) 差动活塞工作过程受力分析 差动活塞的工作过程分为上冲程和下冲程两个过程。差动活塞下冲程是开肩释放能 量的过程，上冲程是复位储存能量的过程。 ( 1 ) 差动双活塞受力分析 差动双活塞的工作过程分为由最高位向最低位运动的下冲程和由最低位向最高位 运动的上冲程两个过程。当差动双活塞在下冲程工作时，由大小活塞两端的压差力提供 动力；当差动双活塞在上冲程工作时，活塞底端的弹簧压缩力为动力。差动双活塞工作 时，活塞在缸体内做相对运动将遇到摩擦阻力c 、液动力只、井底注水段压力在活塞 中间腔室产生的作用力e 、压缩弹簧的作用力e ，活塞自身的重力瓯( 由于所设计的水 力脉冲装备在注水井内使用，所以换向滑阀会受重力作用) 及两位两通滑阀产生的作用 力e 。因此要保证差动活塞正常工作，就必须使运动动力大于上述力的代数和。即 f 巴只e 6 _ e ( 2 - 3 ) 此式忽略了惯性力的作用，因为差动活塞运动过程过于复杂，在运动过程中无法确 图2 4 下冲程力平衡 f i 9 2 - 4f o r c ee q u i l i b r i u mo fd o w n s t r o k e 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 定其加速度值，且惯性力值很小，为便于受力分析所以忽略惯性力的作用。 a 差动活塞下冲程受力分析 差动活塞下冲程受力关系如图2 4 ，根据力平衡关系可得下式 e 颤+ 弓以、= 只彳小+ 弓欠+ + e + e g 活 ( 2 - 4 ) 式中见下冲程蓄能器内瞬时压力( e a ) ； 弓下冲程注水井注水段内瞬时压力( p a ) ； 4 大活塞面积( m 2 ) ； 以、小活塞面积( 研2 ) 。 b 差动活塞上冲程受力分析 图2 5 上冲程力平衡 f i 9 2 5f o r c ee q u i l i b r i u mo fu p s t r o k e 差动活塞上冲程受力关系如图2 5 ，根据力平衡关系可得下式 只码、+ 4 失+ 疋= 只颤+ 4 彳小+ 己+ 五+ g 活 ( 2 5 ) 式中p ：上冲程蓄能器内瞬时压力( 忍) ； 鼻上冲程注水井注水段内瞬时压力( 砌) 。 ( 2 ) 差动活塞所受摩擦力 根据差动活塞的结构( 图2 4 ) ，差动活塞 在运动时只受到大活塞和小活塞处组合密 封摩擦力作用。 0 形密封圈在工作过程中产生的应力 和应变有以下两方面的原因，一是预压缩； 二是液压油的工作压力差p 。 劾日 图2 - 6 0 形密封圈截面 f i 9 2 - 6c r o s ss e c t i o no fo - s e a l i n gr i n g 第二章井下低频水力脉冲注水工具设计 a 预压缩所产生的应变和应力 在装人液压缸之前，安装在活塞上的o 形密封圈的截面呈圆形，设圆截面直径为比、 o 形圈外径为d ，如图2 - 6 。活塞装人液压缸后， 由于其沟糟底部至缸壁的距离b 小于以。这样o 形密封圈产生预压缩，压缩率为w ，如图2 7 。 以o 形密封圈的对称轴为z 轴，以z 轴与油 缸壁相交点为座标原点a ，建立如图2 7 中所示的 空间直角坐标系a 一眩。对o 形密封圈a 点处划 分出的单元体进行分析，在预压缩作用下，单元体 图2 7 应力应变分布 沿y 轴方向的应变可写成 f i 9 2 7s t r a i l la n ds t r e s sd i s t r i b u t i o n 铲r c ( d - 矿2 w d o ) - r r d = 一警 乞l ：( d o - w _ d o ) 一- d o ：一w d 0 q 。= 吉 吒。一( q 。+ 吒1 ) 】 乞。= 吉【吒，一( q 。+ 吒1 ) 嚣1 篡 1 6 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 淳一缮一 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 。，- w 1 e ( 2 9 ) “而 ， 根据前面的假设，可以采用赫芝接触理论 2 1 1 来近似确定0 形密封圈与壁面接触面 上的压应力 仃= ( 1 一争 ( 2 - 1 0 ) 式中a = 0 4 d o ； 工接触点到原点a 的距离。 b 液压油对o 形密封圈产生的应变和应力 在工作压力为p 的液压油的作用下，o 形密封圈将在压力作用下进一步压缩。在o 形密封圈建立与图2 - 8 相同的空间直角坐标系，仍取原点为a 单元体的分析对象则 = 之= o ( 2 1 1 ) 根据胡克定律得 = 吉 t 一( t + t ) 】 s 去 。：叫t + o - 0 ( 2 - 1 2 ) 根据0 形密封圈的受力特点，则 口：= - p ( 2 - 1 3 ) 将式2 1 1 和2 1 3 代入2 1 2 得 t = 竿p ( 2 - 1 4 ) 在液压油的作用下，鼓形圈的截面接近于矩形。因此，鼓形密封圈与液压缸接触面 的压应力可近似认为沿x 轴均布，即 吒= t = 竿p ( 2 1 5 ) c 预压缩力引起的摩擦力乞。 厂为0 形密封圈与阀套壁间的摩擦系数，则由于0 形圈预压缩引起的摩擦力可按 下式计算 2 1 - 2 2 1 巴。= 删 o 4 , t o w e ( 1 压_ x a 4 ) 出 ( 2 16 ) 第二章井下低频水力脉冲注水工具设计 积分得 。一0 2 疗_ l 一2 w “e d d of ( 2 - 17 ) d 液压油引起的摩擦力。： 由于鼓形圈在压力p 的液压油作用下，其截面与阀套壁面接触宽度s 接近或，则液 压油引起的摩擦力2 2 1 为 = 掣p 万砜 ( 2 1 8 ) 所以，o 形密封圈处引起的总摩擦力为： fmo=zo(fm。，+j乙。：)=!：!i!：!；!笋z。7，r。c乇 ( 2 19 ) 式中 z o 为使用的o 形圈个数 由以上分析可得，差动活塞的o 形圈受力分两种情况 a 当差动活塞由最高位向最低位换向即处于下冲程时，差动活塞大小活塞处o 形圈 所受压力p = p ，取p ，= 3 0 x 1 0 6 p a ，w = 0 2 ，d x = 0 0 3 2 m ，d ，j 、= 0 0 2 8 m ，= 0 4 9 ， 厂= 0 1 ，e = 4 4 x 1 0 6 p a ，d o = 0 0 0 2 6 5 mz o l = 乙2 = 1 代入得差动活塞处于下冲程时0 形圈产生的摩擦力 f , , o = 5 2 0n ( 2 - 2 0 ) 活塞处密封采用西安车恒德车氏组合密封，其产生的摩擦力是o 形密封圈所产生摩擦力 的三丢，所以活塞组合密封处的实际摩擦力值为1 3 0 2 6 0 n 。 b 当差动活塞由最高位向最低位换向即处于上冲程时，差动活塞大小活塞处o 形圈 所受压力p = p ：，取p ：= 2 2 5x 1 0 6 p a ，w = 0 2 ，吸= 0 0 3 2 m ，功、= 0 0 2 8 m ，t = 0 4 9 ， 厂= o 1 ，e = 4 4 x 1 0 6 p a ，d o = 0 0 0 2 6 5 mz o l = z d 2 = 1 代入得差动活塞处于下冲程时0 形圈产生的摩擦力e 。= 3 9 0 n 活塞处采用西安车恒德车氏组合密封，其产生的摩擦力是o 形密封圈产生的摩擦力 的! 三，所以换向滑阀组合密封处的实际摩擦力值为9 7 5 1 9 5 n 。 24 ( 3 ) 差动活塞自身重力 根据结构设计，差动活塞的质量为0 3 姆，则其自身所受的重力为 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 g 活= m g = 3 5 n ( 2 2 1 ) 3 换向滑阀设计 先导阀总成的换向滑阀用来控制主阀腔内液体与井底注水段容腔的通断，以实现主 阀的开启与关闭。本文设计的换向滑阀是一个行程控制的常闭两位两通阀，该换向滑阀 依靠差动活塞的行程来实现换向装置的换位。当差动活塞处于下冲程时将带动换向滑阀 由常闭位变为导通：差动活塞处于上冲程时，将由通位变为闭位。设计的换向滑阀应满 足如下设计要求： 动作灵敏、使用可靠，工作时冲击振动小。 液流通过时压力损失小。 密封性能好。9 一 ( 1 ) 换向滑阀压力损失及主要结 立 n 构参数确定 寸 换向阀的设计要根据液压系统 的工作要求，确定它的通道数，然后 根据换向阀的性能要求进行水力计，、 算和结构设计。通常在保证液流通过( n ) 换向阀的压力损失要小的前提下，确 图2 - 8 压力损失与阀开口长度关系曲线 定换向阀的主要尺寸。 v a l ：= ：= 兰。 压力损失是衡量换向滑阀工作 性能的重要指标之一。液流通过换向阀时的压力损失，包括阀口压力损失和流道压力损 失。其中阀口压力损失与阀口开i ；3 长度有关，通常情况下开口长度石x o 时，阀口压力 损失助很大且变化剧烈，当x x o 时，阀口的压力损失减小，且变化平缓，图2 8 是换 向阀的压力损失与阀口开度关系曲线。换向滑阀的流道压力损失主要为局部压力损失， 理想的情况是流道的几何形状与流线一致，显然这只有采用铸造流道才有可能做到。 在阀的开口长度和阀内流道形状以及尺寸一定时，换向滑阀的压力损失取决于通过 换向阀内的液流速度。流速越大，压力损失越大。为了减小压力损失，在设计换向阀时， 应该限制阀内的流速，但流速也不宜过小，否则会使阀的结构尺寸过大。目前，一般限 制阀内各流道的流速为2 6 m s ( 压力较低时) 或4 8 朋s ( 压力较高时) 。 1 ) 阀套过流孔直径以确定 1 9 第二章井下低频水力脉冲注水工具设计 先导阀总成的换向滑阀用于通断主阀后腔与注水段的流路，阀套过流孔径无大流量 液体流过，因此可取阀套过流孔径环的值为0 0 0 5 m 。 2 ) 阀芯外径d 、阀杆直径d 和中心孔直径d ，的确定 从阀芯的强度考虑，阀杆直径d 和阀芯外径d 应满足以下关系 1 d 二d ( 2 - 1 4 ) 2 通过换向滑阀阀芯外d 取值为0 0 2 8 m ，阀杆直径d 取值为0 0 2 5 m 。 3 ) 换向滑阀的泄露分析及相关尺寸的确定 换向滑阀的泄漏量过大，将导致液压系统发热严重，效率降低，影响执行元件的运 动速度。因此，泄露量是评价换向滑阀性能好坏的指标之一。 p 1 i d 口2 q f 图2 - 9 同心环状缝隙流 f i 9 2 - 9g a pf l o wo fc o n c e n t r i cr i n g ( a ) 阀芯静止( b ) 阀芯运动 ( a ) v a l v ec o r es t a t i c( b ) v a l v ec o r em o t i o n 油田作业现场用的注入介质一般为水，轻质油等。水的粘度与轻质油相比，要小很 多。所以以水作为介质源来讨论，在井底1 5 0 0 m 深处，温度约为6 0 。c ，水的运动粘度 约为4 7 5 x 】0 - 3 c s t 。换向滑阀间泄露流动属于圆柱状缝隙流。根据水力直径定义 九：等 ( 2 - 1 5 ) 式中a 过流断面面积( m 2 ) ； x 过流断面湿周( m ) 。 由式2 1 5 得滑阎口处的水力直径为 2 x r 2 a r c c o s f - - x 刀，望+180arceos 6 x 万丽x 刀， 、( z ，一j ， 2 0 ，式中x 为阀套 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 孔的开度。 a 滑阀阀芯与阀套完全同心时，阀芯与阀套间无相对运动时其泄漏量 2 0 1 为 g = 婴卸( 2 - 1 6 )。 1 2 p l 1 当阀芯与阀套有相对运动，运动速度为u 时，其泄漏量 2 0 1 为 q 器卸警u ( 2 1 7 ) 式中 a q 液体泄露量( 脚3 s ) ； d 阀芯直径( m ) ： 万阀芯与阀套间的半径间隙( m ) ； 卸间隙两端的压力差( p a ) ； u 阀芯相对阀体的运动速度( m s ) ； 液体介质的动力粘度( 胁，z 2 ) ； ，封油长度( m ) 。 式中的选取：阀芯的运动速度与压差流方向一致时，取“+ ”，反之取“一”。 b 偏心环状缝隙流 在实际工程中，换向滑阀的泄露极少是同心环状缝隙流动。往往会由于受力不均匀 和加工时的偏差引起偏心。所以在设计时，换向滑阀一般按照偏心环状缝隙流进行计算。 根据阀芯相对阀套的运动情况，可将换向滑阀的泄露流动分为三种形式： 阀芯相对阀套静止时的偏心环状缝隙流。 阀芯运动方向与压差流方向一致时的偏心环状缝隙流。 阀芯运动方向与压差流方向相反时的偏心环状缝隙流。 偏心环状缝隙流的泄露公式 9 ：r c d a p ( 1 + 1 5 占2 ) 万34 - 半u ( 2 - 1 8 ) 一 1 2 “f 7 2 。 换向阀阀芯与阀体间环形间隙的流动状态一般为层流，考虑到最坏的情况，按偏心 环形间隙泄露量计算 q ：刀d a p ( 1 + 1 5 6 2 ) 万3 ( 2 - 1 9 )。 l z 删 式中 s = ：e ( 相对偏心) ； 2 1 第二章井下低频水力脉冲注水工具设计 p 阀芯中心线和阀体中心线的偏心距( m ) 。 式中其他符合与式2 1 7 中相同。 求解换向滑阀总泄露量时，分别求出每处泄漏量，然后求和。 。 由式2 1 7 可得，当f = 1 ，即e ：5 完全偏心时，泄漏量最大，其泄漏量为 t x q ：2 5x ，d ，a p ，8 3 ，是完全同心时的2 5 倍。换向滑阀的泄漏量与间隙压差p ，阀芯直 l z “z 径d ( d 取决于阀的额定流量) 以及阀芯和阀体的半径间隙万的三次方成正比，与封油长 度，成反比。显然，半径间隙万对泄漏量的影响最大。为减少换向滑阀的泄漏量，设计 时 a 换向滑阀的半径间隙一般取值为 万= 去( o 0 0 5 0 0 2 ) x1 0 。( m ) ( 2 - 2 0 ) 由于工作介质是水或轻质油等低粘度液体，所以取万= o 0 0 2 5 m m 。 b 适当增加封油长度 根据泄露公式2 1 6 得有效密封长度，和密封长度三分别为 怂端 p 2 1 ) 1 j l = 2 l + z 密 ( 2 - 2 2 ) 式中p 间隙两端的压力差( p a ) ； 卜一有效封油长度( m ) ； q 。 泄漏量允许值( ，1 3 s ) ，设计时常定为0 0 1q o z 密( m 3 s ) ； z 橹均压槽数，其值一般为3 7 ； 6 均均压槽宽度，一般是泄露间隙值1 0 倍以上( m ) 。 将上式各参数的设计值p = 8 1 0 6 p a ，d = 0 0 3 2 m ，z 密= 2 ，= o 5 x l o 。3 m 【q 。】1 1 5 7 4 x 1 0 5m 3 s ，j = 2 5x 1 0 “m ，0 6 7 3x 1 0 3 腼肌2 ，z 橹= 3 代入2 - 2 1 得 ，1 6 r a m ( 2 2 3 ) 取，值为1 0 m m ，则 l = 2 5 r a m ( 2 - 2 4 ) 表2 4 为最小油封长度的推荐值【1 9 】 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 4 最小封油长度f 值 t a b l e 2 4m i n i m a ll e n g t ho f ， 工作压力差5 2 52 5 8 08 0 1 6 0 1 6 0 3 2 0 3 2 0 ( b a r ) 最小封油 o 1 5 0 20 2 0 30 3 0 40 4 - 0 50 6 - - 0 7 长度，( m m ) 4 ) 阀芯行程s s k 。+ z ( 2 - 2 5 ) 将= l m m ，l - - 1 0 m m 代入得 s 1 l m m ( 2 2 6 ) 因为阀芯的行程与蓄能器的工作频率有一定的关系，所以在结构允许的情况下其行程越 长越好。 ( 2 ) 换向滑阀运动过程中受力分析 换向滑阀换向时，阀芯在阀套内做相对运动时将遇到摩擦阻力巴、液动力只、滑 阀自身的重力瓯及差动活塞产生的换向力f 。因此要保证换向滑阀能可靠换向，就必 须使换向力大于上述阻力的代数和。即 f c c g 滑 ( 2 - 2 7 ) 上式中忽略了惯性力的作用。 1 ) 阀芯摩擦阻力巴 换向滑阀的摩擦阻力巴包括两部分，即纯牛顿流体剪切力岛、液压卡紧力造成的 轴向力b 。 a 纯7 二顿剪切力 阀：占和阀套处f j 二同心位置，同心圆环问隙内的压力分布规律为! 卣线。在任意横断面 的劂周i 二各点的压力相等，因此液压径向力之和为零。阀芯和阀套之间为纯液体摩擦， 其摩擦力为纯牛顿流体剪切力，其值可按下式计算1 9 】 岛：万d _ l _ o p z ( 2 - ( 2 - 2 8 ) 5 了一 j 将d = 0 0 3 2m ，z ：2 ，= 0 5xl o m ，0 6 7 3 1 0 6 船聊2 ，l = 0 0 2 5 m ， j = 2 5 x 1 0 巧m ，u = 1 2 m s ，代入上式，可计算得= 3 2 2x 1 0 _ 3 n 。由以上分析可得， 纯牛顿剪切力很小，可以忽略不计。 2 3 第二章井下低频水力脉冲注水工具设计 b 液压卡紧力乞鬈 液压卡紧力f m k 对阀芯运动的阻碍很大，随着阀芯偏移增加，液压卡紧力e r 递增， 当阀芯和阀体间的油膜被压破，出现金属间的干摩擦时，液压卡紧力足到达某一饱和 图2 1 0 阀芯一端与阀套接触 f i 9 2 - 1 0c o n n e c t e dv a l v eb a r r e la n do n ee n do f v a l v ec o r e 值。为保证换向滑阀换向可靠，必须采取措施平衡径向液压力。液压卡紧力计算公式 一倒2 ) 警南叫 式中负号( 一) 表示液压卡紧力是向下的，取其绝对值为 式中k = 警 r m 石：一l d ( p 。一p ：) 掣 2 e = k l d ( p l p 2 ) = k f 。 d 阀芯直径( m ) ； c = z 敷l d ( p i 一罡) ； 卡紧力系数； ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 瓯= 三( 磊+ 色) ( m ) ； 乙阀芯台肩数。 阀芯发生卡紧现象，阀芯与阀套接触，阀芯有锥度时，此时p = - a s ( 图2 1 0 ) ，此时卡 紧力系数k 为 将f ：竽代入上式得 d m k ： 坐鱼 2 ( 民一j ) ( 2 3 1 ) k = 南【- 南一 陋3 2 ， k 与t 的关系曲线7 1 如图2 1 1 ，由图可见k 的最大值可达0 2 7 。实际上为了便于检验， 将k p = 8x 1 0 6 p a ，l = 0 0 2 5 m ，d = 0 0 3 2 m ，乙= 2 值代入式 c = z 肩l d a p ( 2 - 3 3 ) 得f = 1 2 8 x 1 0 4n 。 阀芯加工允许锥度值为0 0 1m m ，阀芯与阀套间的间隙值为0 0 0 2 5 m m ，所以 屯= 半+ 0 0 0 2 5 - 0 0 0 5 m 聊，址扣- 0 0 0 2 5 ， 将瓯与万的值代入式 得t = o 5 。 由式2 3 2 得 由此得液压卡紧力为 万 t = = 一 民 ( 2 - 3 4 ) 嘭c 尚 南十3 弘3 5 ， 第二章井下低频水力脉冲注水工具设计 r = 弛= 0 2 4 3 x 1 2 8 0 0 n = 3 1 1 0 4 n ( 2 3 6 ) 一_、 f 、 、 i l f | u 己【j 4【) 60 81 u 图2 - 1 1 卡紧力系数k f i 9 2 - 1 1c o e f f i c i e n to fc l a m p i n gf o r c ek 若取滑阀与阀套间的摩擦系数为0 1 5 ，则由于液压卡紧力c r 而造成的轴向力值为 o 1 5 x 3 1 1 0 4 n = 4 6 6 5 6 n ，即若只考虑液压卡紧力，要推动这个阀芯至少需要4 6 6 5 6 n 的 力。因为髟的最大值为o 2 7 ，因此最大液压卡紧力可能为3 4 5 6 n ，轴向力最大值可能为 5 1 8 4 n 。因为在设计时，在阀芯上开3 条均压槽，液压卡紧力可降到不开均压槽的2 4 【7 1 。 因此液压卡紧力可能为8 2 9 5 n ，最大轴向力可能为巴垃= o 1 5 x 8 2 9 5 = 1 2 5 n 。换向滑阀处 于上冲程运动时，卸= 0 3 m p a ，此时液压卡紧力造成的轴向力c b - - - 5 n 。由以上分析 可得 a 换向滑阀处于下冲程时，换向滑阀阀芯摩擦阻力c = 1 2 5 n 。 b 换向滑阀处于上冲程时，换向滑阀阀芯摩擦阻力e = 5 n 。 2 ) 液动力只 由流体力学知，当液流流经滑阀阀腔和阀口时液流速度发生变化，将有液流作用力 作用在滑阀阀芯上。液动力根据产生的原因不同可以分为两类稳态液动力和动态液 动力。 a 稳态液动力c ， 稳态液动力是指滑阀开口一定( 稳态流动) 时，由于流经阀腔和阀口的液流截面积 及方向的改变( 图2 1 3 ) 而引起液流速度的改变，导致液流动量的变化而产生的液动力。 稳态液动力又称为动反力，可以分解为轴向分力和侧向分力。由于一般将阀体的油腔对 称地设置在阀芯的周围，因此沿阀芯圆周的侧向分力相互抵消了。根