分析计算说明书

水力振荡器计算说明书1水力振荡器的构造/弹簧短节)组成。构造如图1所示。其中在实际应用过程中，刚性强的钻具要用振荡短节，挠性强的钻具可不用振荡短节。〔a〕(b)(c)1水力振荡器构造示意图1—阀门和轴承系统;2—动力局部;3—配套局部(振荡/弹簧短节)复运动(称之为动阀片)。2222a)2(完全)重合(见图2b)，此时流体通过截面积最大，产生的压降就最小。截面积2c)，也使上游压力同步周期性变化。2动阀片与定阀片相对运动压力变化图工作机理弹簧的压缩是消耗能量的，所以当能量释放时，有75%的作用力向下而指向钻头25%作用力向上，与钻头背向。振动频率与通过工具的流量呈线性关9～26Hz，1～33弹簧短节4振荡器与弹簧短节的连接21〕产品规格〔1〕1水力振荡器系列产品及其主要技术参数〔国民油井〕36-8-18H油井中的试验数据试验一0.51〔0.38mφ172MWD〔0.90m+6.〔9.19m〕+接头〔0.49m〕+φ127加重钻杆〔16根〕+6.75”水力振荡器〔3.14m〕+6.75”弹簧短节〔3.23m〕+φ127加重钻杆〔29根〕+φ127钻杆〔假设干〕钻井液密度：1.06-1.10，水力振荡器振动频率为17Hz，振动行程约为10mm。说明：6.75”水力振荡器距离钻头168.57m。试验二0.51〔0.38mφ172MWD〔0.90m+6.〔9.19m〕+接头〔0.49m〕+φ127加重钻杆〔10根〕+6.75”水力振荡器〔3.14m〕+6.75”水力振荡器短节〔3.23m〕+φ127加重钻杆〔35根〕+φ127钻杆〔假设干〕钻压：6-8吨，转盘转数：30~45+Mr/min，排量：30l/s，泵压：20-21MPa，：1.10，17Hz10mm。说明：6.75”水力振荡器距离钻头112.7m,。3〕其它〔振1/8”-3/8”)振动加速度<3g)水力振荡器产生的压力脉冲对绝大多数MWD没有干扰具相当。3初步拟定设计参数见表2名称参考值名称参考值设计值说明马达外径6.75”(φ171.45mm)φ172mm长度9ft2743.2mmΔp600-700psi(4.134-4.823MPa)650psi〔4.4785MPa〕螺杆头数11螺杆线型一般摆线/短幅摆线/长幅摆线一般内摆线工作行程1/8-3/8”10mm泵工作压力19-21MPa20MPa泵流量400-600gpm500gpm〔31.545l/s〕钻井液密度：1.06-1.101.10工作频率16-17Hz17钻压：4-10吨6-8吨最大拉力693000lbs314344.8kg(1〕确定马达每转排量q失，则马达实际转速n为：nnT v

60Qq vq60Qn vQ-500gpm〔31.545L/s〕 -0.9v

1.00.9。217Hz。对于单头单螺杆马达2可以看出，转子每转动一周，6031.5456031.545q60Qn v

0.93.34〔L/s〕〔2〕线型设计严峻而不用于实际的线型设计。图5-7给出了本次设计所承受一般内摆线等距线型设计的螺杆马达构造。转子〔螺杆〕可视为半径为R的圆围围着偏心为E、螺距为T的空间螺旋线连续运动所形成的轨迹，如图5所示。而与之啮合的定子〔衬套〕R的两个半圆与长度为4E的两条直线组成的长圆2T6所示。51:2构造螺杆泵转子61:2构造螺杆泵定子定转子间由啮合点组成的空间密封线沿螺杆泵全长将形成长度为2T的多7图7 1:2单螺杆泵示意图确定水力振荡器的螺距hT NhrT sTr

-N。T-N1。s560mm〔参照图纸。则有：T Nh560mmrT sAG在匀速流淌条件下，单螺杆马达的每转排量q则为：qAG有：

rq 3.34106A

2982.14〔mm2〕G N1Tr

560EiN/(N1一般内摆线等距线型的过流面积为： A 2G

N18r0R22ER2N-螺杆马达转子头数；R2-无包心法滚圆半径；E-螺杆钻具的偏心距；r0N1~4的一般内摆线等距线型，存在使过流面积AG

取得极大值的等距半径系数r0N12982.14

2

2AG

值最大。2N1 2N1 8rAG02

13.652〔mm〕确定定子线型最大外廓尺寸DkiN/(N1)一般内摆线等距线型的偏心距E无包心法滚圆半径R 与D的关系为：2 kDER k 则有：

2 2N1r0 D 2N1r0E2k

2

13.652109.216〔mm〕D D2 k 0 min t

8单头马达横截面图

〔1〕D0

-螺杆钻具的公称直径，取φ172mm；Dk-定子线型最大外廓尺寸； -定子衬里的最薄厚度，依据硫化工艺要求适中选取，不行太薄；min -壳体壁厚，依据螺杆钻具外壳各局部的载荷及应力等分析计算，按强t则有： D 172109.216231.392〔mm〕min t 0 k初取振荡器总压降p，确定马达级数和动、静阀片通道面积v封线间泄漏以降低容积效率v

，一般规定每级间的承压值pk

0.8MPa，并假设振荡器每级的承压是平均安排的。则有：pKppk r,s1pr,s

v22 1pk

K-马达级数；p -局部压力损失r,s-局部阻尼系数2数据，初步选取马达总压降p650psi〔4.48MPa。名称数值级数名称数值级数总压降〔MPa〕级间损失〔MPa〕局部压力损失pr,s〔MPa〕124.4785〔650psi〕30.81.62.43.67852.87852.08不计摩擦阻力的状况下，振荡器局部压力损失pr,s详见表3.等效直径通道面积流速局部阻压力损失等效直径通道面积流速局部阻压力损失名称外形(mm)(×10-3m2)〔m/s〕力系数〔MPa〕马达截面积 图6〔a〕φ61.6A1=2.98210.578转子与外壳6〔b〕φ134.9内壁截面积A2=14.2902.2070.61〔插值〕0.0022×φ25A3=0.98132.1560.4660.2652×φ28转子入口 图6〔c〕A3=1.23125.6260.4570.1652×φ30A3=1.41322.3250.4510.1242×φ38A3=2.26713.9150.4210.045转子内孔 图6〔c〕φ56A4=2.46212.8130.2080.019动阀片入口7〔a〕φ40A5=1.25625.1150.24490.085动阀片内腔7〔a〕φ70A6=3.8478.20.43〔插值〕0.016〔a〕马达截面积 〔b〕转子与外壳内孔截面积〔c〕转子底部6管道阀口局部压力损失截面示意图依据前述资料，依据动阀口的大小和位置匹配设计了两组构造，详见图7856。pprppr,smin=0.589MPa；pr,smax=3.851MPa〔不计之后管道阀口损失〕r,s等效直径通道面积流速局部阻力压力损失名称外形(mm)(×10-3m2)〔m/s〕系数〔MPa〕动阀片内腔7〔a〕φ70A6=3.8478.20.43〔插值〕0.016动阀片出口7〔a〕φ32A7=0.80439.2350.3960.335定阀片入口A8min=0.2395131.7120.3513.3497〔b〕φ40A9=1.25625.1150.250.087局部压力损失ppr,ppr,smin=0.589MPa；pr,smax=3.851MPa〔不计之后管道阀口损失〕r,s等效直径通道面积流速局部阻力压力损失名称外形(mm)(×10-3m2)〔m/s〕系数〔MPa〕动阀片内腔7〔a〕φ70A6=3.8478.20.43〔插值〕0.016定阀片入口A8min=0.2395131.7120.4694.4757〔b〕φ40A9=1.25625.1150.250.087局部压力损失〔a〕动阀片〔b〕动定阀片重叠图7方案：动定阀口构造名称外形等效直径通道面积流速局部阻压力损失名称外形等效直径通道面积流速局部阻压力损失ppr,smin=0.284MPa；pr,smax=3.592MPa〔不计之后管道阀口损失〕r,s(mm)(×10-3m2)〔m/s〕力系数〔MPa〕动阀片内腔8〔a〕φ70A6=3.8478.20.43〔插值〕0.016动阀片出口8〔a〕φ40A7=1.25625.1150.3370.117定阀片入口A8min=0.2566122.9350.3983.3088〔b〕φ40A9=1.25625.11500局部压力损失名称外形等效直径通道面积流速局部阻压力损失名称外形等效直径通道面积流速局部阻压力损失ppr,smin=0.284MPa；pr,smax=3.592MPa〔不计之后管道阀口损失〕r,s(mm)(×10-3m2)〔m/s〕力系数〔MPa〕动阀片内腔8〔a〕φ70A6=3.8478.20.43〔插值〕0.016定阀片入口A8min=0.2566122.9350.4673.8828〔b〕φ40A9=1.25625.11500局部压力损失〔a〕动阀片振荡器的理论扭矩M

〔b〕动定阀片重叠图8方案b：动定阀口构造计及转子与定子、及钻具传动轴等部件的摩擦，即：1M2

pq ； m m 式中，m

v0.6；0.4-0.7，而且头数〔N〕越多，其值越小。则1 1mM2pq23.144.47851063.341030.61429〔Ｎ.ｍ〕m〔9〕振荡器的转子轴向力G3向力G： GGG G1 2 3

G-单螺杆马达高压腔液体向低压腔内漏失时作用于转子轴向的力；1G-转子和衬套间摩擦接触时有按其螺旋面沿轴向运动趋势而产生的局部轴向力；2G3量在内。

-高压口和低压口间因液体压降所造成的那局部轴向力〔包括定子反力的轴向分G、G1

0，无视转子的重量。则认为G3

是所求的轴向力。即：G pA3

G

s

NAGN1，则： G pR216ER4.47851063.1427.321613.6527.31063=37183〔Ｎ〕(10)动阀阀口液压冲击计算振荡器在工作过程中运动中的动阀片不停地转变通道面积，泥浆流速的大小或方向突然变化导致动能向压力能的瞬时转变,液体压力在一瞬间会突然上升，产生很高的压力峰值，该值可高达正常工作压力的3-4倍。因此，应承受液全关闭，而是使流速从v降到v，则阀门开口处于最小时的最大压力上升值为1 2

S pavv av12av1 21 2 1 v1

1 S1a--液体密度，取1.1103kgm3v1-v2-关闭或翻开液流通道后的管内流速；S1-阀门开口处最大通道面积；S2-阀门开口处最小通道面积。波速的计算公式如下：E 01E 01Ed E0式中，E -液体体积弹性模量，考虑水基钻井液，并取钻井液的体积弹性系数0为水的体积弹性系数，为2.04103MPa；E-管道材料的弹性模量，取2.06105MPa；d-管道内径，分别取32mm和40mm；-15mm；当动阀片阀口直径为32mm时E 1E 1Ed E00a

2.04109 1.1103

1.347103ms

12.0410932

2.06101115pavv1.3471031.110339. 235

40.817〔MPa〕1 2

0.804F (pp)S S20481710631432223.510634322

冲击力 1 2

4 〔Ⅱ〕阀口为薄壁孔pav1

v1.3471031.11032

11.4 〔MPa〕3.847F (pp)S S2011.41063.147022395106113260

冲击力 1 2

4 当管道内径为40mm E 1Ed E0E 1Ed E00a

12.0410940

2.06101115

1.344103ms〔Ⅰ〕考虑阀口影响pav1

v1.3441031.11032

29.544〔MPa〕1.256F ppSS2029.544106.14402256610649513

冲击力 1 2

4 〔Ⅱ〕阀口为薄壁孔pavv1.3441031.11038.10.256611.3〔MPa〕21 2 F ppSS201.31063147022566106112364

冲击力 1 2

4 〔11〕振荡器轴向冲击力计算7所示。〔〔φ32m〕b〔φ40m〕名称计及阀口不计及阀口计及阀口不计及阀口转子轴向力37183阀口冲击力3432211326049512112364振荡器冲击力71505150443压差p=600~700psi=4.1~4.8mpa,6N,Q=30L/s，马达中的过流面积S =〔4e〕2=0.003m