Projeto estrutural e análise de efeitos em um novo tipo de oscilador hidráulico acionado por grupos de válvulas duplas

Dec 29, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 15719 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Foi projetado um novo oscilador hidráulico capaz de ajustar as flutuações de pressão por meio de dois conjuntos de válvulas dinâmicas e fixas. Os osciladores hidráulicos podem atender aos requisitos de frequência e força axial da perfuração com fluxo de fluido de perfuração mais baixo do que os osciladores hidráulicos gerais. A estrutura do oscilador foi descrita em detalhes e a área de estouro entre os dois conjuntos de válvulas dinâmicas e fixas foi calculada. Com base na diferença de fluxo do fluido de perfuração, foi analisada a influência de diferentes fluxos de fluido nas quedas de pressão do oscilador, sua lei de influência foi determinada pelo software de elementos finitos Fluent e seu efeito foi verificado por simulações numéricas. A pesquisa relacionada é de grande importância na seleção de válvulas dinâmicas e fixas e fornece a base teórica para a otimização dos parâmetros estruturais de osciladores hidráulicos de válvula dupla.

O atrito estático entre a ferramenta de perfuração e a parede do poço aumenta com o aumento da profundidade do poço e da seção horizontal em processos de perfuração convencionais1,2, o que afeta seriamente a rocha da broca, a vida útil da ferramenta de perfuração e a velocidade de perfuração e até mesmo causa acidentes no fundo do poço, como aderência, perfuração , etc.3,4,5. Muitas pesquisas têm sido realizadas em todo o mundo para reduzir a resistência ao atrito da perfuração6,7,8 e os osciladores hidráulicos são uma das tecnologias mais interessantes9,10.

A ação hidráulica dos osciladores hidráulicos causa vibração axial no conjunto de perfuração, o que pode transformar o atrito estático do conjunto de perfuração em atrito dinâmico. Desta forma, a pressão de apoio do poço horizontal pode ser efetivamente resolvida e a velocidade de perfuração foi melhorada. Zhang et al.11 introduziram um oscilador hidráulico autoexcitado e analisaram experimentalmente suas características de frequência e amplitude. Xu12 e Liu et al.13 avaliaram o efeito de ferramentas de perfuração de percussão rotativa auto-oscilante no campo. Liu et al.14 projetaram um novo tipo de oscilador hidráulico com vibração axial induzida por pulso hidráulico e descreveram experimentalmente sua estrutura e princípio. Li et al.15 desenvolveram um oscilador hidráulico para poço de φ215 mm e realizaram simulações internas e experimentos de campo. Wang et al.16 projetaram um oscilador hidráulico e investigaram seu material e estrutura. O efeito do oscilador hidráulico é demonstrado pela carga axial, teste de frequência de pressão e aplicação de campo.

De acordo com as soluções numéricas das equações de Navier-Stokes da modelagem fluente e experimental no sistema "Pipeline Fittings", Karpenko et al.17 analisaram a influência dos processos hidrodinâmicos no desenvolvimento do escoamento turbulento de um fluido. Yu et al.18 projetaram um oscilador hidráulico e analisaram seus principais parâmetros mecânicos, alterando a lei e as características de vibração. Richard19, Liu20, Leus21, Wicks22 foram propostos diferentes modelos de vibrações axiais para análise de osciladores hidráulicos.

No entanto, para atingir os requisitos de força de oscilação, frequência, etc., a maioria dos osciladores hidráulicos estudados requer mais de 30 L/s de fluido de perfuração23,24; portanto, eram necessárias bombas de perfuração de grande vazão ou bombas de perfuração adicionais. Assim, projetamos um oscilador hidráulico acionado com grupo de válvula dupla adequado para fluxos de fluido de perfuração inferiores a 30 L/s.

O núcleo de um oscilador hidráulico acionado com grupo de válvula dupla consiste em duas partes, ou seja, a seção superior do oscilador e a extremidade inferior da seção de acionamento. Conforme mostrado na Fig. 1, a seção de oscilação era composta principalmente de fuso estriado, luva estriada, mola de disco, porca de compressão, casca oscilante, etc. Além disso, sua função principal era converter a onda de pressão vinda da extremidade inferior em força axial oscilante de casco vibratório através da mola de disco. Como pode ser visto na Fig. 2, a seção de acionamento consistia principalmente de eixo central, grupo de turbina, mancais de alinhamento, válvula dinâmica, lábio divisor e mancais axiais. A seção de oscilação foi conectada com a seção de acionamento através da rosca do parafuso. A principal função da seção de acionamento era girar o eixo central por uma turbina configurada para modular ondas harmônicas periódicas através da mudança periódica do canal de fluxo pela rotação de válvulas dinâmicas.