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工程设计学报
工程设计学报  2022, Vol. 29 Issue (3): 384-393    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.044
建模、仿真、分析与决策     
机械式自动垂直钻具执行机构内部流场规律研究
马超群1,2(),张凯1,2(),柴麟1,2,刘宝林1,2,周琴1,2
1.中国地质大学（北京） 工程技术学院，北京 100083
2.自然资源部深部地质钻探技术重点实验室，北京 100083
Research on internal flow field law of mechanical automatic vertical drilling tool actuator
Chao-qun MA1,2(),Kai ZHANG1,2(),Lin CHAI1,2,Bao-lin LIU1,2,Qin ZHOU1,2
1.School of Engineering and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
2.Key Laboratory of Deep GeoDrilling Technology, Ministry of Natural Resources, Beijing 100083, China
 全文: PDF(2624 KB)   HTML
摘要：

在科学钻探中，利用自动垂直钻井技术能够有效控制井斜。但是，现有机械式自动垂直钻具的执行机构需要较大排量的泵机来提供动力。若要降低排量，则要求执行机构的内部结构有良好的保压效果。为解决上述问题，提出一种内部带有泄流缝隙的新型执行机构，以提升其保压性能，并利用CFD（computational fluid dynamics，计算流体动力学）方法对其内部流体区域的流线分布进行模拟，分析泄流缝隙对流体区域压强产生的影响，以验证利用缝隙泄流实现保压的可行性；同时，通过对泄流缝隙宽度、长度等参数的敏感性分析，得到不同参数对新型执行机构保压效果的影响。结果表明，在泵机排量较小的条件下，新型执行机构仍具有良好的保压效果，对保压效果影响最明显的因素为泄流缝隙宽度；当泄流缝隙宽度小于0.2 mm时，该执行机构内部流体区域的整体压强较大，即其保压效果良好。由此可知，开设泄流缝隙可实现执行机构的性能优化，这对进一步提升机械式自动垂直钻具的纠斜能力具有重要意义。
关键词： 自动垂直钻具;  泄流缝隙;  内部流场;  规律分析    
Abstract:

In scientific drilling, the automatic vertical drilling technology can effectively control well deviation. However, the actuator of existing mechanical automatic vertical drilling tool needs a pump with large displacement to provide power. If the displacement is to be reduced, the internal structure of the actuator is required to have a good pressure maintaining effect. In order to solve the above problem, a new actuator with discharge gaps inside was proposed to improve its pressure retention performance, and the streamline distribution in its internal fluid zone was simulated by using the CFD (computational fluid dynamics) method to analyze the influence of discharge gaps on the pressure in the fluid zone, so as to verify the feasibility of using the gap discharge to achieve pressure retention; at the same time, through the sensitivity analysis of parameters such as the width and length of the discharge gap, the influence of different parameters on the pressure retention effect of the new actuator was obtained. The results showed that under the condition of small pump displacement, the new actuator still had good pressure retention effect, and the most obvious factor affecting the pressure retention effect was the discharge gap width; when the discharge gap width was less than 0.2 mm, the overall pressure of fluid zone in this actuator was small, that was, its pressure retention effect was good. It can be seen that the performance optimization of the actuator can be realized by setting up the discharge gap, which is of great significance to further improve the inclination correction ability of the mechanical automatic vertical drilling tool.
Key words: automatic vertical drilling tool    discharge gap    internal flow field    law analysis
收稿日期: 2021-09-03 出版日期: 2022-07-05
CLC:  TH 128  
基金资助: 国家重点研发计划资助项目(2018YFC0603405);国家重点研发计划战略性国际科技创新合作重点专项(2016YFE0202200)
通讯作者: 张凯     E-mail: 804771505@qq.com;zhangkai66@cugb.edu.cn
作者简介: 马超群（1997—），男，河北张家口人，硕士生，从事自动垂直钻井技术研究，E-mail：804771505@qq.com，https：//orcid.org/0000-0002-6666-2387
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马超群
张凯
柴麟
刘宝林
周琴

引用本文:

马超群,张凯,柴麟,刘宝林,周琴. 机械式自动垂直钻具执行机构内部流场规律研究[J]. 工程设计学报, 2022, 29(3): 384-393.

Chao-qun MA,Kai ZHANG,Lin CHAI,Bao-lin LIU,Qin ZHOU. Research on internal flow field law of mechanical automatic vertical drilling tool actuator[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2022, 29(3): 384-393.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.044    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2022/V29/I3/384

图1  机械式自动垂直钻具结构示意
图2  机械式自动垂直钻具纠斜原理
图3  新型执行机构结构剖面图
图4  巴掌关键表面及其对应的执行机构壳体表面命名示意
图5  新型执行机构的工作原理示意
图 6  新型执行机构内部流体区域示意
图7  新型执行机构内部流体区域三维模型尺寸参数设置
图8  巴掌打开角度示意
图9  流体区域平均压强随巴掌打开角度的变化曲线
图10  巴掌打开角度不同时流体区域流场流线对比
图11  巴掌完全打开时流体区域的压强云图
图12  巴掌完全打开时流体区域平均压强的变化曲线
图13  流体区域平均压强随入口直径的变化曲线
图14  流体区域入口角度示意
图15  流体区域平均压强随入口角度的变化曲线
图16  流体区域平均压强随泄流缝隙宽度的变化曲线
图17  泄流缝隙长度示意
图18  流体区域平均压强随泄流缝隙长度的变化曲线
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