涡轮钻具叶片电解加工阴极工具设计

由于涡轮钻具叶片型线的设计愈加复杂,叶片的传统加工方法面临越来越多的加工难题。因此拟将电解加工技术应用于涡轮钻具叶片的制造领域,对涡轮钻具叶片电解加工阴极工具的设计进行了研究。以127 mm涡轮钻具叶片的设计为例:首先基于多项式曲线拟合的方法,在MATLAB中编程计算绘制出最初的叶片曲线;然后将得到的曲线导入AutoCAD,根据理论计算得到的叶片几何参数修补得到叶片型线的几何图纸;最后将叶片型线导入GAMBIT有限元前处理软件进行网格划分,并在ANSYS Fluent软件中进行流场仿真分析,同时在Tecplot360软件中进行后处理得到流场中流体的流向图、速度云图及压力云图。结果表明利用这种方法设计的叶片可以满足实际工作状况的要求。研究内容和结果为涡轮钻具叶片的电解加工研究奠定了良好基础。     

涡轮钻具叶片电解加工流场设计及优化

为了提升叶片性能,涡轮钻具叶片设计愈加复杂,传统加工工艺已不适于加工制造涡轮钻具叶片。为此,提出使用电解加工技术加工涡轮钻具叶片,并应用数值模拟方法对影响电解加工精度的电解液流场进行仿真分析。模拟仿真了电解液在理想化流道模型、叶片阴极流道模型以及近轮廓流道模型中的流场分布。研究结果表明:用叶片阴极模型和近轮廓模型代替传统的理想化模型,也可更好地模拟实际加工流场;改变电解液入流角的大小可以改善传统的理想化模型,可以更好地模拟实际加工流场;改变电解液入流角的方向可以改善入口流线紊乱情况,但效果并不明显,也不能使电解液均匀分布;增加出口导流段可以使电解液分布更加均匀,改善入口流线紊乱状况;叶盆阴极流场使用竖直导流、叶背阴极流场使用相切导流可以获得更好的流场分布效果;使用近轮廓模型作为电解加工流道,可以获得最优的电解液流场分布,但是此流道模型需要预先粗加工阳极工件,成本较高。研究结果可为涡轮钻具叶片的电解加工提供理论指导。     

涡轮钻具涡轮叶片造型设计新方法

涡轮叶片的型线对涡轮钻具性能影响很大。通过分析涡轮叶片型线对液流流动参数的影响 ,认为叶片型线上存在不连续的曲率是影响涡轮性能的主要因素 ,得出叶片压力面和吸力面型线应为单型线且具有连续三阶导数的结论。提出用五次多项式构造叶片型线 ,给出叶片型线与几何参数的关系、定量求解方法和叶片型线检验要求。 165涡轮钻具设计应用实践表明 ,采用这种新方法设计涡轮 ,可优化涡轮叶片形状 ,改进涡轮性能 ,提高设计质量和总效率     

54 mm涡轮钻具三维叶片造型设计与研究

针对涡轮转子不同半径圆柱层液体圆周速度不同,导致的液体与转子叶片产生冲击产生的水力损失问题,利用多截面造型方法建立了一种三维叶片涡轮。基于实际工况中从第二级涡轮开始,定子入口的流速是上一级涡轮转子出口流速,速度方向并不垂直于定子入口面这一情况,对现有的涡轮流道模型进行修正,建立了多级流道模型。通过数值模拟方法,对多级涡轮流道模型进行流场分析,得到中间一级涡轮的相关性能参数的特性曲线。研究结果表明：三维叶片涡轮压降更低,单幅涡轮压降减少约为12%;在最佳工况点处,三维叶片涡轮效率达到了60.25%,比直叶片涡轮高出约10%。考虑径向间隙对涡轮性能的影响,建立了相对应的流道模型,验证了方案的可行性。研究结果对涡轮叶片的设计和多级涡轮流场分析具有一定的指导意义。     

调控参数对涡轮钻具叶片性能的影响

涡轮叶片的参数调控优化设计能够较好地改善涡轮钻具的转矩、效率等水力参数。为此,基于贝塞尔曲线理论和流体动力学理论,通过理论分析、仿真模拟及试验对比等方法全面研究了涡轮叶片参数的设计对涡轮性能的影响。分析结果表明:提出的数值模拟方法可以系统地实现涡轮叶片从造型设计、性能预测到参数优化的全面分析;在低转速时,安装角对输出功率与效率的影响不明显,超过最优转速后其对效率和功率的影响显著,并且涡轮扭矩、压降、输出功率及效率随安装角的增大呈降低趋势;随着后锥角的增大,扭矩、压降及输出功率都呈增大趋势,因此涡轮要在最高效率下获得较大输出功率,可适当增大后锥角。所得结论可为高性能涡轮叶片型线的设计提供参考。     

基于三坐标测量机的涡轮钻具叶型测量与分析

涡轮钻具的核心部件为定转子,在定转子逆向工程研究和定转子精度检验中,均需测量定转子的叶片叶型。但是,目前还没有具有一定精度的相关测量方法。通过分析涡轮钻具定转子的结构特点,提出采用接触测量方式测量叶片叶型,以平均水力半径为切割路径去掉叶片叶冠而获得叶型,给出了测量叶型吸力面和压力面型线的方法。在获得测量数据点坐标的基础上,结合流体流动的要求,提出以点分组控制三次曲线的方法拟合被测叶片型线。利用该方法,测量了φ127.0 mm涡轮钻具某型转子的叶片叶型,获取了被测叶型上196点的坐标值,并根据测点坐标值计算得到了叶片型线。实例证明,提出的方法可行,精度基本可以达到要求,可为涡轮钻具定转子叶片的测量检验或逆向工程设计提供技术参考。      

微波破岩井下环境建模及多场耦合分析

当前微波破岩研究多为微观层面,基于理想谐振腔模型,这与实际石油钻井应用中的井下微波破岩情况有比较大的差别,已有的规律和认识很难直接指导实际应用。为此,以?215.9mm(■in)空气微波钻井为载体,建立了微波破岩井下环境宏观模型,充分考虑井下环境因素影响,以电磁场-传热场-受力场多场耦合的方式模拟微波在岩石中的传播衰减、热量转化及对岩石的受力影响,使仿真的破岩效果更加接近真实情况。研究结果表明:在井下环境中,微波存在传播衰减和入射岩石表面时的反射损耗,造成微波能量无法全部作用于井底岩石,降低了微波的能量利用率;岩石强度弱化形式主要为受拉破坏,这种形式受到井底围压变化的影响很大;在微波钻井设计中,要充分考虑微波对岩石的作用效率及井底围压影响,适当调整微波照射参数,以实现更加经济高效的破岩。研究结果可为微波破岩技术应用于实际钻井工程提供理论依据。     

涡轮钻具叶片径向厚度分布对其性能的影响

目前针对涡轮钻具叶片径向厚度分布的研究较为欠缺。为此,基于CFD方法,以贝塞尔曲线造型方法生成的叶片型线为基础,设置叶片顶部至叶根处2种厚度变化不同的叶型,采用等比例缩放的形式进行叶片造型,通过数值模拟并与普通弯扭叶片的涡轮钻具进行对比分析,研究变截面叶片对涡轮钻具性能的影响。研究结果表明：改进后的叶片1结构在100～2 000 r/min转速范围内所能承受的扭矩相比于等厚叶片结构增大了21%,但压降总体高出等厚叶片结构6.6%;叶片2结构相比于等厚叶片所能承受的扭矩增大了18.3%,但压降升高了12.3%;改进后的2种叶片结构最高效率可达71.75%和71.83%,相比等厚叶片结构有显著提升。研究结论可为高性能涡轮钻具叶片的设计提供理论参考。     

基于FEPG的多场耦合渗流数值模拟方法

针对泥页岩孔隙内多场耦合作用下的渗流问题进行了系统研究。在Biot理论的基础上,建立了泥页岩孔隙内流体流-固-化耦合作用下的渗流计算模型;介绍了多场耦合作用下泥页岩孔隙内流体渗流的实验室模拟方法,给出了实验结果;在建立渗流计算模型的基础上,探索了利用FEPG方法对泥页岩孔隙内多场耦合作用下的渗流规律进行有限元数值模拟的方法;通过实验模拟和数值模拟两种手段对模型进行了验证。通过数值模拟结果与实验结果的对比可知,数值模拟的准确性非常好,从而验证了模型的正确性。模型深化了对泥页岩孔隙内多场耦合作用下渗流规律的认识,模型简单实用,参数易获取,且具有一定的工程实用价值。     

呼图壁背斜水基钻井液井壁失稳机理多场耦合分析

呼图壁背斜钻井过程中面临高温高压、井壁坍塌、钻井液漏失等复杂问题。为了制定稳定井壁的技术对策,降低事故风险,通过室内实验与理论分析对中深部复杂泥岩地层的组构特征、力学特性和地应力状态进行了研究,建立了“力学-化学-渗流”多场耦合的井壁坍塌压力计算模型,明确了呼图壁背斜构造中深部泥岩地层在水基钻井液作用下的井壁失稳机理。研究结果表明,古近系安集海河组至紫泥泉子组易坍塌泥岩伊蒙混层中蒙脱石含量占35%以上,中等膨胀、高分散（清水膨胀率和回收率均低于10%）,强度具有各向异性;白垩系呼图壁河组至清水河组泥岩膨胀性减弱,硬脆性增强。呼图壁背斜受强构造应力作用,水平最大主应力当量密度接近2.50 g/cm3,高于上覆岩层压力。利用多场耦合方法分析可知,钻井液沿裂隙的渗流作用、泥岩地层与钻井液接触后的水化作用以及钻井液对井壁的有效力学支撑不足是造成井壁失稳的主要原因。考虑多场耦合模型计算得出的坍塌压力比仅考虑力学因素高0.05～0.25 g/cm3。在钻井过程中需保持钻井液对裂缝性地层的封堵性能和对易水化泥岩地层的抑制性能,在保证有效封堵的基础上提高钻井液密度,使其略高于多场耦合模型计算得出的坍塌...     

水平井生产管电化学切割动态分析及参数选择

在分析固定阴极电解加工参数并推导出加工量与其相应加工时间关系的计算公式后 ,经计算机处理 ,得到地面条件下和井下电化学切割水平井生产管过程中 ,被切割生产管内孔半径与切割时间的关系曲线。分析研究认为 :电化学切割过程中 ,外加电压对切割速度影响较大 ,选择电压既要满足切割速度的要求 ,又要考虑电源设计的可行性、施工的方便性及成本核算 ;阴极的结构和尺寸决定切割初始间隙的大小及均匀性 ,对切割速度有较大影响 ,设计阴极时 ,一方面要考虑快速高效切割的要求 ,还要考虑有利于阴极的送进和定位 ;电解液的电导率也直接影响切割速度 ,故以采用KCl电解液较为适宜     

钻杆接头螺纹退刀尺寸对接头寿命的影响

钻杆接头螺纹退刀尺寸是指外螺纹接头的台肩面到螺纹消失前第一个完整螺纹之间的距离。GB9253．1－88规定退刀尺寸应小于或等于12．7mm内螺纹，钻杆接头内螺纹的锤孔尺寸为16±2mm，以保证内、外螺纹啮合良好。经检测发现，从日本NKK公司进口的所有φ127mm钻杆接头外螺纹退刀尺寸都大于12．7mm，镗孔尺寸为16～18mm。而APISpec7K规定钻杆接头内螺纹最小镗孔尺寸为15．9mm。鉴于此，建议对我国的有关标准作相应修改，与API标准保持一致。     

Bezier曲线在涡轮叶片设计中的应用

分析了涡轮叶片型线的特点，阐述了Bezier曲线的原理及特性，提出用Bezier曲线作为涡轮叶片的设计曲线。通过论述证明，采用Bezier曲线设计涡轮叶片型线，既描述简单，又可以建立相应的优化数学模型，具有一定的优越性。     

涡轮叶片造型设计软件的开发

通过对涡轮叶片型线设计理论分析，将涡轮叶片设计过程分为数据选取、中间计算、结果输出3部分。开发的软件主要用于中间计算过程。软件对计算结果采用离散数据的形式存储到文件中，增强了数据的交互性，在涡轮叶片的设计和研究中，可以大大减少科研人员的工作量，具有一定的应用价值。     

用高速钢刀具精加工中硬材料螺纹

在普通车床上用硬质合金刀具加工中硬材料螺纹，当切削力较大，同时车床的系统刚性不足而产生振动时，不仅使螺纹表面产生明显的波纹，而且切削量的大小对螺纹表面粗糙度影响较小。为减小切削力，相对提高车床系统刚性，可采用高速钢刀具以低切削速度、小切削量精加工中硬材料螺纹，达到提高螺纹表面质量的目的。切削速度越低、切削量越小，螺纹表面质量越好。     

钻井扶正器硬质合金镶块碎体的电化学溶取

采用电化学溶取法清除钻井扶正器硬质合金镶块碎体是一种简单易行、省事省力的方法。通过正交优化实验,优选出采用双极性脉冲电流,以15％NaCl＋20％NaKC4H4O6＋5％添加剂A＋5％添加剂B弱碱性电解液为基础的加工工艺参数。实验结果表明,采用优化工艺,清除1个硬质合金镶块碎体仅需3－5min,生产效率比手工抠取方法提高7倍,并可获得较高的加工精度（0．13mm）和较低的表面粗糙度值（0．8μm）,材料去除率可达19．2mm3／min。采用这项工艺,每套装置每年可创经济效益近23万元。     

涡轮钻具动态力矩特性计算新方法

针对传统的欧拉方程计算涡轮钻具动态特性存在的局限性，采用质点系动量矩定理和叶栅实验分析理论，导出了涡轮钻具动态力矩特性的实用计算公式，有效地解决了欧拉方程难以解决的问题，从而深入研究涡轮钻具的动态性能提供了理论依据。     

用氮化硅陶瓷刀具车削与铣削堆(喷)焊镍基合金

堆(喷)焊镍基合金具有较高的硬度和高温强度,且喷焊表面高低不平,切削加工十分困难。氮化硅陶瓷具有较高的强度、断裂韧性和高温硬度,是切削堆(喷)焊镍基合金最合适的刀具材料。国产氮化硅陶瓷刀片的车削试验表明,选择合适的刀具几何尺寸和切削用量,其切削速度可比普通硬质合金刀具提高1～2倍,刀具耐用度可提高45倍,与进口陶瓷刀具的性能十分接近。铣削试验表明,通过合理选择刀具前角和切削速度,采用不对称铣削方法,可以很好地解决刀具易崩刃的技术关键。工厂实际铣削阀板表明,采用氮化硅陶瓷刀片铣削与原来应用金刚石砂轮磨削相比,加工效率可提高2倍,经济效益非常显著。     

管螺纹数控加工中的几个技术问题

在使用数控管螺纹车床加工和修复管螺纹时，存在着变速乱扣、无螺纹修复功能和切削速度慢等问题。在机理分析和试验研究的基础上，提出对于变速乱扣问题，可通过变等梯度跟随规律为等距离跟随规律解决；对无螺纹修复功能问题，可在数控车床的控制及反馈系统中，加入一个主轴相位调整装置来解决；为解决切削速度慢的问题，可使用根据管子（工件）不动，刀具既作旋转主运动又作各向进给运动的结构布局方案设计的管螺纹镗床，从而大大提高加工效率和表面质量。这三项技术的不同组合，可满足不同加工性质用户的要求。