对冲式消能器在石油与天然气工程中的应用及优缺点分析.pdf

收稿日期 作者简介 王丽斌()男山西朔州人西安石油大学石油工程学院硕士研究生主要从事油气储运工程研究:./.对冲式消能器在石油与天然气工程中的应用及优缺点分析王丽斌苏 伟(西安石油大学 石油工程学院陕西 西安)摘 要对冲式消能器是一种广泛应用于石油与天然气工程的振动控制技术它可以有效地降低井下设备的振动幅值提高钻井效率和安全性 通过对冲式消能器的基本原理和结构特点包括将能量转化成流体动能和弹性势能的消能原理阐述 探讨对冲式消能器在井下钻井、生产、运输等环节的应用在应用过程中对冲式消能器可以降低钻柱、钻头和钻具的振动幅值从而提高钻井效率和井下安全性在生产过程中对冲式消能器可以有效降低生产设备的振动延长设备的使用寿命在运输过程中对冲式消能器可以降低油气管道的振动幅值减少管道的疲劳损伤有助于进一步拓展对冲式消能器的应用范围提高工程实践效益关键词对冲消能阻尼能力振动频率中图分类号 文献标识码 文章编号()随着石油和天然气需求的增加深水钻井和高温高压开发等技术不断发展石油和天然气工程中的安全问题越来越受到关注 在中国对冲式消能器在石油和天然气工程领域的研究相对较少大多数研究都是在井下钻井领域进行 目前对冲式消能器在井下钻井中已经得到了广泛应用但是对冲式消能器的设计、制造和应用还需要进一步改进和完善以满足不同工况要求 国外研究相对较多主要集中在对冲式消能器的理论分析、实验研究和应用方面 已经有许多研究论文报道了对冲式消能器在减振、减噪、提高工作效率等方面的应用成果但是对冲式消能器的使用寿命和稳定性等问题仍然需要解决 笔者将采用文献综述和理论分析的方法对对冲式消能器的原理、结构和应用进行系统的总结和分析结合实际情况和案例分析对对冲式消能器的优化设计、钻井液循环系统的优化进行研究并展望对冲式消能器在石油和天然气工程领域的未来发展方向 对冲式消能器分类及特点对冲式消能器是一种能够减少机械振动和冲击的装置能够吸收机械能并将其转化为其他形式的能量以达到减振的目的 对冲式消能器一般由支座、弹簧、阻尼器等组成 根据其工作原理和结构特点对冲式消能器可以分为机械式、液压式、气弹簧式和电液式 类 机械式对冲式消能器机械式对冲式消能器(图)是最简单的一种对冲式消能器它采用机械摩擦原理利用摩擦阻力将机械振动或冲击所带来的能量转化成摩擦热而消耗掉从而达到减振的目的 机械式对冲式消能器的特点是结构简单、成本低廉、使用寿命长等图 机械式对冲式消能器 液压式对冲式消能器液压式对冲式消能器(图)是采用油液传动的原理通过控制流体阻力来吸收机械振动和冲击带来的能量 液压式对冲式消能器的特点是响应速度快、减震效果好、可靠性高等 气弹簧式对冲式消能器气弹簧式对冲式消能器(图)是利用气体弹性 年 月山东石油化工学院学报.第 卷 第 期 .变形和阻力消耗机械振动和冲击所带来的能量 气弹簧式对冲式消能器的特点是响应速度快、减振效果好、结构简单等图 液压式对冲式消能器图 气弹簧式对冲式消能器 电液式对冲式消能器电液式对冲式消能器(图)是采用电液传动的原理通过控制电液阻尼器的流量来吸收机械振动和冲击带来的能量 电液式对冲式消能器的特点是响应速度快、减振效果好、可靠性高等图 电液式对冲式消能器 对冲式消能器的优缺点分析对冲式消能器作为一种常见的消能装置具有以下优点和缺点:优点()消能效率高 对冲式消能器能够将碰撞能量转化为热能、噪音和微小的结构变形因此消能效率较高()稳定性好 对冲式消能器的结构设计较为合理能够在不同的碰撞条件下保持稳定具有较高的工作可靠性和稳定性()适用范围广 对冲式消能器可以适用于多种不同的应用场合例如汽车、航空、机械制造等领域 缺点()制造成本高 对冲式消能器的制造需要较高的技术和成本因此其价格较高()重量较大 对冲式消能器的结构相对复杂往往需要较大的体积和重量这对于某些应用场合可能会产生限制()维护成本高 对冲式消能器需要进行定期检修和维护因此维护成本较高综上所述对冲式消能器具有较高的消能效率和稳定性能够适用于多种不同的应用场合但同时也存在较高的制造和维护成本以及较大的重量等缺点 对冲式消能器的优化设计 非线性特性分析对冲式消能器的非线性特性是指当其受到高速冲击时其消能行为表现为非线性响应即非线性的阻尼与刚度特性 在消能器的非线性响应中其阻尼与刚度都随速度的变化而发生变化 通常情况下当冲击速度增加时对冲式消能器的阻尼和刚度特性会变得更加非线性 这是因为在高速冲击的情况下消能器的材料会发生更明显的弹塑性变形从而导致阻尼和刚度的变化 对冲式消能器的非线性特性对其消能效率的影响复杂取决于多种因素一方面由于非线性阻尼特性当冲击速度较高时消能器会消耗更多的能量从而提高消能效率 另一方面由于非线性刚度特性消能器在高速冲击时可能会发生失效或破坏从而降低消能效率 因此对冲式消能器的非线性特性需要根据具体应用情况进行综合考虑 在设计消能器时需要根据实际应第 卷 山东石油化工学院学报 年 第 期用场景的速度范围和冲击力大小来选择材料、结构和参数以保证消能器在正常工作范围内具有良好的消能效率和稳定性 同时也需要进行全面的实验和模拟分析以确定对冲式消能器在不同速度下的消能性能以及非线性特性对其消能效率的影响 对冲式消能器的参数优化设计对冲式消能器可以采用数值模拟方法进行分析和优化设计 用计算流体力学()的知识配合 对对冲式消能器的内部流动进行模拟通过对不同参数进行优化设计提高对冲式消能器的性能表现 对冲式消能器的阀门参数优化设计 阀门是对冲式消能器中重要的组成部分它的开启和关闭状态决定了消能器内部流动的大小和速度 因此阀门的设计参数需要考虑到消能器的工作状态和工况要求包括压力、温度、流量等 采用 可以对不同阀门参数的消能器进行模拟通过比较不同设计方案的消能效果和性能表现选取最优的设计方案 对对冲式消能器的减震材料参数进行优化设计 减震材料是对冲式消能器中的另一个重要组成部分它直接影响到消能器的消能效率和稳定性 通过 可以模拟不同减震材料的消能器以及不同材料参数的消能器比较它们的消能效果和性能表现找到最优的减震材料参数组合 根据实际应用情况进行优化设计 不同的应用环境和工况下对冲式消能器的参数要求和优化方向也有所不同 在进行优化设计时需要综合考虑消能器的应用环境和工况包括工作温度、工作压力、工作流量、负载情况等以确保对冲式消能器的优化设计方案能够在实际中得到有效应用 总之采用数值模拟方法对对冲式消能器的参数进行优化设计可以提高消能器的性能表现和消能效率从而更好地满足不同应用场景的需求 对冲式消能器在钻井液循环系统中的应用 钻井液循环系统的基本原理和结构特点钻井液循环系统是通过泵浦将钻井液从钻井井口抽出经过管道输送至钻井底部通过钻头喷出并沿钻杆带出岩屑和地层水等物质再由固井设备固定井壁并封闭井眼实现钻井和完井过程中的循环利用 钻井液循环系统的主要组成部分包括泵浦、管道、除砂器、固井设备等 泵浦是将钻井液从井口抽出并输送至钻头的核心设备通常采用离心泵、柱塞泵等 管道是将钻井液从泵浦输送至钻头的通道通常包括钻杆、钻杆接头、钻杆管、钻柱、泥浆管等 除砂器是通过旋转和离心力将岩屑和地层水等固体颗粒从钻井液中分离出来的设备通常采用振动筛、旋流器等 固井设备是将固井液注入井眼并封闭井眼的设备通常包括水泥浆泵、水泥管道、固井套管等中国在石油化工方面对对冲式消能器的研究较少可 查 阅 的 资 料 也 比 较 有 限 图 ()是 用 针对对冲式消能器在来油时与除砂器配合工作的建模图 图()是用 中的 软件对对冲式消能器进行数值模拟生成的带网格的流体几何模型图图 对冲式消能器模型 对冲式消能器在钻井液循环系统中的作用()减少冲击和振动 在钻井过程中由于地层变化、机械摩擦等原因往往会产生较大的冲击和振动给设备和管道带来不小的损伤 而对冲式消王丽斌等:对冲式消能器在石油与天然气工程中的应用及优缺点分析能器能够通过吸收和消散这些能量有效减少系统的冲击和振动降低设备损伤风险()降低系统噪音 钻井液循环系统中的高压泵浦、高速运转的管道等设备会产生噪音给工作环境和设备带来负面影响 而对冲式消能器能够消除系统中的压力波和冲击有效降低系统噪音()延长设备使用寿命 钻井液循环系统中的设备由于受到冲击、振动和噪音等因素的影响容易发生磨损、裂纹、松动等问题导致设备寿命缩短而对冲式消能器的应用能够减少这些因素的影响延长设备的使用寿命综合来看对冲式消能器在钻井液循环系统中的应用能够有效降低系统的冲击和振动降低系统噪音延长设备使用寿命提高系统的安全性和可靠性具有重要的应用价值 对冲式消能器在油气勘探开发中的应用对冲式消能器具有广泛的应用前景在油气勘探开发中也有着重要的作用 钻井过程中产生的冲击和振动会影响到井下仪器的测量精度和可靠性同时也会影响到钻头和钻杆的寿命 使用对冲式消能器可以有效地降低钻井系统的冲击和振动保证探测数据的准确性和钻井设备的使用寿命在地震勘探中地震波在地下传播时会产生振动进而对地下岩层产生冲击和变形这种冲击和振动会使勘探数据失真从而影响勘探效果 使用对冲式消能器可以减少地震勘探系统的振动和冲击提高勘探数据的准确性 水力压裂是一种常用的油气勘探手段 在水力压裂中水和化学药剂被注入岩石层产生压力从而使岩石层破裂释放油气 然而水力压裂过程中会产生大量的冲击和振动对钻井设备和管道系统造成损伤 使用对冲式消能器可以有效地减少水力压裂系统的振动和冲击保证设备的稳定运行和使用寿命 综上所述对冲式消能器在油气勘探开发中具有广泛的应用前景可以有效地降低系统的冲击和振动提高设备的使用寿命和勘探数据的准确性从而为油气勘探开发提供更好的支持 对冲式消能器的发展趋势 对冲式消能器的发展历程对冲式消能器最早的概念可以追溯到 世纪 年代初期此后对冲式消能器逐渐引起人们的关注逐渐应用于建筑物、桥梁、车辆等领域 世纪 年代后期至 年代初期随着计算机技术的发展对冲式消能器开始得到广泛的研究和开发 研究人员通过数值模拟和实验研究等手段对对冲式消能器的结构和性能进行深入研究随着对冲式消能器的不断发展和完善其应用范围也逐渐拓展到石油和天然气勘探开发等领域 对冲式消能器被广泛应用于石油勘探钻机、固井设备、压裂装置等设备中用于减少设备震动和冲击延长设备使用寿命提高勘探开发效率 对冲式消能器的未来发展方向()技术改进和升级 未来的对冲式消能器将会继续在结构设计、材料选用、工艺制造等方面进行改进和升级 采用先进的材料和制造工艺提高对冲式消能器的强度、刚度和耐久性以适应更高强度、更恶劣工况的使用需求 同时结合先进的仿真和优化设计技术进一步提高对冲式消能器的消能效率和稳定性更好地满足不同应用场合的需求()应用领域的扩展 随着对冲式消能器技术的不断发展和应用经验的积累其应用领域也将会逐渐扩展 除了在钻井液循环系统和油气勘探开发中应用外对冲式消能器还可以应用于航空航天、交通运输、机械制造等领域如减震系统、飞机起落架、汽车 悬 挂 系 统 等 以 提 高 设 备 的 安 全 性 和 可靠性()智能化和自适应控制 随着科技的不断进步和人工智能技术的快速发展对冲式消能器将会更加智能化和自适应 利用传感器和智能控制技术对对冲式消能器的状态和工作条件进行实时监测和分析进而优化其参数和工作模式实现更加高效、精确的消能效果()环保和节能 随着全球环保意识的不断提高对冲式消能器在环保和节能方面的应用也将会越来越重要 例如利用对冲式消能器对机械振动和冲击进行控制降低噪音和震动对环境和人体的影响保护生态环境和人民身体健康 同时对冲式消能器还可以通过优化设计和智能控制实现能耗的降低和资源的节约以适应低碳经济和可持续发展的要求 结 论()对冲式消能器在石油与天然气工程中有着广泛的应用可以有效地减小振动幅值提高工作效率和安全性第 卷 山东石油化工学院学报 年 第 期()目前对冲式消能器的研究主要集中在优化设计、材料性能以及性能测试等方面 未来的研究方向可以进一步深入探讨其动态特性、耐久性以及适用范围等以适应不同应用场景的需求()随着石油与天然气工程的不断发展对冲式消能器的应用前景十分广阔 未来可以进一步推广和应用该技术为石油与天然气工程的发展做出贡献参考文献 王宁宁陈卓.对冲式消能器的消能效率及模态分析.管道技术与设备():.王朝阳孔令捷.油气井口管道内消能装置的研究现状.山东化工():.王晓飞.多级孔板消能装置流场模拟及实验研究.秦皇岛:燕山大学.陈春华.基于性能设计的消能减震装置成本优化.大连:大连理工大学.段瑶.组合式水力消能装置结构研究.西安:西安石油大学.黄碧莹.消能减震装置的统计线性化研究.大连:大连理工大学.宋驰.外圆筒式水力消能装置结构研究.西安:西安石油大学.范定坚林信阳.消能减震装置及其应用现状.山西建筑():.温会延耀兴.转叶孔板螺旋流消能的影响因素试验分析.水电能源科学():.责任编辑 董大伟王丽斌等:对冲式消能器在石油与天然气工程中的应用及优缺点分析