Φ102涡轮钻具井下喷射器设计(5)

摘要

摘要

学 生：袁华良，机械工程学院 指导老师：许福东教授，机械工程学院

[这项工作提出了在新的冷启动系统技术设计的基础上，电磁加热原理奥托循环燃烧的热建模。首先，提出一个国家的最先进的检讨，并提出了汽车产业的背景下加热喷油器是必要的。电磁加热原理的新颖的方法来解决冷启动问题仍处于发展阶段，它使发动机在低温起动时在分散的汽车动力由乙醇或灵活燃料汽车 。这个新系统技术应可作为替代，以取代现有的系统。目前，冷启动系统采用了辅助的汽油罐，这带来了一些在用户的便利性。其次，我们的目标也是建立一个物理模型，考虑到涉及在加热过程中，如电力加热和平均传热系数的所有其参数。这项研究是基于集总系统理论建模的乙醇加热过程。从分析中，两个普通的差分方程式的出现，这使得解析解。特别是，得到了在喷射器内的乙醇加热曲线，在这一过程中的重要参数。还提供有来自其他作者的实验数据进行比较。最后，控制参数，如加热功率和传热系数变化的敏感性分析。本文的结论与进一步研究的建议。]

关键词 [乙醇，冷启动系统，电磁加热，加热喷油器]

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Φ102涡轮钻具井下喷射器的设计

ABSTRACT

This work presents a thermal modeling of a new cold-start system technology designed

for Otto cycle combustion based on the electromagnetic heating principle. Firstly, the paper presents a state-of-the-art review and presents the context of automobile industry where heated injectors are necessary. The novel method of electromagnetic heating principle to solve the cold-start problem is still in the development phase and it enables engine starting at low temperatures in vehi-cles powered by ethanol or flex-fuel vehicles . This new system technology should be available as an alternative to replace the existing system. Currently, the cold-start system uses an auxiliary gasoline tank, which brings some in-convenience for the user. Secondly, the aim was also to create a physical model that takes into consideration all the pa-rameters involved on the heating process such as power heating and average heat transfer coefficient. The study is based on the lumped system theory to model the ethanol heating process. From the analysis, two ordinary differential equa-tions arise, which allowed an analytical solution. Particularly, an ethanol heating curve inside the injector was obtained, an important parameter in the process. Comparison with experimental data from other authors is also provided. Finally, a sensitivity analysis of controlling parameters such as heating power and heat transfer coefficient variation. The paper is concluded with suggestions for further studies.

Keywords: Ethanol; Cold-Start System; Electromagnetic Heating; Heated Fuel Injector

XVI

前言

1 前言

1.1研究的目的与意义

注水开发是我国大部分油田采用的开采方式，这一方式要求布置庞大的地面主水管网系统。由于油气田分部范围广，使得地面管网异常复杂，虽然用了各种管网布置优化措施，但也很难保证井口压力能满足配注的要求，因而有很多注水井完成不了配注量，严重影响了整个油田开发方案的顺利实施。另外，低渗透和非均质也是我国大部分油田普遍遇到的开发难题，部分区块的注入压力已经达到了35MPa,采用提高注入系统压力越来越难以保证这类油田日趋增高的注入压力。况且，提高系统压力势必会造成管线的频繁损坏，增加事故的发生率。采用单井地面泵增压的方式虽然不会使管网系统压力升高，但提高了生产成本，由于井下管柱存在隐患，而且还带来了单井地面增压泵及其配套装置的防盗问题。

井下增压是解决上述问题的最好方法，但井筒断面尺寸限制了机械设备在井下的布置和工作。一般高压柱塞泵的外形尺寸远远超过了井筒的尺寸，电潜泵虽然是常规的井下设备，但由于采用离心泵，达不到高压注水所需的注入压力。井下液压增压器是插装阀控制液压缸工作的系统，它利用锥阀尺寸小、导流能力强、泄露小、适合于清水驱动等特点，采用帕斯卡原理增压，保证了增压器的外形符合井筒断面尺寸的要求，使机械增压装置在井下的工作成为可能。

1.2国内外现状和发展趋势

1.2.1 国内现状

1. 旁通式井下增压器

国内井下增压器研究起步较晚，中石油勘探开发研究院于1994年首次开展井下增压器研究，第一代尺寸样机于1996年底研制成功，并开展室内试验，输出压力高达150MPa，增压器工作时间超过100h，但没能到现场应用条件。随后研究改进，新样机单级增压比高达13:1,；当增压失效时，仍可按常规钻井方式继续惊醒钻进。第二代全尺寸样机进行了超高压室内试验，并于2002年在中原油田900m深试验井完成了可靠性实验测试，取得了令人满意的工作寿命。

经过再一次改进后的样机于2004年11月在中原油田文407井和胡129井进行了现场试验，工具总的寿命达到了41h，现正在制造第三代工业试验机。 2. 射流式增压器

中国石油大学（北京）汪志明等在2005年完成了第一代射流式井下增压器设计。对该装置进行的地面模式测试和整机试验研究结果表明，增压出口压力的变化与输入排量和节流压降直接关联，且立管压力波动也反映出设计的工具压耗与实际试验压耗

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Φ102涡轮钻具井下喷射器的设计

相吻合。为适应钻井工艺的要求，必须增大增压比，实现在低节流压降条件下达到高增压出口压力。该试验初步验证了新型射流式井下增压装置设计的可行性，整体设计指标达到了预期要求。

3. 水力增压式井下增压器

西南石油学院设计了利用环空流体水力能量实现增压的井下增压器。把还空水力能量作为外加激励源，达到自增流量与它激双重作用，进而实现井下增压。

该装置在脉冲射流喷嘴研究的基础上，于腔室靠近上喷嘴处多开了多个等径圆孔。当具有一定压力流体由上喷嘴进入共振腔后，在上游由于卷吸作用加上环流流体激励作用，小部分流体碰撞后在振荡腔内上游形成局部负压，环空流体被卷吸到共振腔内，从而实现井下增压。

井下水力增压主要依靠3种作用方式：振荡腔内负压区形成作用，振荡腔内射流卷吸作用以及环空流体要它激作用。

实验结果表明，通过卷吸作用可增加流量10％~25％；在共振腔室结构参数设置较为合理的情况下，射流最大冲击力比自激振荡提高2倍。 1.2.2 国外现状

1.第一代井下增压泵

1993年，没过FlowDril公司和天然气研究院共同研制了井下超高压泵，开展了用射流辅助破岩的研究计划，第一台试验样机与1994年研制成功，是一种往复式增压器，靠水力驱动。增压器将较小部分的钻井液进行增压后通过超高压喷嘴，实现超高压射流辅助钻井。5口径的现场实验结果表明，井下泵工作时间在1.0~40.5h，提高机械钻速1.0~2.5倍。 2.第二代井下增压泵

1994年末，美国能源部、FlowDril公司和天然气研究院共同研制开发了第二代井下增压泵样机，增压器的增压比约为14:1，井底增压泵将约7％的井底流体压力增加到207MPa，通过钻头加长喷嘴辅助钻头机械破岩。11口井的现场实验结果表明，使用超高压井下增压泵射流辅助钻井的机械钻速提高幅度在45％~100％。第二代井下泵样机在室内试验时工作时间达到40h，但是现场井下运行时间只有9~17h。 3.高压连续管钻井系统 2001年，Maurer Engineering Inc.公式进行了高压射流钻井系统的研发及室内试验和现场呢试验。该系统可由连续管将底部钻具组合送入井内，也可使用改进的常规旋转钻井方法。井下增压泵特殊设计主要有：金刚石止推轴承、钛伸缩轴和限流器。

室内试验表明，射流切割钻井技术在不同的地层类型下提速幅度达1.0~2.0倍。在大量的不同地层抱愧砂岩、页岩、砂质页岩和石灰岩等岩性地层开展现场试验表明机械钻速提高1.3~6.0倍。

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