NPJ-1型高效破巖脈沖射流軸向沖擊器研制

李　瑋，紀(jì)照生，王琪琪，趙增偉，劉婉瑩（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶163318）

·開(kāi)發(fā)應(yīng)用·

NPJ-1型高效破巖脈沖射流軸向沖擊器研制

李瑋，紀(jì)照生，王琪琪，趙增偉，劉婉瑩
（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶163318）①

沖擊器是提高深井機(jī)械鉆速的主要井下工具。針對(duì)沖擊器核心部件易損壞，壽命短，提速效果不明顯等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了NPJ-1型高效脈沖射流軸向沖擊器。該工具通過(guò)水力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使鉆頭在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)產(chǎn)生縱向振動(dòng)，可顯著改善鉆頭與井底附近巖石的受力狀況，有效提高機(jī)械鉆速。通過(guò)數(shù)值模擬分析，室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)、原理試驗(yàn)，該脈沖射流軸向沖擊器工作原理正確，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，明顯提高了鉆井速度，且使用壽命長(zhǎng)。

高效破巖；脈沖射流軸向沖擊器；強(qiáng)度校核；原理試驗(yàn)

破巖技術(shù)是油氣鉆井技術(shù)的核心內(nèi)容，也是鉆井工程基礎(chǔ)理論研究的重點(diǎn)［1］。在深井、超深井中，高效破巖技術(shù)更顯重要，破巖效率的好壞直接決定著鉆井速度和成本，更決定著鉆井工程的經(jīng)濟(jì)效益［2］。目前，各類(lèi)沖擊器是提高深井機(jī)械鉆速的主要井下動(dòng)力工具［3］。其中的液力沖擊器以其不需要額外補(bǔ)充能量，僅利用鉆井液的壓力即可進(jìn)行工作而受到了業(yè)界科研人員的重視。在國(guó)外，泛美石油公司，Perth鉆探設(shè)備公司，美國(guó)Smith Tool公司，德國(guó)克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)等研制出了自己特有的液力沖擊器。在國(guó)內(nèi)，近幾年也研制出了多種型號(hào)的液動(dòng)沖擊器，例如YZX-127型高沖擊功液動(dòng)沖擊器，XC型液動(dòng)沖擊器，YSC-178型液動(dòng)射流式?jīng)_擊器，SYZJ液動(dòng)沖擊器［4-10］。筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這些沖擊器在野外試驗(yàn)及生產(chǎn)中雖然一定程度上提高了鉆井效率，但是出現(xiàn)了核心部件較易損壞，壽命短等問(wèn)題。因此，筆者研發(fā)了一種新的脈沖射流軸向沖擊器——NPJ-1型高效脈沖射流軸向沖擊器（以下簡(jiǎn)稱脈沖射流軸向沖擊器）。

1　結(jié)構(gòu)及工作原理

脈沖射流軸向沖擊器是針對(duì)目前其他沖擊器使用壽命不能滿足石油鉆井生產(chǎn)實(shí)際需求而研制的一種新型液動(dòng)沖擊器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　脈沖射流軸向沖擊器結(jié)構(gòu)

脈沖射流軸向沖擊器的葉輪在高壓大排量鉆井液的作用下持續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)下部的密封塊，交替封堵下部周期性導(dǎo)流平板上的通孔，使鉆井液產(chǎn)生壓力波動(dòng)。該壓力波動(dòng)經(jīng)收縮裝置收攏聚能后作用于下部的傳動(dòng)短接進(jìn)而作用于鉆頭，使鉆頭在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)產(chǎn)生縱向振動(dòng)。

由旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井的實(shí)踐可知，沖擊器在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)具有振動(dòng)效應(yīng)，不僅能夠顯著改善井底附近巖石的受力狀況，提高破巖效率，進(jìn)而提高鉆井速度，而且能夠改善鉆頭的受力，延長(zhǎng)鉆頭使用時(shí)間，縮短建井周期。由于水力脈沖直接作用而使鉆頭產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)中普遍采用的沖擊錘等中間機(jī)構(gòu)，減少了能量損耗。另外，工具的結(jié)構(gòu)也得到了簡(jiǎn)化，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。該技術(shù)能夠簡(jiǎn)單有效調(diào)節(jié)振幅、頻率，可顯著降低對(duì)鉆頭等配套工具的要求，有效降低制造和使用成本。

2　強(qiáng)度校核

利用三維建模軟件Solid Works對(duì)脈沖射流軸向沖擊器進(jìn)行了建模和參數(shù)化設(shè)計(jì)后，又利用該軟件的Simulation插件對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)分析，以確保其可靠性。

模擬井下實(shí)際工況：井深5000m、地溫梯度3．2℃／100m、地表溫度20℃、鉆井液密度1．0g／cm3。確定模擬實(shí)際工作載荷為：鉆壓80kN、轉(zhuǎn)矩2500N·m、內(nèi)壓16MPa、外壓15MPa。選用材料為AISI1045鋼，其屬性如表1。

對(duì)裝配體進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。由于建立的模型比較復(fù)雜，單元類(lèi)型選擇實(shí)體網(wǎng)格劃分；同時(shí)為了提高仿真分析的精度，選擇高品質(zhì)的網(wǎng)格；并且打開(kāi)網(wǎng)格化自動(dòng)過(guò)渡功能，其目的是產(chǎn)生自適用網(wǎng)格，在容易產(chǎn)生較大應(yīng)力的部位形成較大的網(wǎng)格密度，而其余部位產(chǎn)生相對(duì)較小網(wǎng)格密度（如圖2）。這樣不僅可有效提高仿真分析精度，也可以控制計(jì)算規(guī)模，節(jié)約仿真分析時(shí)間。

表1　材料屬性

圖2　網(wǎng)格劃分

對(duì)算例進(jìn)行運(yùn)算，得到應(yīng)力、位移、應(yīng)變、安全系數(shù)，如圖3～4。

圖3　應(yīng)力

從有限元算例分析結(jié)果可知，范式應(yīng)力和對(duì)等應(yīng)變的分布較均勻，不存在應(yīng)力集中或應(yīng)變集中區(qū)域。位移變化最大的位置在殼體上部。為了防止生產(chǎn)事故的發(fā)生，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。默認(rèn)失敗準(zhǔn)則為最大Von Mises應(yīng)力，從Von Mises應(yīng)力分析圖上可以看出，最大應(yīng)力為184．2 MPa，遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度530 MPa，安全系數(shù)達(dá)到2．88，不發(fā)生應(yīng)力破壞。從位移分析圖來(lái)看，最大位移為0．033 059mm，位移變形較小。

圖4　合位移

3　室內(nèi)試驗(yàn)

3．1 強(qiáng)度試驗(yàn)

加工了全尺寸試驗(yàn)樣件，利用東北石油大學(xué)油氣鉆井技術(shù)國(guó)家工程試驗(yàn)室液壓機(jī)對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，如圖5。強(qiáng)度校核試驗(yàn)中，在樣件上加載荷2 500 k N，并穩(wěn)定10min，樣件沒(méi)有明顯變形，說(shuō)明其強(qiáng)度可靠，滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

圖5　工具室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)

3．2 功能試驗(yàn)

依托東北石油大學(xué)油氣鉆井技術(shù)國(guó)家工程試驗(yàn)室的多功能液相高壓循環(huán)系統(tǒng)對(duì)沖擊器進(jìn)行了室內(nèi)原理試驗(yàn)，如圖6。開(kāi)泵，待水流穩(wěn)定后，可清晰的聽(tīng)到脈沖液體沖擊傳動(dòng)短接聲響，用手接觸工具樣件，可明顯感受到縱向振動(dòng)作用，說(shuō)明了工具原理可行。

圖6　工具室內(nèi)原理試驗(yàn)

4　結(jié)論

1） 設(shè)計(jì)了一種高效脈沖射流軸向沖擊器。

2） 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的數(shù)值模擬分析及室內(nèi)試驗(yàn)表明，脈沖射流軸向沖擊器工作原理正確，結(jié)構(gòu)可靠。

3） NPJ1型沖擊器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)易損薄弱部件，可顯著提高使用壽命。沖擊器頻率、振幅可調(diào)，不僅破巖效率高，而且配套性強(qiáng)，成本低，提速效果好，易于在現(xiàn)場(chǎng)大面積推廣應(yīng)用。

4） 加工全尺寸工具，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性及有效性，并為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供更可靠、更準(zhǔn)確的資料，是脈沖射流軸向沖擊器研究下一步要做的工作和重點(diǎn)。

［1］ 閆鐵，杜婕妤，李瑋，等．高效破巖前沿鉆井技術(shù)綜述［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（1）：50-55．

［2］ 張熊棟．高壓水射流破巖技術(shù)的特點(diǎn)［J］．國(guó)外金屬礦采礦，1980（11）：12-25．

［3］ 劉華潔，高文金，涂輝，等．一種能有效提高機(jī)械鉆速的水力振蕩器［J］．石油機(jī)械，2013（7）：46-48．

［4］Marx V C，Gloth H，Zhao Guangzhuo．Entwicklung eines leistungsstarken hydraulischen bohrhammers ［C］／／FELSBAU 17 NR．4，S，1999：296-301．

［5］ 菅志軍，殷琨，蔣榮慶，等．油氣勘探鉆井用液動(dòng)射流式?jīng)_擊器的研究與應(yīng)用［J］．世界地質(zhì)，1998（4）：89-93．

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［8］ 王克雄．沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)在石油鉆井中的應(yīng)用研究［J］．石油鉆采工藝，1999（5）：5-9．

［9］ 文平，陳波，雷巨鵬，等．液動(dòng)沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)在玉門(mén)青西油田的應(yīng)用［J］．天然氣工業(yè)，2004（9）：64-67．

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Development of Efficient Pulse Jet Axial Impactor

LI Wei，JI Zhaosheng，WANG Qiqi，ZHAO Zengwei，LIUWanying
（College of Petroleum Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）

Rock breaking technology is the core technology for oil and gas drilling and the focus of drilling engineering basic research．At present，all kinds of deep shock aremain downhole tools of improving ROP．For the problems of current shocks that core components is easily damaged，lifeis short，speed is not obvious，we designed a new type of pulsed axial impactor．The pulsed axial im-pactor allows longitudinal vibration while rotating through certain hydraulic adjustmentmecha-nism can significantly improve the situation of drill bit and downhole nearby rocks and improve drilling speed．By numerical analysis tool strength check，interior strength test and principle ex-periment，the pulse jet axial impact device works properly，have reliable structure，and achieve the aim of a simple structure，no wearing parts were found，meeting the basic requirements for extend-ed service life．

efficient rock breaking；axial pulse jet impactor；strength check；mechanism experiment

1001－3482（2015）08－0053－03

TE921．203

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．012

①2015－01－28

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“鉆井新技術(shù)新方法研究”二級(jí)子課題：高研磨地層破巖新

技術(shù)研究（2014A-4211）；東北石油大學(xué)培育基金項(xiàng)目：高頻低幅沖擊鉆井破巖理論研究（PY120121）

李 瑋（1979-），男，黑龍江大慶人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事高效鉆井破巖、水力壓裂、鉆井優(yōu)化等方面的理論與技術(shù)研究工作，Email：cyyping＠sina．com。