彈性蓄能激發(fā)式旋沖鉆井工具特性分析

玄令超， 管志川， 呼懷剛， 李敬皎

(中國石油大學(華東)石油工程學院，山東青島 266580)

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彈性蓄能激發(fā)式旋沖鉆井工具特性分析

玄令超， 管志川， 呼懷剛， 李敬皎

(中國石油大學(華東)石油工程學院，山東青島 266580)

為了解決常見旋沖鉆井工具沖擊力小、沖擊頻率不穩(wěn)定的問題，設計研制了彈性蓄能激發(fā)式旋沖鉆井工具，將彈性蓄能元件與凸輪機構結合，利用螺桿馬達帶動齒形沖擊振套碰撞產生沖擊載荷?；跊_擊動力學理論建立了該工具沖擊參數計算模型，利用鉆井泵和高速力值采集系統(tǒng)開展了工具樣機沖擊特性測試研究。試驗結果表明，該工具沖擊載荷曲線形態(tài)接近于簡諧曲線，沖擊載荷峰值為18～43 kN，沖擊載荷隨彈性元件壓縮量增大而增大；沖擊頻率為25.7～37.2 Hz，可以由鉆井泵流量調節(jié)。根據力學分析和試驗結果，該工具沖擊頻率為螺桿馬達轉速與沖錘齒數的乘積，且與鉆井液排量成正比；沖擊載荷與彈性元件壓縮量呈冪函數增加關系，與齒面變形系數呈冪函數增加關系；沖擊作用時間與沖錘質量呈冪函數增加關系，與齒面變形系數呈冪函數減小關系。彈性蓄能激發(fā)式旋沖鉆井工具的研制和特性分析，為旋沖鉆井技術的發(fā)展提供了一種新的設計方法和技術思路。

旋轉沖擊；鉆井工具；螺桿；沖擊載荷；計算模型；性能測試

旋轉沖擊鉆井技術(簡稱旋沖鉆井)提高了鉆頭牙齒的吃入深度，形成大體積的巖屑剪切和破碎，是現有條件下提高深井、超深井鉆速的有效途徑之一[1-2]。研究表明，旋沖鉆井工具的沖擊載荷、沖擊頻率等參數是影響鉆頭破巖效率的關鍵[3]。根據地層巖石軟硬程度，鉆井時通常選擇沖擊器的沖擊功為150～350 J，沖擊力為10～40 kN[4-6]，沖擊頻率為20～40 Hz[7]。隨著旋沖鉆井技術的推廣應用，國內旋沖鉆井工具的不足也日益顯現，自激震蕩式、射吸式旋沖鉆井工具的沖擊頻率受鉆井液流量波動影響明顯,規(guī)律性較差[8-9]；閥式、射流式旋沖鉆井工具的水力元件易被超高速射流沖蝕，影響了該類工具的井下壽命[10]；上述沖擊器加工成型后無法再對沖擊載荷的大小進行調整，跟現場復雜工況的匹配還有一定差距。為此，筆者摒棄了易被沖蝕的射流元件，利用螺桿馬達作為動力源，將彈性蓄能元件與凸輪機構相結合，研制了一種彈性蓄能激發(fā)式旋沖鉆井工具，基于沖擊動力學理論建立了其沖擊載荷計算模型，并對工具樣機進行多工況性能測試。

1 彈性蓄能激發(fā)式旋沖鉆井工具的結構及原理

螺桿為常見的井下動力鉆具，螺桿轉子轉速通過鉆井液流量調控，具有性能穩(wěn)定、井下壽命長的特點[11]；凸輪機構用來改變運動方向，還可以利用碰撞產生沖擊載荷[12]。筆者將二者結合，并利用彈性元件的蓄能作用，設計研制了彈性蓄能激發(fā)式旋沖鉆井工具。

1.1 結構

彈性蓄能激發(fā)式旋沖鉆井工具主要分為3個部分：上部為高轉速短螺桿，中間部分為傳動和扶正部件，下部為沖擊振套(見圖1)。沖擊振套為該工具的核心部件，由彈性元件、沖錘和砧體構成。沖錘上端壓緊彈性元件，下端為周期分布齒形凸起結構。砧體上部也為齒形結構，與沖錘齒形相配合，中部通過六方結構卡在傳扭殼內。彈性元件選用碟簧或矩形彈簧并密封在潤滑油內，避免了腐蝕與疲勞破壞。沖錘與砧體的齒形凸起內部鑲嵌硬質合金塊，提高了沖擊面的強度與壽命[13]。

圖1 彈性蓄能激發(fā)式旋沖工具結構Fig.1 Structure of the innovative rotary impact drilling tool with an elastic element accumulator1.上接頭；2.防掉；3.短螺桿；4.萬向軸外筒；5.萬向軸；6.水帽；7.密封件；8.軸承串；9.傳動軸；10.彈性元件；11.主軸；12.沖錘；13.砧體；14.傳扭殼；15.下接頭

1.2 工作原理

鉆井時，該旋沖鉆井工具靠近鉆頭，鉆壓和扭矩通過外殼體、砧體和下接頭傳遞到鉆頭。高壓鉆井液驅動螺桿轉子高速旋轉，螺桿轉子通過萬向軸、傳動軸帶動沖錘旋轉，沖錘的齒形凸起不斷與砧體的凸起交錯、嚙合。二者交錯時，沖錘沿砧體齒面爬升，迫使彈性元件壓縮并蓄能；沖錘到達頂端后在彈性元件推動下加速下落，最終沖錘高速撞擊砧體產生沖擊載荷。碰撞結束之后，螺桿轉子帶動沖錘繼續(xù)旋轉運動，沖錘與砧體間歇性碰撞產生沖擊載荷，提高鉆頭破巖速率。該工具利用機械碰撞的方式產生沖擊，沖擊載荷峰值高；利用螺桿作為井下動力，其壽命長且參數穩(wěn)定。

2 工具沖擊參數計算模型

2.1 沖錘末速度的計算模型

沖擊振套的齒形凸起線型設計采用修正梯形曲線，適用于高速輕載情況，具有載荷平穩(wěn)、振動較小的特點。沖錘沿砧體齒面上升時，原本已經蓄能的彈性元件進一步被壓縮；沖錘下落過程中，彈性元件和重力對其加速，沖錘加速下落過程滿足：

(1)

式中：m為沖錘的質量，kg；s為沖錘位移，m；t為時間，s；g為重力加速度，m/s2；KT為彈性元件剛度，N/m；Ly為彈性元件形變量，m。

Ly隨沖錘下落而減?。?/p>

(2)

式中：L1為彈性元件預壓縮量，m。

求解得到沖錘下落過程的位移函數s(t)和速度函數v(t)：

(3)

(4)

(5)

式中：υ為沖錘下落速度，m/s。

沖錘下落行程為齒形凸起高度，可求得沖錘下落最大速度：

(6)

式中：H為沖錘齒形凸起高度，m；vmax為沖錘下落最大速度，m/s。

2.2 工具沖擊載荷的計算模型

沖錘與砧體碰撞過程將沖錘動能轉化為砧體上的應力波，在此瞬間彈性元件壓縮量基本不變，忽略其對沖擊碰撞過程的影響。在沖擊振套碰撞發(fā)生瞬間，齒形凸起的多點接觸、部分變形等因素在中間承擔了緩沖作用，使沖擊載荷先逐漸增大后逐漸消退，而非矩形應力波形態(tài)。這相當于在沖錘與砧體之間安放一個對位移非常敏感的彈簧(見圖2)，彈簧剛度與沖錘的材料性能、齒形凸起線型和接觸面粗糙度等因素有關[14]。沖擊載荷以應力波的形式從砧體齒形傳遞到下接頭、鉆頭，最終作用于鉆頭切屑齒破巖。

圖2 工具沖擊過程力學模型Fig.2 The mechanical model for impact process of the tool

對沖錘、砧體結構進行簡化，應用動力學理論建立該工具沖擊過程的力學模型：

(7)

式中：F為沖擊載荷，N；vc為沖錘沖擊過程速度，m/s；vz為砧體沖擊過程速度，m/s；Kc為齒面變形系數，N/m；l為齒面變形量，m；mz為砧體波阻，kg/s。

整合上述方程組，得到二階微分方程：

(8)

沖擊過程初始條件即為沖錘最大速度vmax，求解得到沖擊載荷函數F(t)：

(10)

(11)

(12)

式中：t0為沖擊作用時間，s；Fmax為沖擊載荷峰值，N。

2.3 工具沖擊頻率的計算模型

該工具沖擊頻率為螺桿轉速與沖錘齒數的乘積，沖錘齒數改變通過更換沖擊套件實現，螺桿的轉速特性由定轉子頭數和線型決定，隨鉆井液排量增大而增大。設計沖錘的6個齒形凸起完全相同，螺桿額定排量25～32 L/s，轉速區(qū)間為255～364 r/min，該工具額定沖擊頻率為25～37 Hz。

(13)

式中：f為沖擊頻率，Hz；n為螺桿轉速，r/min；N為沖擊套件齒數；η為螺桿效率系數；Q為鉆井液流量，L/s；q為螺桿每轉排量，L/r。

3 沖擊載荷影響因素分析

上述計算模型揭示該旋沖工具沖擊特性的主要影響參數包括：沖錘質量m、彈性元件壓縮量L1與剛度KT、齒面變形系數Kc。根據該工具設計及實際加工情況，確定各參數的合理變化范圍，并將各參數帶入上述力學模型利用單一變量法進行計算，分析各參數對沖擊載荷和沖擊作用時間的影響規(guī)律。

3.1 沖錘質量

保持L1=0.5 m，KT=90 kN/m，Kc=3.5 μN/m不變，增大沖錘質量，沖擊載荷峰值基本不變，波動在3%以內(見圖3)。綜合考慮沖錘質量對沖擊過程的影響，增大沖錘質量雖然減小了沖錘末速度，但沖錘慣性增大提高了齒面碰撞效果，最終沖錘質量改變并未顯著提高沖擊載荷峰值。由圖3可以看出，增大沖錘質量可以延長沖擊作用時間和鉆頭牙齒吃入地層時間，增大巖石破碎體積[15]。

圖3 沖錘質量對沖擊載荷的影響Fig.3 The influence of the hammer weight on impact load

3.2 彈性元件壓縮量和剛度

分析式(11)可以看出，沖擊作用時間并不是沖錘末速度的函數，彈性蓄能量增加不會影響單次沖擊的作用時間。將彈性元件壓縮量代入式(5)計算沖錘的沖擊末速度，再將該速度代入式(12)求得沖擊裝置的沖擊載荷峰值，計算結果見圖4。由圖4可以看出，隨著彈性元件壓縮量的增加，沖擊載荷峰值呈冪函數形式增加。

圖4 彈性元件壓縮量對沖擊載荷峰值的影響Fig.4 The influence of the elastic component on the peak of impact load

該旋沖鉆井工具沖擊載荷可調范圍大，更換大剛度彈性元件或增加壓縮量都可以提高沖錘的末速度，最終達到增大沖擊載荷峰值的目的，調整方式操作簡單、效果明顯。大載荷沖擊推薦使用碟簧，小載荷沖擊可使用矩形彈簧，對軟硬地層均有良好的適應性。

3.3 齒面變形系數

齒面變形系數Kc對沖擊載荷峰值和沖擊作用時間都有顯著影響，增大齒面變形系數Kc,可以提高沖擊載荷峰值、縮短沖擊作用時間(見圖5)。試驗研究表明，齒面變形系數是齒形凸起的自身屬性，齒形凸起高度和線型確定之后，齒面變形系數Kc基本保持不變。更換沖擊振套、改變齒形凸起線型可以調整旋沖鉆井工具沖擊載荷波形，使其適應不同鉆井工況。

圖5 齒面變形系數對沖擊載荷的影響Fig.5 The influence of the teeth deformation coefficient on impact load

4 沖擊性能測試與分析

為了獲取旋沖鉆井工具性能參數、檢測沖擊部件壽命，對旋沖鉆井工具進行了地面測試和參數測量。將彈性蓄能激發(fā)式旋沖工具樣機固定在基座上，在其尾部安裝NOS-F306測力傳感器，利用高速力值數據采集系統(tǒng)記錄其沖擊載荷，設置采樣頻率20 kHz。用F-1600鉆井泵驅動該旋沖鉆井工具運轉，多次改變矩形彈簧壓縮量和鉆井泵排量，對旋沖鉆井工具整體性能進行測試。

4.1 單次沖擊特性

多次調整矩形彈簧壓縮量，測試單次沖擊過程的載荷，載荷波形呈漸長漸消態(tài)勢，峰值停留時間較長(見圖6)。由圖6可見，沖擊載荷的計算值與實測波形有較高相似度，沖擊載荷較為接近于正弦曲線，實測數據有碎齒狀噪聲影響；增大彈性元件壓縮量，可以提高沖擊載荷峰值；單次沖擊的作用時間為4.1～4.4 ms，增加彈性蓄能并未顯著影響沖擊作用時間?？傮w來說，計算模型的沖擊波形、作用時間與實測值基本吻合，為工具調整和改進提供了理論依據。

圖6 單次沖擊過程的沖擊載荷計算值與實測值對比Fig.6 Comparison of calculated and measured result of impact load in the single impact process

4.2 連續(xù)沖擊特性

該工具在連續(xù)沖擊工況下，沖擊載荷的時間間隔相同，這是由螺桿轉速的硬特性決定的；沖擊載荷峰值波動在10%以內，沖擊過程具有明顯的周期性和重復性(見圖7)，這是因為沖擊套件6個齒形凸起結構完全相同，沖錘每次下落、碰撞過程基本相同的緣故。對比2種工況可以看出，改變鉆井泵排量可以調整該旋沖工具的沖擊頻率，通過地面調節(jié)就能改變工具的井下工作參數，提高了工具在不同鉆井工況下的適應能力。

圖7 連續(xù)沖擊工況下沖擊載荷實測值Fig.7 Test result of impact load in the continuous impact process

4.3 綜合性能

該旋沖工具采用機械碰撞的方式產生沖擊載荷，沖擊力大，工作性能穩(wěn)定。改變矩形彈簧壓縮量可以調整沖擊載荷峰值，改變鉆井泵排量可以調整沖擊頻率，調整方式簡便高效，對現場復雜工況具有較強的適應性。該工具綜合性能測試結果見表1。

表1 彈性蓄能激發(fā)式旋沖鉆井工具綜合性能測試結果

由表1可以看出，該工具沖擊載荷峰值為18.73～42.56 kN，為常規(guī)鉆井鉆壓的0.2～0.4倍，工具的額定排量為25～32 L/s，沖擊頻率為25.7～37.2 Hz，整機壓耗1.1～1.2 MPa。齒形凸起鑲嵌硬質合金塊可以有效提高沖擊面的強度與壽命，長時間運行未發(fā)生卷邊、磨蝕現象。該工具沖擊載荷與沖擊頻率在常規(guī)旋沖鉆井最優(yōu)取值范圍內，具有良好的破巖提速潛力。

5 結 論

1) 彈性蓄能激發(fā)式旋沖鉆井工具將彈性蓄能元件與凸輪機構相結合，利用螺桿帶動齒形沖擊振套產生沖擊載荷，長期運轉性能穩(wěn)定，具有良好的破巖提速潛力。

2) 彈性蓄能激發(fā)式旋沖鉆井工具的沖擊參數計算結果表明：沖擊作用時間隨沖錘質量增加而增長,沖擊載荷峰值受彈性元件預緊力的影響,沖擊頻率為螺桿轉速與沖錘齒數的乘積。計算模型測試結果與實測數據吻合度較高，利用該模型可以準確地調整和優(yōu)化旋沖工具的沖擊特性。

3) 工具樣機測試試驗表明，改變鉆井泵排量可以調節(jié)沖擊頻率，改變彈性元件壓縮量及剛度可以調整工具沖擊載荷；但工具的井下壽命還難以確定，需要通過實際鉆井試驗進一步研究。

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[編輯 滕春鳴]

Analysis of the Characteristics of the Rotary Impact Drilling Tool with an Elastic Element Accumulator

XUAN Lingchao,GUAN Zhichuan,HU Huaigang,LI Jingjiao

(School of Petroleum Engineering,China University of Petroleum(Huadong)，Qingdao,Shandong,266580，China)

Conventional impact drilling tools can be characterized by low impact forces and instability in impact frequencies.To overcome these shortcomings,an innovative rotary impact drilling tool with an elastic element and cam structure has been developed.With the PDM drives,a hammer rotates and collides with the teeth of the anvil to generate impact load.Based on the dynamics of impact,a numerical model for the tool’s impact process was built.In addition,impact load of the innovative tool powered by mud pump was tested by using drilling pumps and a high speed stress acquisition system.Results showed that the impact load curves were close to harmonic curve at the peak impact force 18-43 kN,and that impact loads would increase with the increase of compression volumes of the elastic elements.This tool’s impact frequency was 25.7-37.2 Hz，and could be adjusted from flow rates of mud pump.Dynamic analysis and experimental results showed that the frequency was the product of the rotary rate of screw drill times the number of the teeth,which was proportional to the flow rates of drilling fluids.The impact load could be adjusted from the preload of the elastic elements and it would increase with increase of the preload in a power function.The impact durations was in positive power function with hammer weight and in a negative power function with the deformation coefficients of the teeth.The development of the rotary impact drilling tool with an elastic element accumulator may provide innovative design techniques and technical solutions for the development of rotary and percussion drilling operations.

rotary impact； drilling tool； screw drill； impact force； numerical model； performance test

2015-11-08；改回日期：2016-04-17。

玄令超(1988—)，男，山東泰安人，2011年畢業(yè)于中國石油大學(華東)石油工程專業(yè)，在讀博士研究生，主要從事井下工具研發(fā)、破巖提速等相關研究。E-mail：xuanlingchaoboy@163.com。

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”課題“西部山前復雜地層安全快速鉆井技術”(編號：2011ZX05021-001)部分研究內容。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201603011

TE924

A

1001-0890(2016)03-0061-06