彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置設計測試

徐超+郝婷婷+徐海波

摘 要：經(jīng)濟的快速發(fā)展對于石油的需求不斷地增加，做好石油的開采對于保障經(jīng)濟的發(fā)展有著極為重要的意義。旋轉沖擊鉆井技術能夠應用于深井和超深井中，并能夠有效地在現(xiàn)有鉆井工藝條件下有效提升機械鉆井速度。通過利用旋轉沖擊這一原理采用短螺桿馬達帶動沖擊錘的方式在鉆井面上產(chǎn)生周期性的沖擊載荷，設計了彈簧蓄能激發(fā)式的旋轉沖擊方式的鉆井裝置通過旋轉和純機械碰撞的方式在鉆井的過程中產(chǎn)生持續(xù)的沖擊載荷。本文在分析彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置結構特性的基礎上對沖擊效果進行了測試驗證。

關鍵詞：彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置；沖擊性；效果

中圖分類號：TE921 文獻標識碼：A

經(jīng)濟的快速發(fā)展使得對于石油這一化石能源的需求不斷增加，石油資源通過多年的開采淺層的石油資源已經(jīng)處于日益減少的窘境。為了獲得更多的石油資源，現(xiàn)今的鉆井正在向著更深層和超深層的方向發(fā)展。在深層和超深層的鉆井方式中，旋轉沖擊被理論和實踐證明是一種十分有效的高速鉆井方式，通過應用旋轉鉆井技術能夠有效地提升深井和超深井的機械鉆速。旋轉鉆井方式的工作原理是利用安裝在鉆頭上的沖擊工具依靠沖擊工具所產(chǎn)生的持續(xù)間歇性的沖擊載荷來持續(xù)地推動鉆頭不斷深入巖層，并通過利用沖擊振動形成大體積的巖屑破碎和剪切力，從而有效地提升鉆井速度。

1.旋轉沖擊鉆井工具發(fā)展現(xiàn)狀

在現(xiàn)今國內(nèi)所使用的旋轉沖擊鉆井裝置中主要分為：閥式液動沖擊、射流式液動沖擊和自激震蕩式旋轉沖擊和電動旋轉沖擊等方式。上述幾種旋轉沖擊鉆井方式應用于鉆井過程中盡管能夠有效地提升鉆井的速度，但是其在應用的過程中也存在著一些不足，從而制約其在更大的范圍內(nèi)進行推廣利用，其主要表現(xiàn)為：旋轉沖擊鉆井工具在井下的使用壽命與所使用的單只鉆頭的有效工作時間并未形成良好的匹配，由于旋轉沖擊工具的使用壽命較低會增加起下鉆的成本。此外，在旋轉沖擊工具的使用過程中由于其單次沖擊的量能較小，無法對較大體積的巖石形成良好的有效的破碎效果。旋轉沖擊工具在使用的過程中對于沖擊頻率和沖擊載荷的控制較為困難，無法滿足鉆井現(xiàn)場復雜的工況需求。因此，對于旋轉沖擊工具要求其具備良好的適應性、使用壽命和可靠性。通過研究發(fā)現(xiàn)，選用特殊設計的螺桿鉆具能夠提供特定的扭矩和轉速，其沖擊特性依靠凸輪機構產(chǎn)生，能夠持續(xù)穩(wěn)定地提供需要的沖擊特性。選用彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊這一結構能夠有效地滿足上述要求。在完成彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置外形設計的基礎上通過對其建立數(shù)學模型并通過仿真分析對彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置中的各部進行優(yōu)化，以便使得彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置具有良好的使用特性。

2.彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置的結構分析

彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置其機械結構主要分析3個主要的部分：

（1）高轉速短螺桿。

（2）傳動部件。

（3）沖擊部分。

其中，上部的高轉速短螺桿主要由接頭部分、拉桿等組成。彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置中的中部傳動部分由連接萬向軸、傳動軸和一系列的軸承套所組成，用以實現(xiàn)對于力矩的傳遞和軸的扶正，中間部分是彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置中最為關鍵的部分之一。下部的沖擊振套通過傳動軸、沖擊錘以及下接頭等部分組成。彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置的結構圖如圖1所示。

在鉆井過程中，彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置與鉆頭部分相連，常規(guī)鉆井中所產(chǎn)生的鉆壓和扭矩通過裝置中的上部接頭-中間的傳動部分-下接頭的一系列的傳遞方式將其傳遞到鉆頭上。鉆井液作為彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置的驅動力驅動短馬達高速旋轉以此來帶動彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置中的傳動軸和主軸進行高速旋轉，主軸帶動沖錘轉動并使得沖錘下部的齒形與砧體的齒形進行轉動嚙合，在嚙合的過程中，沖錘擠壓彈簧在彈簧中積蓄量能，待到兩者嚙合時，彈簧中所積蓄的量能會加速沖錘下落時的沖擊力，從而形成旋轉沖擊裝置所需要的沖擊載荷。這一沖擊過程隨著主軸的旋轉沖擊錘下部齒形與砧體齒形的不斷變化嚙合而不斷重復形成周期性的沖擊載荷。彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置所形成的沖擊載荷與鉆頭在鉆進過程中所施加的靜壓力相疊加將會有效地增強鉆頭的鉆進效率。

在彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置的設計過程中齒形并未有特別的要求，僅要求沖錘和砧體上的齒形兩者能夠相互交錯嚙合即可。彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置的沖擊頻率為短螺桿轉速與沖錘齒數(shù)的乘積。經(jīng)過相關研究測算表明，鉆頭在鉆進過程中每一圈的沖擊間隔控制在30Hz～45Hz之間為宜，從鉆井過程中材料強度、冷卻等因素進行綜合考慮，選定沖擊頻率控制在30Hz次為宜，為實現(xiàn)這一形式，彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置中對于短螺桿需要采用2/3頭結構，在沖錘下部與砧體上設置6對齒形凸起。

3.采用彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置的技術優(yōu)勢

彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置中的沖擊頻率主要與短螺桿的轉速和沖擊錘上的齒形相關，因此通過改變短螺桿的轉速就能夠方便地對沖擊頻率進行調(diào)節(jié)。相較于液力、電機等的旋轉沖擊方式，彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置中所采用的機械接觸沖擊方式能夠會產(chǎn)生極高的沖擊載荷，且對于沖擊載荷的大小可以通過調(diào)節(jié)預緊力的方式來進行調(diào)節(jié)，可操作性較強。彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置中結構簡單，在彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置工作的過程中做好短螺桿和齒形的冷卻和潤滑將能夠極大地延長旋轉沖擊裝置的使用壽命，避免了頻繁起鉆、下鉆所帶來的問題。由于采用的是全機械接觸的形式，因此對于鉆井液并未有特殊的要求，便于操作。此外，此裝置所采用的短螺桿的扭矩較小，因此能夠適應各種類型的鉆壓和扭矩，能夠在多數(shù)鉆井現(xiàn)場中取得良好的應用。

4.彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置的沖擊性測試

測試時采用交流電機帶動此裝置中主軸旋轉并使用測力傳感器來對此裝置的沖擊載荷進行記錄測定的檢測方式。電機轉速為380r/min，當彈簧預緊力為2.4kN時能夠形成37Hz的沖擊頻率，沖擊載荷在29kN～33kN之間，滿足設計要求。

結語

通過對鉆井選擇沖擊裝置的原理及需求進行分析完成了對于彈簧蓄能激發(fā)式旋轉沖擊鉆井裝置的結構設計，并通過模擬測算完成對于裝置的優(yōu)化，確保此裝置的可用性和適用性。

參考文獻

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