油氣鉆井用液動(dòng)錘優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

黃雪琴，孟慶昆，鄭曉峰，胡貴

1.中國(guó)石油勘探與生產(chǎn)工程監(jiān)督中心（北京100083）2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院（北京100083）

■工程技術(shù)

油氣鉆井用液動(dòng)錘優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

黃雪琴1，孟慶昆1，鄭曉峰1，胡貴2

1.中國(guó)石油勘探與生產(chǎn)工程監(jiān)督中心（北京100083）2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院（北京100083）

由于油氣鉆井井深較深、井眼尺寸較大、井下工況復(fù)雜，傳統(tǒng)液動(dòng)錘在油氣鉆井中應(yīng)用易出現(xiàn)提速效果不明顯、使用壽命短等問題。為此研制了大功率、長(zhǎng)壽命油氣鉆井用液動(dòng)錘。通過建立液動(dòng)錘的動(dòng)力學(xué)模型，編制液動(dòng)錘的性能參數(shù)仿真計(jì)算程序，設(shè)計(jì)出液動(dòng)錘的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。理論分析結(jié)果表明，液動(dòng)錘沖擊功率達(dá)10kW。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，液動(dòng)錘工作原理可行，沖擊功率與理論分析結(jié)果相符合。

油氣鉆進(jìn)；液動(dòng)錘；優(yōu)化設(shè)計(jì)；臺(tái)架試驗(yàn)

近年來隨著油氣資源勘探開發(fā)逐步走向深部復(fù)雜地層，鉆井破巖效率低的問題日益突出[1-2]。沖擊鉆井技術(shù)改變了常規(guī)的旋轉(zhuǎn)切削破巖方式，采用以縱向沖擊為主、回轉(zhuǎn)切削為輔的破巖方式，實(shí)現(xiàn)巖石體積破碎，從而能夠有效提高硬質(zhì)地層的破巖效率[3]。沖擊鉆井技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)出合適的沖擊鉆井工具。目前，沖擊鉆井工具主要有空氣錘、泡沫錘和液動(dòng)錘。空氣錘主要應(yīng)用于氣體鉆井中，鉆遇潮濕和出水地層時(shí)，容易造成鉆頭泥包，無法正常鉆進(jìn)[4]。盡管研制了適用于出水地層的泡沫錘[5-6]，但其只適用于氣體和泡沫鉆井介質(zhì)，無法在常規(guī)液相鉆井介質(zhì)中應(yīng)用。液動(dòng)錘適用于常規(guī)液相介質(zhì)的鉆井作業(yè)中，適用范圍比空氣錘、泡沫錘更廣。早期液動(dòng)錘主要應(yīng)用于淺層礦探行業(yè)[7-9]，20世紀(jì)90年代逐步在油氣鉆井行業(yè)試驗(yàn)[10-13]，但目前未見規(guī)模應(yīng)用報(bào)道。主要原因是傳統(tǒng)液動(dòng)錘沖擊功率較低，在油氣鉆井中應(yīng)用提速幅度有限，且使用壽命較短。因此，有必要研制出一種適用于油氣鉆井的新型液動(dòng)錘。

1 新型液動(dòng)錘結(jié)構(gòu)和工作原理

油氣井井深較深、井眼尺寸較大、井下工況復(fù)雜，相對(duì)于淺層礦探行業(yè)用液動(dòng)錘，油氣鉆井用液動(dòng)錘要求具有更大的沖擊功率、適應(yīng)更大的鉆井排量以及更好的作業(yè)穩(wěn)定性。針對(duì)該技術(shù)需求，研制了大沖擊功率、大排量、長(zhǎng)壽命的新型油氣鉆井用液動(dòng)錘。

1.1 基本結(jié)構(gòu)

新型油氣鉆井用液動(dòng)錘的基本結(jié)構(gòu)主要由鉆頭接頭、閥組件、承壓腔、阻尼裝置、活塞、節(jié)流裝置、擋塊、密封等部件組成。

1.2 工作原理

新型油氣鉆井用液動(dòng)錘的基本工作原理是基于雙作用式液動(dòng)錘，其工作沖程與反沖程均由液壓推動(dòng)，而不依賴彈簧的作用。高壓液流通過鉆柱進(jìn)入液動(dòng)錘的上接頭，進(jìn)入中心排空通道的液流分為3部分：通過高壓通道進(jìn)入下部環(huán)空；經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后進(jìn)入上部環(huán)空；其余液流經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后直接進(jìn)入井底攜巖。下部環(huán)空的流體壓力大于上部環(huán)空的流體壓力，活塞在流體壓力差推動(dòng)作用下向上運(yùn)動(dòng)，此為液動(dòng)錘的反沖程。當(dāng)活塞向上運(yùn)動(dòng)與固定閥接合時(shí)，中心排空通道被關(guān)閉，下部環(huán)空壓力下降，高壓液流作用在活塞承力部件上，在流體壓力和活塞自重的作用下，活塞向下運(yùn)動(dòng)沖擊鉆頭，此為液動(dòng)錘的工作沖程。這樣一個(gè)反沖程與一個(gè)工作沖程即為一個(gè)工作周期，如此循環(huán)周而復(fù)始。

1.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝方面的改進(jìn)，新型油氣鉆井用液動(dòng)錘具有以下特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)?；钊\(yùn)動(dòng)是依靠2個(gè)兩通液動(dòng)換向，而不是依靠彈簧，能增加活塞質(zhì)量，從而提高液動(dòng)錘的單次沖擊功；采用中心排空通道設(shè)計(jì)，無需旁通分流裝置，既能夠滿足油氣鉆井現(xiàn)場(chǎng)所用的大排量需求，又能減緩高壓液流對(duì)分流裝置的沖蝕作用，提高液動(dòng)錘的使用壽命；采用固定式單閥結(jié)構(gòu)，且閥件內(nèi)設(shè)置承壓腔和阻尼裝置，有利于提高閥件的穩(wěn)定性和使用壽命；整個(gè)液動(dòng)錘僅有6道靜密封，無動(dòng)密封，提高了液動(dòng)錘的密封性能；活塞表面采用高抗磨熱處理工藝，耐沖蝕性能得到改善。

2 新型液動(dòng)錘沖擊性能分析

2.1 液動(dòng)錘動(dòng)力學(xué)模型建立

為了研究液動(dòng)錘的運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)液動(dòng)錘的主要運(yùn)動(dòng)部件活塞進(jìn)行受力分析，建立活塞各個(gè)運(yùn)動(dòng)階段的動(dòng)力學(xué)模型。

2.1.1 受力分析

①活塞上腔流體壓力P1；②活塞下腔流體壓力P2；③活塞重力G；④水擊壓力P3[14]；⑤黏性阻力Fn[15]。

式中：m為活塞質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2。

式中：P3為水擊壓力，Pa；K1為折算系數(shù)，取0.85~0.9；ρ為流體密度，kg/m3；C為水擊波速，m/s；V1為流道內(nèi)流體速度，m/s；V2為活塞下行時(shí)的瞬時(shí)速度，m/s。

其中，水擊波速C的計(jì)算公式如下：

式中：Di為管道內(nèi)徑，m；e為管道壁厚，m；鋼制鉆桿中，一般取B=1 435m/s，M=0.01[3]。

式中：Cn為流體阻力系數(shù)。

2.1.2 動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)活塞受力分析，分別建立活塞上行程、下行程的動(dòng)力學(xué)模型，包括加速度微分方程、速度微分方程以及位移微分方程。

1）上行程動(dòng)力學(xué)模型

加速度微分方程：

2.2 液動(dòng)錘沖擊性能分析結(jié)果

根據(jù)以上液動(dòng)錘動(dòng)力學(xué)模型，編制了液動(dòng)錘性能參數(shù)的仿真計(jì)算程序。利用該仿真計(jì)算程序，設(shè)計(jì)出了性能最優(yōu)的液動(dòng)錘結(jié)構(gòu)參數(shù)的組合，如表1所示；計(jì)算出了該結(jié)構(gòu)參數(shù)的液動(dòng)錘特性曲線，如圖1所示。由圖1可以看出，液動(dòng)錘沖擊功率達(dá)10 kW。

式中：d dtx2為活塞瞬時(shí)加速度，m/s2；A1為活塞上端面面積，m2；A2為活塞下端面面積，m2；A3為活塞中心排空通道過流面積，m2。

速度微分方程：2

位移微分方程：

式中：x為活塞在每一時(shí)刻時(shí)間步長(zhǎng)終點(diǎn)的位移，m；x0為活塞在每一時(shí)間步長(zhǎng)起點(diǎn)的位移，m。

2）下行程動(dòng)力學(xué)模型

加速度微分方程：

速度微分方程：

位移微分方程：

表1 新型油氣鉆井用液動(dòng)錘技術(shù)參數(shù)

圖1 新型油氣鉆井用液動(dòng)錘特性曲線

3 臺(tái)架試驗(yàn)

臺(tái)架試驗(yàn)的目的為驗(yàn)證液動(dòng)錘工作原理的可行性；測(cè)試液動(dòng)錘的沖擊性能參數(shù)。

試驗(yàn)設(shè)備主要由試驗(yàn)臺(tái)架、供液系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)3部分組成。試驗(yàn)條件如表2所示。

表2 臺(tái)架試驗(yàn)條件

試驗(yàn)步驟：將連接管線，確保連接密封可靠；將液動(dòng)錘安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上；啟動(dòng)供液泵，逐步加大排量至液動(dòng)錘開始動(dòng)作，記錄排量和泵壓；當(dāng)達(dá)到額定泵壓時(shí)，關(guān)泵。

試驗(yàn)結(jié)果：液動(dòng)錘在大排量下工作正常，工作原理可行；液動(dòng)錘沖擊功率約9.6 kW，與理論計(jì)算相符合。

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)液動(dòng)錘應(yīng)用于油氣鉆井中存在的問題，研制了大功率、長(zhǎng)壽命新型油氣鉆井用液動(dòng)錘。通過建立液動(dòng)錘的動(dòng)力學(xué)模型，編制了液動(dòng)錘性能參數(shù)的仿真計(jì)算程序。理論分析結(jié)果表明，新型液動(dòng)錘的沖擊功率約10kW。通過臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證了新型油氣鉆井用液動(dòng)錘的工作原理是可行的，其沖擊功率與理論計(jì)算相符合。

[1]石林,汪海閣,紀(jì)國(guó)棟.中石油鉆井工程技術(shù)現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢(shì)[J].天然氣工業(yè),2013,33(10):1-10．

[2]汪海閣,王靈碧,紀(jì)國(guó)棟,等.國(guó)內(nèi)外鉆完井技術(shù)新發(fā)展[J].石油鉆采工藝,2013,35(5):1-12．

[3]王人杰,蔣榮慶,韓軍智.液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探[M].北京:地質(zhì)出版社,1988．

[4]胡貴，孟慶昆,王向東,等.泡沫鉆井用空氣錘工作性能研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2009,38(12):5-9．

[5]胡貴,孟慶昆,王向東,等.防流體倒灌的新型泡沫錘研制及其應(yīng)用[J].天然氣工業(yè),2014,34(7)：71-74．

[6]HU Gui,MENG Qingkun,LIU Xinyun,eal.Foam Hammers En?hanced the Performance of Hammer Drilling in PotentialWa?ter Formations[C]//paper SPE-176418-MS presented at SPE/IATMI Asia Pacific Oil&Gas Conference and Exhibi?tion,20-22 October 2015,Nusa Dua,ali,Indonesia.

[7]康豹成,張寶瑜.高頻ZF-56型沖擊器[J].探礦工程,1983,10 (5):15-17．

[8]高喜晨,侯貴明.TK系列正作用液動(dòng)沖擊器的應(yīng)用效果[J].地質(zhì)與勘探,1991,27(2):65-66．

[9]蘇長(zhǎng)壽,謝文衛(wèi),楊澤英,等.系列高效液動(dòng)錘的研究與應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,37(3):27-31．

[10]文平,陳波,雷巨鵬,等.液動(dòng)沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)在玉門青西油田的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè),2004,24(9):64-67．

[11]沈建中,賀慶,韋忠良,等.YSC-178型液動(dòng)射流沖擊器在旋沖鉆井中的應(yīng)用[J].石油機(jī)械,2011,39(6):52-54．

[12]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,1999,21(5):5-9,111．

[13]張漢林,拓伯民.CQS型旋沖鉆井工具的研制與試驗(yàn)[J].石油鉆探技術(shù),1995,23(4):47-49．

[14]張兆順,崔桂香.流體力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社, 1998.

[15]李博.閥式雙作用液動(dòng)沖擊器的仿真[D].北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué),2010.

Due to the large depth and large diameter of oil and gas well and the complex downhole condition,to use traditional hydraulic hammer for drilling oil and gas wells easily causes the problems that drilling speed increasing is not obvious and service life is short.For this purpose,a hydraulic hammer with high power and long life for oil and gas drilling is developed.The structural parameters of the hy?draulic hammer are designed through establishing the dynamic model of the hydraulic hammer and programming for calculating the per?formance parameters of the hydraulic hammer.The theoretical analysis shows that the impact power of the hydraulic hammer is up to 10kW.The bench test results show that the working principle of the hydraulic hammer is feasible,and the test impact power is consis?tent with the theoretical analysis result.

oil and gas drilling;hydraulic hammer;optimum design;bench test

尉立崗

2017-04-08

黃雪琴（1984-），女，在讀博士研究生，現(xiàn)主要從事油氣井井下提速工具的研究工作。