YDC型閥式雙作用液動(dòng)錘沖擊性能優(yōu)化

黃雪琴 胡 貴 孟慶昆 鄭曉峰

中國石油勘探開發(fā)研究院

隨著油氣資源消耗的日益增長，全球油氣資源勘探開發(fā)從淺層逐步向深層、超深層發(fā)展[1-3]。深部地層巖性復(fù)雜，巖石強(qiáng)度高、硬度大、研磨性強(qiáng)、可鉆性差，給鉆井工程帶來極大的挑戰(zhàn)[4-5]。沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井是在傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)基礎(chǔ)上，將沖擊破巖和旋轉(zhuǎn)切削結(jié)合起來的一種鉆井方法，具有大幅提高硬巖地層鉆進(jìn)速度、防止井斜、延長鉆頭壽命等優(yōu)點(diǎn)[6-13]，是解決硬地層鉆進(jìn)難題的有效方法之一。液動(dòng)錘是沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)的核心工具之一，按照沖錘往復(fù)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式可分為正作用式、反作用式及雙作用式。雙作用式又可分為閥式、射流式和射吸式[14]。前人對(duì)適用于油氣鉆井的液動(dòng)錘做了大量研究，總體看多選用沖錘上下行均由壓差驅(qū)動(dòng)的閥式雙作用液動(dòng)錘[15-20]，但沖擊功率不高，大排量條件下使用壽命短，閥式雙作用液動(dòng)錘總體處于試驗(yàn)研究階段，尚未推廣應(yīng)用。新型閥式雙作用液動(dòng)錘（以下簡稱YDC型液動(dòng)錘）是一種適用于油氣鉆井用的液動(dòng)錘，因其內(nèi)部壓力匹配關(guān)系復(fù)雜，沖擊性能的影響因素多[21-23]，依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)的方法難以找到各種因素的最佳匹配關(guān)系。因此，建立了YDC型液動(dòng)錘工作的動(dòng)力學(xué)模型，開發(fā)軟件程序，通過分析揭示了其運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律，以期為YDC型液動(dòng)錘的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 YDC型液動(dòng)錘工作原理

YDC型液動(dòng)錘的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由上接頭、過濾器、節(jié)流嘴、閥芯、控制管、沖錘等組成。其工作原理如下：

YDC型液動(dòng)沖擊錘開始工作前，閥體和沖錘在各自重力作用下均位于各自行程最下端。從鉆井泵泵送來的高壓流體經(jīng)上接頭處流出過濾器后，分為3部分流體：一部分高壓流體經(jīng)過節(jié)流嘴節(jié)流后變?yōu)榈蛪毫黧w沖洗鉆頭，第二部分高壓流體進(jìn)入閥芯下腔推動(dòng)閥芯上行，第三部分高壓流體進(jìn)入沖錘的上腔使沖錘繼續(xù)保持在其行程最下端。當(dāng)閥芯上行至一定高度后，閥室與沖錘上腔通道連通，低壓流體流入沖錘上腔，此時(shí)沖錘上腔壓力低于下腔壓力，在壓力差作用下沖錘開始上行；當(dāng)沖錘上行至一定高度后，閥芯下腔流入低壓流體，閥芯在其上下腔壓力差作用下開始下行；當(dāng)閥芯繼續(xù)下行至一定位置時(shí)，沖錘上腔流入高壓流體，沖錘在其上下腔壓力差作用下開始下行；當(dāng)沖錘繼續(xù)下行至一定位置時(shí)，高壓流體流入閥芯下腔，閥芯在其上下腔壓力差作用下開始上行。這樣，一個(gè)工作回程與一個(gè)工作沖程即為一個(gè)工作周期，如此循環(huán)周而復(fù)始?？梢钥闯觯瑳_錘的工作沖程和工作回程均由液壓推動(dòng)，屬于雙作用式液動(dòng)錘。

與現(xiàn)有閥式雙作用液動(dòng)錘相比，YDC型液動(dòng)錘的結(jié)構(gòu)及制造工藝具有以下特點(diǎn)：

1）現(xiàn)有閥式雙作用液動(dòng)錘多設(shè)計(jì)有分流通孔，鉆井液排量大時(shí)分流通孔沖蝕嚴(yán)重。YDC型液動(dòng)錘采用中心排空通道設(shè)計(jì)，無分流通孔，能夠滿足油氣鉆井現(xiàn)場所用的大排量需求，解決了現(xiàn)有液動(dòng)錘工作排量與鉆井現(xiàn)場所用排量不匹配的矛盾。

2）現(xiàn)有閥式雙作用液動(dòng)錘一般有3個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，YDC型液動(dòng)錘只有閥芯和沖錘兩個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，可提高液動(dòng)錘的工作可靠性。

3）YDC型液動(dòng)錘僅有六道靜密封，無動(dòng)密封，大大提高了密封可靠性。

4）活塞是運(yùn)動(dòng)部件，在含固相鉆井液的高速?zèng)_刷下，活塞表面易被沖蝕。因此，活塞表面采用高抗磨熱處理工藝，耐沖蝕能力得到改善，能夠適應(yīng)油氣鉆井用鉆井液固相含量高的特點(diǎn)。

2 受力分析

2.1 閥芯受力分析

YDC型液動(dòng)錘閥芯受力示意圖如圖2所示。

2.1.1 閥芯重力（G閥）

圖1 YDC型液動(dòng)錘結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 閥芯受力分析示意圖

式中m閥表示閥芯質(zhì)量，kg；g表示重力加速度，m/s2。

2.1.2 閥芯上端面液體壓力（p閥2）

流體從閥芯上端面流至沖錘下端面的沿程壓力損失和局部壓力損失之和為[24]：

式中Δp表示沿程壓力損失與局部壓力損失之和，Pa；ρ液表示鉆井液密度，kg/m3；hf、hj1、hj2分別表示沿程水頭損失、管路突然擴(kuò)大處、管路突然縮小處的局部水頭損失，m。

在液動(dòng)錘的運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，閥芯上端面一直與低壓流體連通，閥芯上端面液體壓力為：

式中p錘3表示沖錘下端面液體壓力，Pa。

2.1.3 閥芯上腔液體壓力（p閥1）

節(jié)流嘴壓降為：

式中Δp節(jié)表示節(jié)流嘴壓降，Pa；Q1表示進(jìn)入節(jié)流嘴的排量，m3/s；Cd表示流量系數(shù)，無因次；d節(jié)表示節(jié)流嘴直徑，m。

在液動(dòng)錘的運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，閥芯上腔一直與高壓流體連通，閥芯上腔液體壓力為：

2.1.4 閥芯下腔液體壓力（p閥3）

當(dāng)閥芯下腔流入高壓流體時(shí)，閥芯上行，閥芯下腔液體壓力為：

當(dāng)閥芯下腔流入低壓流體時(shí)，閥芯下行，閥芯下腔液體壓力為：

2.1.5 閥芯下端面液體壓力（p閥4）

在液動(dòng)錘的運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，閥芯下端面一直與低壓流體連通，閥芯下端面液體壓力為：

2.2 沖錘受力分析

YDC型液動(dòng)錘沖錘受力示意圖如圖3所示。

圖3 沖錘受力分析示意圖

2.2.1 沖錘重力（G錘）

式中m錘表示沖錘質(zhì)量，kg；g表示重力加速度，m/s2。

2.2.2 沖錘下端面液體壓力（p錘3）

與液動(dòng)沖擊錘配合使用的鉆頭水眼直徑較大，鉆頭壓降較小。因此，沖錘下端面壓力近似認(rèn)為是沖錘下端面處的靜液壓力。

式中h表示液動(dòng)錘所處的井深，m。

2.2.3 沖錘上腔液體壓力（p錘1）

當(dāng)沖錘上腔流入高壓流體時(shí)，沖錘下行，沖錘上腔液體壓力為：

當(dāng)沖錘上腔流入低壓流體時(shí)，沖錘上行，沖錘上腔液體壓力為：

2.2.4 沖錘下腔液體壓力（p錘2）

在液動(dòng)錘的運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，沖錘下腔一直與高壓流體連通。即

以上各式沿程壓力損失與局部壓力損失之和Δp可用公式（2）計(jì)算，節(jié)流嘴壓降Δp節(jié)可用公式（4）計(jì)算。

3 動(dòng)力學(xué)模型

3.1 工作階段劃分

閥芯和沖錘協(xié)同運(yùn)動(dòng)，壓力匹配關(guān)系復(fù)雜。根據(jù)YDC型液動(dòng)錘工作機(jī)理，將液動(dòng)錘運(yùn)動(dòng)周期劃分為7個(gè)工作階段，每個(gè)工作階段閥芯和沖錘的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如表1所示。低壓流體指經(jīng)節(jié)流嘴節(jié)流后的流體，高壓流體指未經(jīng)節(jié)流嘴節(jié)流的流體。

表1 閥芯和沖錘各階段運(yùn)動(dòng)狀態(tài)表

3.2 閥芯動(dòng)力學(xué)模型

3.2.1 閥芯回程上行階段加速度方程

3.2.2 閥芯沖程下行階段加速度方程

式中d2x/dt2表示閥芯瞬時(shí)加速度， m/s2；m閥表示閥芯質(zhì)量，kg；A閥1表示閥芯上腔有效作用面積，m2；A閥2表示閥芯上端面有效作用面積，m2；A閥3表示閥芯下腔有效作用面積，m2；A閥4表示閥芯下端面有效作用面積，m2。

3.3 沖錘動(dòng)力學(xué)模型

3.3.1 沖錘回程上行階段加速度方程

3.3.2 沖錘沖程下行階段加速度方程

式中d2x/dt2表示沖錘瞬時(shí)加速度，m/s2；A錘1表示沖錘上腔有效作用面積，m2；A錘2表示沖錘下腔有效作用面積，m2；A錘3表示沖錘下端面有效作用面積，m2。

根據(jù)上述計(jì)算得到的閥芯和沖錘瞬時(shí)加速度，代入速度方程和位移方程，計(jì)算出每一時(shí)間步長的末速度和終點(diǎn)位移。

速度方程：

式中dx/dt表示閥芯或沖錘在每一時(shí)間步長上的末速度，m/s；v0表示閥芯或沖錘在每一時(shí)間步長上的初速度，m/s；a表示加速度，m2/s；Δt表示時(shí)間步長，s。

位移方程：

式中x表示閥芯或沖錘在每一時(shí)間步長終點(diǎn)的位移，m；x0表示閥芯或沖錘在每一時(shí)間步長起點(diǎn)的位移，m。

4 計(jì)算機(jī)模擬仿真

根據(jù)所建立的液動(dòng)錘動(dòng)力學(xué)模型，利用有限差分原理，基于Matlab軟件平臺(tái)，編制了液動(dòng)錘性能參數(shù)的仿真計(jì)算程序。液動(dòng)錘的性能參數(shù)主要有單次沖擊功、沖擊頻率和沖擊功率，計(jì)算公式如下。

4.1 單次沖擊功

式中E表示單次沖擊功，J；m錘表示沖錘質(zhì)量，kg；v表示沖錘沖擊鉆頭時(shí)的速度，m/s。

4.2 沖擊頻率

式中f表示沖擊頻率，Hz；T表示沖擊錘運(yùn)動(dòng)周期，s。

4.3 沖擊功率

式中P功率表示沖擊功率，W。

為驗(yàn)證液動(dòng)錘性能仿真計(jì)算程序的可靠性，選取一套YDC型液動(dòng)錘進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，液動(dòng)錘結(jié)構(gòu)參數(shù)：液動(dòng)錘外徑為245 mm，沖錘質(zhì)量為90 kg，沖錘上下腔作用面積差為0.007 76 m2，閥芯質(zhì)量為12 kg。試驗(yàn)設(shè)備主要由試驗(yàn)臺(tái)架、供液系統(tǒng)、測控系統(tǒng)3部分組成，臺(tái)架試驗(yàn)現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 YDC型液動(dòng)錘臺(tái)架試驗(yàn)現(xiàn)場照片

YDC型液動(dòng)錘性能參數(shù)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果和程序計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表2所示。由表2可知，實(shí)測值與計(jì)算值誤差小于5%，結(jié)果吻合較好。因此，可以利用該計(jì)算程序來研究液動(dòng)錘的性能參數(shù)。

由表2計(jì)算結(jié)果可以看出，①隨著流量的增加或節(jié)流嘴直徑的減小，節(jié)流壓降增大，液動(dòng)錘的沖擊頻率、單次沖擊功及沖擊功率都呈增長趨勢；②隨著沖錘質(zhì)量的增大，沖錘加速度減小，因此沖擊頻率有所下降；但是沖錘質(zhì)量的增加仍使得單次沖擊功和沖擊功率呈增加趨勢；③隨著沖錘上下腔作用面積差的增大，單次沖擊功、沖擊頻率和沖擊功率均先增大后減小，意味著合理設(shè)計(jì)沖錘上下腔作用面積差，可使得回程上行阻力與沖程下行推力達(dá)到最佳耦合狀態(tài)；④隨著沖錘行程的增大，沖錘沖擊末速度增大，因此單次沖擊功呈增大趨勢；但是沖錘行程增大，導(dǎo)致沖錘運(yùn)動(dòng)周期變長，因此沖擊頻率呈下降趨勢；增大的單次沖擊功與減小的沖擊頻率的乘積，使得沖擊功率基本保持不變；⑤隨著閥芯質(zhì)量的增大，閥芯加速度減小，閥芯運(yùn)動(dòng)周期變長因此沖擊頻率下降；在沖錘受力不變的情況下，運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長沖擊末速度越大，因此單次沖擊功增加。

表2 YDC型液動(dòng)錘性能參數(shù)實(shí)測值與程序計(jì)算值對(duì)比表

利用仿真計(jì)算程序計(jì)算出各參數(shù)對(duì)液動(dòng)錘性能的影響規(guī)律如圖5所示。

為了確定各因素變化對(duì)液動(dòng)錘沖擊性能的綜合影響程度以及合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，借助正交試驗(yàn)進(jìn)一步分析多因素變化對(duì)沖擊錘性能的影響[25]。擬定了六因素（a排量、b節(jié)流嘴直徑、c沖錘質(zhì)量、d沖錘上下腔作用面積差、e沖錘行程、f閥芯質(zhì)量）五水平的正交試驗(yàn)方案如表3所示，選擇了L25(56)正交表安排了25組試驗(yàn)進(jìn)行分析，正交試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果如表4所示。

為了分析各參數(shù)對(duì)單次沖擊功和沖擊功率的影響程度，計(jì)算了各水平的單次沖擊功極差值和沖擊功率極差值，計(jì)算結(jié)果如表5、6所示。極差值越大，表明該因素對(duì)單次沖擊功和沖擊功率的影響越大。

由正交試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果可以看出：①單次沖擊功最大可達(dá)1 891.8 J，沖擊功率最大可達(dá)35.76 kW。單次沖擊功和沖擊功率最優(yōu)時(shí)的參數(shù)組合是a5b1c5d4e3f2（表3），即排量60 L/s，節(jié)流嘴直徑20 mm，沖錘質(zhì)量90 kg，沖錘上下腔作用面積差0.007 6 m2，沖錘行程50 mm，閥芯質(zhì)量 9 kg；②對(duì)單次沖擊功影響程度由大到小排序?yàn)椋号帕浚緵_錘上下腔作用面積差＞節(jié)流嘴直徑＞沖錘行程＞閥芯質(zhì)量＞沖錘質(zhì)量；③對(duì)沖擊功率影響程度由大到小排序?yàn)椋号帕浚緵_錘上下腔作用面積差＞節(jié)流嘴直徑＞閥芯質(zhì)量＞沖錘行程＞沖錘質(zhì)量。

圖5 各參數(shù)變化對(duì)液動(dòng)錘沖擊性能的影響規(guī)律圖

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案表

5 結(jié)論

1）通過研究YDC型液動(dòng)錘的工作機(jī)理，將液動(dòng)錘的工作周期劃分為7個(gè)運(yùn)動(dòng)階段，分析了運(yùn)動(dòng)部件閥芯和沖錘的受力情況，建立了閥芯和沖錘的動(dòng)力學(xué)模型。

2）基于Matlab軟件平臺(tái)，編制了YDC型液動(dòng)錘優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，計(jì)算得到流體參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)液動(dòng)錘沖擊性能的影響規(guī)律。

3）正交試驗(yàn)得到了沖擊性能最佳的流體參數(shù)和

結(jié)構(gòu)參數(shù)的組合，并對(duì)各參數(shù)對(duì)沖擊性能綜合影響程度進(jìn)行排序，其中排量對(duì)單次沖擊功和沖擊功率的影響最大。

表4 正交試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果表

表5 以單次沖擊功為優(yōu)化目標(biāo)的參數(shù)影響程度計(jì)算結(jié)果表

表6 以沖擊功率為優(yōu)化目標(biāo)的參數(shù)影響程度計(jì)算結(jié)果表

4）排量對(duì)單次沖擊功和沖擊功率的影響程度最大，因此，在現(xiàn)有鉆井泵排量和泵壓條件下，通過改進(jìn)液動(dòng)錘的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)大的做功排量，可有效提高液動(dòng)錘的沖擊性能。

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