新型閥式液動沖擊器設計研究

何勇

【摘 要】當前，油氣鉆井領域可采用沖旋鉆頭作用于復雜難鉆地層，但沖旋鉆頭因沖擊切削齒易失效、能量利效率低等缺點而導致其破巖效率相對較低，其主要原因在于配套的沖擊器設計或選型不當。本文開展了配套沖旋鉆頭工具（即新型閥式液動沖擊器）結構設計研究，為提高鉆井效率提供一定的參考。

【關鍵詞】鉆井；閥式；液動沖機器

一、引言

旋沖鉆井技術是在常規(guī)鉆井的基礎上，將旋轉和沖擊結合起來的鉆井方法，通過利用沖洗液驅動液動潛孔錘（簡稱液動沖擊器）對破碎巖石的鉆頭施加一定頻率的沖擊能量，也就是鉆頭上帶有沖擊負荷的鉆進，因此能有效提高深部地層硬巖的破巖效率，井身質量較高[1][2]。

液動沖擊器是旋沖鉆頭的心臟部件，其質量優(yōu)劣，直接影響著鉆孔速度和鉆孔成本。液動沖擊器具有較強的應用性且使用方便、設備投入少、能量利用率高、壽命短等特點。對沖擊器原理和結構的設計研究，將有益于提高難鉆地層的鉆井效率、降低鉆井成本。液動沖擊器是以液力為驅動介質，按照作用力方向分為周向沖擊器和沿軸向沖擊器。按照工作原理液動沖擊器可分為閥式正作用、閥式反作用、射流式等形式。這些沖擊器的主要結構包括換向機構及能量傳遞機構等。

二、新型閥式液動沖擊器設計

1、整體方案設計

液動沖擊器的設計應該滿足要求為：①滿足工作原理的前提條件下，結構簡單，且加工、裝拆、操作和維修方便；②工作性能穩(wěn)定可靠，液流能量利用率高；③關鍵零部件有較長的使用壽命；④合理設計防空打機構等。設計方案如圖3所示。

2、工作原理

新型閥式液動沖擊器的工作原理可結合圖1說明。鉆進工作開始前，工具處于防空打狀態(tài)；當鉆頭逐漸接觸井底過程時，工具逐漸開始工作直至正常工作狀態(tài)。液動沖擊器工作伊始，上閥和沖錘在重力作用下均位于各自行程的最下端，鉆井液能順利流入井底，此時液動沖擊器不工作相當于普通鉆桿。當鉆頭接觸井底后，沖頭將推動傳力桿、砧體和活塞（沖錘）上行，由于流體通道被封閉或節(jié)流環(huán)開始節(jié)流，則沖擊器開始工作。鉆井液從沖擊器上端進入，經上閥流入沖錘內部通道，由于節(jié)流環(huán)的通孔面積很小，則鉆井液在沖錘的下腔堆積，壓力逐漸增大；由于上閥和沖錘下端有效承壓面積均大于上端有效承壓面積，所以在壓力差的作用下，上閥和沖錘克服阻力上行，直至行程最上端。當沖錘上行與上閥接觸瞬間，流體通道被阻斷而將產生水錘作用，此時水擊壓力迫使上閥和沖錘以較大的加速度向下沖擊。當上閥受到限位彈簧作用而與沖錘分離，直至減速為零，在液體壓力的作用下又返回至最上端等待沖錘的回程；而沖錘與上閥分離后，經過自由行程稍許的減速作用后，并以一定的速度沖擊砧體，此時則完成一個工作循環(huán)。沖錘處于最下端，節(jié)流環(huán)的節(jié)流作用增大，沖錘在液體壓力的作用下，又開始一下個循環(huán)，如此往復。

3、結構特點

沖擊器內部沖錘運動的沖程和回程都是靠高壓流體推動的。相比于其他結構形式的液動沖擊器，本結構零部件少，原理可行；符合需求的沖擊功不大，所以沖擊器布置空間小，內部壓耗低。此外，部分零件的結構及特點如下：

（1）“活動式”節(jié)流環(huán)

節(jié)流環(huán)固結在沖錘下端。工作過程中當沖錘與砧體接觸時，節(jié)流環(huán)才起節(jié)流作用，所以鉆井液能量在沖擊器內部損失?。▔航敌。?，且鉆進液大部分時間都處于導通狀態(tài)，避免稍長時間斷流而出現(xiàn)燒鉆現(xiàn)象。

（2）碟簧和閥簧

如圖5所示，結構中加入蝶形彈簧組和普通彈簧，具體為：碟簧軸向裝配在上閥的上部，閥簧軸向裝配在上閥中部的軸肩位置。

三、小結

射流式液動沖擊器結構雖簡單，但射流元件壽命短；內部流道多，鉆井液壓降大。在深部硬巖層鉆進過程中，如果鉆進液在沖擊器中能量損失過大，則鉆井液到達井底鉆頭液壓較小，清洗鉆頭、運移巖屑的能力將下降。正作用和反作用式液動沖擊器結構雖簡單，零部件少，但存在易損的彈簧零件。在頻繁的工作條件下，彈簧容易產生磨損和疲勞損壞[3][4][5]。因此，通過與其他閥式沖擊器結構的對比，本文創(chuàng)新性提出的新型閥式液動沖擊器，結構簡單，安全可靠，能有效提高鉆井效率，后續(xù)可制造加工出實物，開展相應試驗研究。

【參考文獻】

[1]袁新梅.孫起昱.王愛芳等.旋沖鉆井技術及裝備的發(fā)展現(xiàn)狀和展望[J].石油礦場機械，2007，36（3）：7-10.

[2]賈濤.徐丙貴.李梅等.鉆井用液動沖擊器技術研究進展及應用對比[J].石油礦場機械，2012，41（12）：83-87.

[3]代常友.石永泉.李酉等.閥式正作用液壓沖擊器的沖擊功和沖擊頻率[J].煤礦機械，2006，27（10）：35-38.

[4]趙洪激.董家梅.閥式反作用液動沖擊器參數(shù)計算及性能分析[J]. 中國海上油氣.工程，1995，03：21-26+5-7.

[5]楊順輝.液動射流式沖擊器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].石油機械，2009，37（2）：73-76.