新型渦輪扭力沖擊器的試驗(yàn)研究

李小洋， 李 寬， 張永勤， 梁 健， 吳紀(jì)修， 王志剛

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

0 引言

扭力沖擊器屬于液動沖擊器的一種，主要依靠扭力沖擊來實(shí)現(xiàn)高頻率的沖擊鉆進(jìn)[1-2]。將鉆井液的能量轉(zhuǎn)換為扭向的、高頻的、均勻穩(wěn)定的機(jī)械沖擊能量傳遞給鉆頭，大幅度提高剪切效率，改變PDC鉆頭的碎巖方式，同時(shí)扭力沖擊器提供的沖擊扭力，還能有效降低鉆具的粘滑振動，大幅提高了鉆進(jìn)速度，延長了鉆頭壽命[3-6]。

目前國外阿特拉公司生產(chǎn)的扭力沖擊器已經(jīng)在石油鉆井中廣泛應(yīng)用，形成了5、6.5、8和10in(1 in=25.4 mm)等口徑系列，且需配備專門的PDC鉆頭[7]。近幾年國內(nèi)的勝利油田鉆井研究院、西南石油大學(xué)及中國石油大學(xué)(華東)等機(jī)構(gòu)都對扭力沖擊鉆具進(jìn)行了相關(guān)研究，并在多個(gè)鉆井中進(jìn)行了野外鉆進(jìn)試驗(yàn)，取得了一定的研究成果[8]。勝利油田鉆井研究院研制出了SLTIT和SLBF-TIT扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井提速工具，先后在勝利油田高890-24井、濱660-6井、樁23-17井等進(jìn)行了試驗(yàn)，下井最長時(shí)間為122 h，平均機(jī)械鉆速提高50%～70%[9]。西南石油大學(xué)設(shè)計(jì)發(fā)明了一種扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具，通過扭沖工具內(nèi)部的傳動軸將渦輪的轉(zhuǎn)動傳遞給棘輪機(jī)構(gòu)，棘輪機(jī)構(gòu)的撞擊砧塊不斷地撞擊承撞砧塊，從而形成了脈沖扭矩[10]。中國石油大學(xué)(華東)發(fā)明了一種渦輪扭轉(zhuǎn)沖擊發(fā)生器，通過渦輪帶動定軸旋轉(zhuǎn)，定軸通過花鍵帶動傳動套旋轉(zhuǎn)，傳動套撥動沖擊爪，沖擊爪帶動沖擊架高速旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過程中沖擊爪和傳動套作用并周期性地沖擊傳動軸，形成高頻扭轉(zhuǎn)沖擊，傳動軸將獲得的高頻沖擊能量傳遞到鉆頭套筒上，鉆頭套筒帶動鉆頭脈動的沖擊地層巖石，從而實(shí)現(xiàn)高頻扭轉(zhuǎn)沖擊[11]。溫州加達(dá)機(jī)械制造有限公司設(shè)計(jì)了石油鉆井三維震動破巖裝置，利用鉆井液為動力，驅(qū)動旋沖錘、重錘，產(chǎn)生一定頻率的橫向、縱向沖擊力，為PDC鉆頭提供一種三維動作沖擊的功效，輔助鉆頭破巖，提高鉆頭破巖能力[12]。

扭力沖擊器作為一種高效的井底提速鉆具已經(jīng)在石油行業(yè)得到了廣泛的推廣應(yīng)用，但是成熟的技術(shù)都掌握在國外公司手中,技術(shù)服務(wù)價(jià)格高昂[13-14]。目前國內(nèi)研制的扭力沖擊器在使用壽命、工程化應(yīng)用方面與國外相比還有欠缺，需要開展進(jìn)一步的深入研究。在塔里木、玉門、酒泉等石油鉆井中曾租用了阿特拉公司的扭力沖擊器，和螺桿鉆具相比，在相同層段的純鉆進(jìn)效率提速明顯，提高了約70%～150%，且PDC鉆頭的磨損要小得多[15]。此外扭力沖擊器為全金屬結(jié)構(gòu)，耐高溫性能突出，對深孔、超深孔的高溫環(huán)境有很好的適應(yīng)性[16]，并且扭轉(zhuǎn)沖擊在消除粘滑振動的同時(shí)，增強(qiáng)了PDC鉆頭的剪切碎巖效果。因此，針對深孔、特深孔鉆探面臨的高溫和鉆進(jìn)效率低等難題，扭力沖擊器作為一種高效的井底提速增效鉆具，對其開展深入研究還是很有必要的。

1 新型扭力沖擊器的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)及要求

為了進(jìn)一步提高扭力沖擊器的實(shí)用性，其設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)滿足以下要求：

(1)抗高溫能力不低于230 ℃，在鉆具設(shè)計(jì)中不使用橡膠等耐高溫能力差的材料；

(2)使用壽命達(dá)到170～180 h，減少提下鉆維修次數(shù)；

(3)沖擊次數(shù)達(dá)到200～500次/min，在鉆具設(shè)計(jì)中避免使用電子元器件等抗震性較差的零部件；

(4)單次沖擊扭向力450～950 N·m，采用抗沖擊韌性較好的復(fù)合片鉆頭，增強(qiáng)碎巖效果的同時(shí)，減少PDC崩齒的發(fā)生。

1.2 扭力沖擊器工作原理

設(shè)計(jì)的鉆具總長為1800 mm，PDC鉆頭外徑為152 mm，研制的扭力沖擊器(見圖1)通過渦輪組帶動沖擊組件實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)沖擊，所需鉆井液流量為15 L/s，鉆井液壓力降為0.7 MPa。扭力沖擊器主要包括內(nèi)管總成和外管總成。外管總成上端與鉆桿連接，在外管總成的下端連接鉆頭；內(nèi)管總成套裝在外管總成內(nèi)部，從上至下依次設(shè)置渦輪組件、萬向節(jié)、減速器、柔性連接部分和扭轉(zhuǎn)沖擊組件；渦輪組件通過鉆井液帶動產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，最終帶動扭轉(zhuǎn)沖擊組件產(chǎn)生周向沖擊，通過外管將沖擊力傳遞到鉆頭上，實(shí)現(xiàn)鉆頭的沖擊-剪切碎巖。其中扭轉(zhuǎn)沖擊組件包括沖擊軸、沖擊塊和承沖管。安裝在沖擊軸上的沖擊塊，在偏心沖擊軸的作用下周期性地撞擊承沖管內(nèi)部的凸臺，并通過彈簧快速復(fù)位，從而實(shí)現(xiàn)了高頻沖擊的目的。

圖1扭力沖擊器結(jié)構(gòu)示意

Fig.1Structrue of the torsional impactor

1.3 扭力沖擊器沖擊扭矩計(jì)算

在扭轉(zhuǎn)沖擊組作碰撞運(yùn)動時(shí)，渦輪組件帶動沖擊塊撞擊沖擊管上的砧子，沖擊頻率為4～5 Hz，轉(zhuǎn)換成角速度為25.133～31.415 rad/s，碰撞時(shí)間約為0.5×10-3s。沖擊塊的轉(zhuǎn)動慣量為12.96×10-3kg·m2，則沖擊時(shí)瞬間扭矩可通過下式計(jì)算。

式中：T——沖擊扭力，N·m；J——轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；Δω——角速度變化量，rad/s；Δt——碰撞時(shí)間，s。

根據(jù)上式計(jì)算得出，單次沖擊扭拒為651.45～814.28 N·m，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2 扭力沖擊器沖擊性能測試

2.1 試驗(yàn)臺搭建

為了滿足扭力沖擊器性能測試，搭建了渦輪扭力沖擊器水力性能測試平臺，主要由離心泵、蓄水池、吸水管、高壓膠管、扭力沖擊器及夾具和排水管組成。由于試驗(yàn)條件有限，選配了大功率的離心泵代替泥漿泵，模擬泥漿泵的工況，為扭力沖擊器提供所需的流量和壓力。根據(jù)?127 mm規(guī)格渦輪組所需的流量和壓力參數(shù)，離心泵的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足：流量≮15 L/s，揚(yáng)程≮70 m。配備的ISW80-50-315型離心泵技術(shù)指標(biāo)為：流量16.7 L/s，揚(yáng)程123 m，轉(zhuǎn)速2900 r/min，功率35 kW，效率80%。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

用高壓軟管將離心泵和扭力沖擊器連接起來，通過離心泵的吸水管將清水輸送到?jīng)_擊器中，帶動渦輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)一步帶動沖擊器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)沖擊，現(xiàn)場測試見圖2。通過多次調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了沖擊功能。由于現(xiàn)場噪聲太大，為了測量實(shí)際的沖擊頻率，在筆記本電腦上安裝了聲頻分析軟件對試驗(yàn)產(chǎn)生的沖擊聲音進(jìn)行錄音，然后通過聲波的波峰來計(jì)算沖擊次數(shù)(見圖3)。經(jīng)過計(jì)算，沖擊頻率為4～5 Hz,即為240～300次/min。

圖2 沖擊性能測試

由于離心泵的流量較大，導(dǎo)致渦輪組的轉(zhuǎn)速較高，在1200～1300 r/min，因此在渦輪組件和沖擊器之間增加了一個(gè)減速器，減速比為1∶4，為了減少沖擊振動對減速器的影響，在減速器和沖擊器之間通過扭簧進(jìn)行柔性連接。經(jīng)過多次試驗(yàn)調(diào)整后，渦輪扭力沖擊器實(shí)現(xiàn)了正常沖擊，但沖擊了較短的一段時(shí)間后，卡死。拆開扭力沖擊器之后發(fā)現(xiàn)，扭簧損壞嚴(yán)重且沖擊器的上連接軸也被扭斷(見圖4)。連接軸的直徑為18 mm，通過平鍵與傳扭接頭連接。通過分析得出以下結(jié)論：

(1)沖擊器產(chǎn)生的扭矩較大，能夠滿足鉆進(jìn)碎巖要求。但在沖擊器的材料選擇和熱處理方面需要進(jìn)行更深一步的研究，同時(shí)需要選配更合適的柔性連接部件。

(2)由于離心泵的流量和壓力不穩(wěn)定，造成渦輪組轉(zhuǎn)速有較大幅度的變化，最終導(dǎo)致沖擊器的沖擊次數(shù)和沖擊扭矩也跟著變化。

3 結(jié)論及展望

(1)完成了1套扭力沖擊器的樣機(jī)加工試制，并搭建了試驗(yàn)平臺，通過測試表明扭力沖擊器的設(shè)計(jì)原理是可行的，沖擊頻率為4～5 Hz，單次沖擊扭力為651.45～814.28 N·m。

(2)在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，離心泵的流量和揚(yáng)程會出現(xiàn)較大的波動，導(dǎo)致扭力沖擊器的沖擊頻率和沖擊力也跟著變化。下一步計(jì)劃采用大流量的泥漿泵進(jìn)行測試，可以給渦輪組提供穩(wěn)定的流量和壓力，穩(wěn)定流量不低于900 L/min。

(3)在試驗(yàn)中，出現(xiàn)了沖擊軸上端與減速器連接的地方斷裂以及扭簧損壞的情況，下一步需要在沖擊器關(guān)鍵部件的材料選擇和熱處理方面進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)優(yōu)化沖擊組件的撞擊方式，將沖擊頻率提高到7～10 Hz，為下井試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。

(4)研制的渦輪扭力沖擊器耐高溫性能突出，同時(shí)其扭向沖擊提高了鉆頭碎巖效率，能夠?yàn)樘厣羁住⒏蔁釒r鉆井提供一種很好的提速增效方法。