自循環(huán)水平往返沖擊工作原理的研究

陳英杰，樊 軍，董 平，劉福德

（新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047）

1 引言

石油資源對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全舉足輕重，伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，石油資源已經(jīng)成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。隨著對(duì)油井的開(kāi)發(fā)，深井、超深井以及所遇到的硬質(zhì)地層越來(lái)越多。鉆頭的破巖效率隨著巖石強(qiáng)度的增加而不斷的降低，此時(shí)常規(guī)沖旋鉆井技術(shù)表現(xiàn)差強(qiáng)人意。為了解決上述的鉆井問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)的主流解決辦法是給鉆頭施加一個(gè)額外的垂直撞擊作用，但是這種方法容易導(dǎo)致粘滑振動(dòng)現(xiàn)象加劇。而粘滑振動(dòng)是造成各種鉆井問(wèn)題（如：過(guò)度的鉆頭磨損、早期鉆具失效及鉆頭破巖效率低下等）的一個(gè)主要原因。廣大國(guó)內(nèi)外科研人員針對(duì)這一問(wèn)題開(kāi)展了許多研究，如文獻(xiàn)[1]借助計(jì)算機(jī)詳細(xì)分析描述了鉆桿在粘滑振動(dòng)時(shí)的狀態(tài)特征；文獻(xiàn)[2]對(duì)鉆頭的工作過(guò)程進(jìn)行了數(shù)字化建模，分析了鉆頭轉(zhuǎn)速與鉆頭處扭矩之間的關(guān)系；文獻(xiàn)[3-4]對(duì)鉆桿在大位移井中的粘滑振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[5-6]對(duì)沖擊地層中出現(xiàn)的粘滑失穩(wěn)現(xiàn)象的原因進(jìn)行了詳細(xì)的分析，通過(guò)研究表明旋轉(zhuǎn)和水平?jīng)_擊相結(jié)合的鉆井方法可有效地避免粘滑振動(dòng)問(wèn)題。Ulterra公司的TorkBuster沖擊器可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和水平?jīng)_擊相結(jié)合的鉆井方法，但是該沖擊器的工作原理及運(yùn)動(dòng)特性尚未公開(kāi)。因此對(duì)水平往返沖擊的工作原理和運(yùn)動(dòng)特性的研究對(duì)于我國(guó)水平扭力沖擊器的研究和設(shè)計(jì)有重大的意義。

文獻(xiàn)[7]建立了液動(dòng)射流式?jīng)_擊器活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[8]建立了液動(dòng)錘內(nèi)部動(dòng)力學(xué)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[9]在建立動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)之上研究了沖擊器的工作狀態(tài)。文獻(xiàn)[10]運(yùn)用流體力學(xué)理論建立了液動(dòng)沖擊器工作動(dòng)力學(xué)模型。文獻(xiàn)[11]對(duì)射流式液動(dòng)錘高壓腔內(nèi)部液體動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行研究文獻(xiàn)[12]對(duì)沖旋鉆井過(guò)程中波形與能量傳遞效率之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。近年來(lái)對(duì)鉆井輔助裝置的研究一直在持續(xù)進(jìn)行，但是針對(duì)技術(shù)更為先進(jìn)，鉆井效率更高的水平扭力沖擊裝置所開(kāi)展的研究比較少見(jiàn)。

提出了利用鉆井液進(jìn)行自循環(huán)水平往返沖擊運(yùn)動(dòng)的工作原理。并在水平往返沖擊運(yùn)動(dòng)的不同階段，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和受力分析，求出了自循環(huán)水平往返沖擊運(yùn)動(dòng)的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式，建立了啟動(dòng)與往返運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型?；谠撃Ｐ头抡嬗?jì)算得到了往返沖擊模型各運(yùn)動(dòng)部件加速度、速度、位移在不同工作壓力下隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。通過(guò)建立室內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行室內(nèi)沖擊器試驗(yàn)，獲得了壓力與沖擊部件速度、位移之間的關(guān)系數(shù)據(jù)，與計(jì)算仿真結(jié)果進(jìn)行吻合較好，證明了研究的正確性和合理性，為改進(jìn)和設(shè)計(jì)水平旋沖射流沖擊器提供了理論根據(jù)。

2 結(jié)構(gòu)及工作原理

自循環(huán)水平往返水平?jīng)_擊的動(dòng)力來(lái)自鉆井液，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示射流孔與射流發(fā)生器（簡(jiǎn)圖中沒(méi)有顯示）鏈接。模型運(yùn)動(dòng)可以作以下劃分；假設(shè)模型初始狀態(tài)，如圖1所示。則工作介質(zhì)經(jīng)高壓孔進(jìn)入啟動(dòng)倉(cāng)8右側(cè)空腔，推動(dòng)啟動(dòng)倉(cāng)8向右運(yùn)動(dòng)，直至撞擊液動(dòng)錘7此時(shí)狀態(tài)，如圖1（b）所示，該階段稱(chēng)為啟動(dòng)階段。爾后啟動(dòng)倉(cāng)8及液動(dòng)錘7一起向右運(yùn)動(dòng)，行程末端擠壓錘座右側(cè)空腔內(nèi)的鉆井液，迫使鉆井液進(jìn)入射流元件，并使射流元件產(chǎn)生穩(wěn)定的附壁，此時(shí)狀態(tài)，如圖1（c）所示，該階段稱(chēng)為沖擊階段。由于射流元件的附壁效應(yīng)，使其產(chǎn)生反方向的高壓射流，迫使工作介質(zhì)驅(qū)動(dòng)液動(dòng)錘反向運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，通過(guò)高壓孔的鉆井液驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)倉(cāng)8同步反向移動(dòng)，此時(shí)狀態(tài)，如圖1（d）所示，該階段稱(chēng)為撞擊工作階段。此時(shí)射流介入，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)重新回到圖1（a）所示的狀態(tài)。該工作模型除去液動(dòng)塊與啟動(dòng)倉(cāng)外無(wú)其他運(yùn)動(dòng)部件，沒(méi)有彈簧、配水閥等易損零件，充分保證該模型的使用壽命。

3 受力及動(dòng)力學(xué)分析

3.1啟動(dòng)階段

啟動(dòng)階段的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，如圖2所示。啟動(dòng)倉(cāng)右腔受到的工作壓力p1沿程壓力損失ΔP1表示為：

式中：p—泵壓，Pa；Δp—壓力損失（包含沿程壓力損失與局部壓力

式中：S1—高壓入口橫截面積，m2；A2—啟動(dòng)倉(cāng)右腔受力面積，m2；γ—流體的重度，N/m3；g—重力加速度，N/kg；A1—為啟動(dòng)倉(cāng)左腔受力面積，m2；S2—泄流道橫截面積，m2；v1—啟動(dòng)倉(cāng)瞬時(shí)速度，m/s；ζ—泄流道處的局部壓力損失系數(shù)。摩擦阻力（僅計(jì)算的密封阻力其他省略）和粘性阻力分別為：

式中：A0—啟動(dòng)錘密封圈工作面積，m2；μ0—啟動(dòng)錘密封阻力系數(shù)；p0—啟動(dòng)錘密封圈工作壓力，Pa；S0—啟動(dòng)錘密封面積，m2；μ—流體的絕對(duì)黏度，Pa·s；r—啟動(dòng)錘與啟動(dòng)倉(cāng)之間的密封間隙，mm。

動(dòng)力方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

位移方程：

式中：m1—啟動(dòng)倉(cāng)質(zhì)量，kg。

若記v2為啟動(dòng)倉(cāng)撞上液動(dòng)錘瞬間的速度則由于下右空腔有高壓流體的存在則啟動(dòng)倉(cāng)與液動(dòng)錘以共同的速度v3向右移動(dòng)，則可以近似的根據(jù)動(dòng)量守恒進(jìn)行求解：

3.2 沖擊階段

在液動(dòng)錘與啟動(dòng)倉(cāng)二者以共速向右移過(guò)程中的受力分析如下：

摩擦阻力（僅考慮密封摩擦其他忽略）、水墊阻力和粘性阻力分別為：

式中：A1—液動(dòng)錘密封圈工作面積，m2；μ1—液動(dòng)錘密封圈摩擦系數(shù)；p1—液動(dòng)錘密封圈工作壓力，Pa；A4—液動(dòng)錘右側(cè)受力面積，m2；S3—射流入口水?dāng)嗔髅娣e，m2；v4—液動(dòng)錘的瞬時(shí)移動(dòng)速度，m/s；ζ1—射流入口處的局部壓力損失系數(shù)；S4—液動(dòng)錘密封面積，m2；r1—液動(dòng)錘與密封腔之間的間隙，mm。

動(dòng)力方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

位移方程：

式中：m2—液動(dòng)錘質(zhì)量，kg。

若記液動(dòng)錘撞上錘座的瞬間的速度為v5，則撞上錘座立即回彈一般回彈時(shí)間只有零點(diǎn)幾毫秒，對(duì)液動(dòng)錘的撞擊頻率影響不大，可以省略?；貜椝俣鹊挠?jì)算：

式中：m3—錘座質(zhì)量，kg；k—回彈系數(shù)。

3.3 連續(xù)工作階段

液動(dòng)錘撞擊錘座之后會(huì)有一股高壓水進(jìn)入射流發(fā)生器，入口壓力p1的計(jì)算可以參考文獻(xiàn)[8]該過(guò)程受力分析如下：

摩擦阻力：計(jì)算參考公式（11），水墊阻力：計(jì)算參考公式（12），粘性阻力：計(jì)算參考公式（13）。

動(dòng)力方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

位移方程：

4 仿真

imulink作為Matlab的最主要的模塊之一，能夠完成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模，仿真與分析。被廣泛的運(yùn)用于線(xiàn)性及非線(xiàn)性系統(tǒng)，數(shù)字控制及信號(hào)處理的建模和仿真中。

4.1 仿真假設(shè)

水平往返沖擊模型是一個(gè)復(fù)雜的液壓系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)，在建模仿真時(shí)作如下假設(shè)：（1）在水平往返沖擊模塊的各個(gè)工作階段內(nèi)，動(dòng)力源能夠提供穩(wěn)定的油壓；（2）油路的長(zhǎng)度效應(yīng)忽略不計(jì)；（3）忽略工作介質(zhì)的工作過(guò)程中的粘度變化；（4）模型各部件間的相互移動(dòng)關(guān)系，用開(kāi)關(guān)量進(jìn)行替換；（5）忽略沖擊模塊內(nèi)部的工作介質(zhì)的質(zhì)量；（6）忽略沖擊模塊在工作過(guò)程中工作介質(zhì)的泄露；（7）液壓沖擊器所有部件都是絕對(duì)剛體。設(shè)定參數(shù)如下：ρ—流體密度；d—管道內(nèi)徑；l—流程長(zhǎng)度；Δ—管道粗糙度；v—流體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)；S1—高壓入口橫截面積；A2—啟動(dòng)倉(cāng)右腔受力面積；γ—流體的重度；g—重力加速度；A1—啟動(dòng)倉(cāng)左腔受力面積；S2—泄流道橫截面積；ζ—泄流道處的局部壓力損失系數(shù)；A0—啟動(dòng)倉(cāng)密封圈工作面積；μ0—啟動(dòng)倉(cāng)密封阻力系數(shù)；p0—啟動(dòng)倉(cāng)密封圈工作壓力；S0—啟動(dòng)倉(cāng)密封面積；μ—流體的絕對(duì)黏度；r—啟動(dòng)錘與啟動(dòng)倉(cāng)之間的密封間隙；m1—啟動(dòng)倉(cāng)質(zhì)量；A1—液動(dòng)錘密封圈工作面積；μ1—液動(dòng)錘密封圈摩擦系數(shù)；A4—液動(dòng)錘右側(cè)受力面積；S3—射流入口水?dāng)嗔髅娣e；ζ1—射流入口處的局部壓力損失系數(shù)。

4.2 仿真思路

啟動(dòng)倉(cāng)與液動(dòng)錘的實(shí)際運(yùn)動(dòng)是變加速運(yùn)動(dòng)，但是在仿真步長(zhǎng)內(nèi)可以視為勻加速運(yùn)動(dòng)，計(jì)算機(jī)按照時(shí)間順序計(jì)算逐個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)液動(dòng)錘與啟動(dòng)倉(cāng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。從而求解出水平?jīng)_擊模型的動(dòng)力學(xué)方程。

5 實(shí)驗(yàn)

5.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了驗(yàn)證了所建立的計(jì)算模型的正確性，故進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，建立了水平往返沖擊模型的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

5.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

試驗(yàn)系統(tǒng)所用器材型號(hào)，如表1所示。該系統(tǒng)能夠在不同系統(tǒng)供油壓力條件下，實(shí)現(xiàn)沖擊模型運(yùn)動(dòng)特征數(shù)據(jù)采集。

表1 實(shí)驗(yàn)器材型號(hào)Tab.1 Model of Experimental Equipment

5.3 實(shí)驗(yàn)方案

水平?jīng)_擊模型高壓腔的壓力借助節(jié)流閥控制，系統(tǒng)的供油壓力借助溢流閥控制，以滿(mǎn)足水平?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)不同的工作狀態(tài)的要求。使用壓電式加速度傳感器對(duì)水平?jīng)_擊模型液動(dòng)錘橫向振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，設(shè)定一定的采樣頻率。將采集的加速度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理可以得到速度信號(hào)及位移信號(hào)，探究水平?jīng)_擊模型中液動(dòng)錘與啟動(dòng)倉(cāng)的運(yùn)動(dòng)特征。實(shí)驗(yàn)過(guò)程與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鐖D2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Experimental Process and Experimental Model

5.4 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

啟動(dòng)倉(cāng)實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比、液動(dòng)錘實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比，如圖3、圖4所示。

圖3 啟動(dòng)倉(cāng)實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of Experimental Results and Simulation Results of Starting Bin

圖4 液動(dòng)錘實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of Experimental Results and Simulation Results of Hydraulic Hammer

5.5 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)獲取的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)跳動(dòng)明顯，原因在于仿真過(guò)程無(wú)法模擬水擊壓力的多次反射及衰減過(guò)程、管長(zhǎng)效應(yīng)、液壓泵的提供壓力的隨機(jī)波動(dòng)及各種實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的不可控因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響，該現(xiàn)象目前尚無(wú)有效的解決辦法。

6 結(jié)論

（1）通過(guò)液動(dòng)錘動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn)二者總體變化趨勢(shì)基本相同，驗(yàn)證了模型的可行性及計(jì)算模型可靠性。（2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)高壓接口的輸入壓力與射流發(fā)生器的入口壓力需要滿(mǎn)足一定的比值范圍模型才能正常工作，隨著兩個(gè)接口壓力不斷增加該比值范圍也會(huì)隨之變化，高壓接口壓力與啟動(dòng)倉(cāng)及液動(dòng)錘質(zhì)量及二者的位移行程幾個(gè)參數(shù)之間存在一定的匹配關(guān)系，該匹配關(guān)系及其最優(yōu)解需要進(jìn)一步的研究，進(jìn)一步的模擬需要考慮水擊現(xiàn)象、管長(zhǎng)效應(yīng)、工作介質(zhì)泄露和多相流體介質(zhì)等因素。（3）啟動(dòng)倉(cāng)必不可少，只有接入啟動(dòng)倉(cāng)的高壓接口壓力取值滿(mǎn)足一定的條件才能為射流發(fā)生器產(chǎn)生穩(wěn)定的附壁提供所需的初始?jí)翰睿谒經(jīng)_擊模型正常的工作周期內(nèi)，啟動(dòng)倉(cāng)大多處于液壓錘的被動(dòng)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。并且啟動(dòng)倉(cāng)的作用還在于為水平?jīng)_擊模型由于某種未知原因出現(xiàn)“假死”現(xiàn)象時(shí)提供二次啟動(dòng)動(dòng)力。