螺桿式旋沖工具凸輪機(jī)構(gòu)性能測(cè)試裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

甘 心，梁應(yīng)紅，李偉廷，耿 燕

中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院

0 引言

隨著油氣勘探區(qū)域不斷擴(kuò)大，鉆井過(guò)程中遇到研磨性強(qiáng)、可鉆性差的復(fù)雜地層越來(lái)越多[1]。而隨著井深的增加，巖石抗壓強(qiáng)度會(huì)有所增大、可鉆性變差，現(xiàn)有常規(guī)螺桿鉆具配合PDC鉆頭的復(fù)合鉆井技術(shù)，已經(jīng)不能滿足復(fù)雜地層提速提效的需求[2-5]，豐富和提升現(xiàn)有螺桿鉆具的功能已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛共識(shí)。

在這背景下，螺桿式旋沖工具應(yīng)運(yùn)而生，比較有代表性的有：NOV(國(guó)民油井公司)的旋沖工具[6]、中石化石油工程院的旋沖鉆井工具[7]和中石化勝利鉆井院的振動(dòng)沖擊工具[8]等。這些螺桿式旋沖工具普遍在常規(guī)螺桿鉆具結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，引入了凸輪機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在保持常規(guī)螺桿大扭矩高轉(zhuǎn)速特點(diǎn)的同時(shí)，增加軸向沖擊功能，提高了破巖能量，并且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了一定的效果。但對(duì)工具凸輪機(jī)構(gòu)性能變化規(guī)律及影響因素分析方面缺乏有效的室內(nèi)測(cè)試裝置和試驗(yàn)方法，常常導(dǎo)致工具與鉆頭類型及地層巖性不匹配。為此，筆者設(shè)計(jì)了針對(duì)螺桿式旋沖工具凸輪機(jī)構(gòu)性能參數(shù)測(cè)試用的試驗(yàn)裝置，并開(kāi)展了沖擊力、沖擊頻率和損耗扭矩等性能參數(shù)的試驗(yàn)研究，以獲取各參數(shù)的變化規(guī)律及影響因素，為螺桿式旋沖工具的性能參數(shù)計(jì)算及凸輪機(jī)構(gòu)類型優(yōu)選提供理論依據(jù)。

1 測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

螺桿式旋沖工具凸輪機(jī)構(gòu)性能測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)裝置由底座、調(diào)速電機(jī)、萬(wàn)向軸、扭矩傳感器、支撐架、主軸、調(diào)節(jié)絲杠、推力板、調(diào)節(jié)板、彈簧、凸輪機(jī)構(gòu)、卡板、沖擊力傳感器、端板和螺栓等零部件組成。其中凸輪機(jī)構(gòu)又分為雙凸輪機(jī)構(gòu)和滾輪—凸輪機(jī)構(gòu)兩種類型，雙凸輪機(jī)構(gòu)主要由上凸輪和下凸輪組成(如圖2所示)，滾輪—凸輪機(jī)構(gòu)則主要由滾輪座、滾輪、凸輪組成(如圖3所示)。

1.底座;2.調(diào)速電機(jī);3.萬(wàn)向軸;4.扭矩傳感器;5.支撐架;6.主軸;7.調(diào)節(jié)絲杠;8.推力板;9.調(diào)節(jié)板;10.彈簧;11.凸輪機(jī)構(gòu);12.卡板;13.沖擊力傳感器;14.端板。

圖2 雙凸輪機(jī)構(gòu)示意圖

圖3 滾輪—凸輪機(jī)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理及參數(shù)設(shè)計(jì)

螺桿式旋沖工具凸輪機(jī)構(gòu)性能測(cè)試裝置的工作原理為：調(diào)速電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，經(jīng)萬(wàn)向軸帶動(dòng)主軸和上凸輪(或者滾輪座和滾輪)旋轉(zhuǎn)，而下凸輪則穿過(guò)卡板六方孔并與固定在端板上的沖擊力傳感器連接，保證沖擊力傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄沖擊力大小及變化情況，而相鄰兩個(gè)沖擊力峰值間的時(shí)間差經(jīng)過(guò)換算即為沖擊頻率。凸輪機(jī)構(gòu)左右兩部分由于存在轉(zhuǎn)速差從而產(chǎn)生周期性抬升和沖擊作用，而在抬升過(guò)程中需要損耗調(diào)速電機(jī)的輸出扭矩，通過(guò)連接在萬(wàn)向軸和主軸之間的扭矩傳感器可以對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄。此外，連接在推力板上的調(diào)節(jié)絲杠可以調(diào)整調(diào)節(jié)板的位置，從而改變彈簧壓縮量來(lái)施加軸向靜壓力，靜壓力大小通過(guò)沖擊力傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速分別為30 r/min、60 r/min、90 r/min和120 r/min，彈簧產(chǎn)生的軸向靜壓力為0～200 kg，螺旋面?zhèn)€數(shù)分別為4個(gè)、6個(gè)和8個(gè)，沖程高度為3～12 mm。

2 沖擊力分析

2.1 沖擊力與沖程高度的關(guān)系

沖擊力與沖程高度的關(guān)系如圖4所示，從圖4中可知：不同靜壓力作用下，沖擊力隨著沖程高度的增大而增大，并且增大幅度各不相同。其中，靜壓力為20 kg時(shí)的增大幅度最小，靜壓力為80 kg時(shí)次之，而靜壓力為160 kg時(shí)的增大幅度最大，可見(jiàn)沖程高度和靜壓力是凸輪機(jī)構(gòu)沖擊力的兩個(gè)主要影響因素。

圖4 沖擊力與沖程高度的變化關(guān)系曲線

為了進(jìn)一步分析沖程高度與靜壓力對(duì)沖擊力的內(nèi)在關(guān)系，需要對(duì)不同沖程高度條件下的沖擊力與靜壓力關(guān)系開(kāi)展進(jìn)一步分析。

2.2 沖擊力與靜壓力的關(guān)系

沖程高度為6 mm時(shí)，沖擊力與靜壓力的關(guān)系如圖5所示，采用線性回歸分析得出的沖擊力與靜壓力關(guān)系可知：轉(zhuǎn)速為30 r/min時(shí)，沖擊力約為靜壓力的1.504 1倍；轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)，沖擊力約為靜壓力的1.509 7倍；在轉(zhuǎn)速為90 r/min時(shí)，沖擊力約為靜壓力的1.466 4倍；轉(zhuǎn)速為120 r/min時(shí)，沖擊力約為靜壓力的1.455 8倍。綜合分析以上沖擊力與靜壓力的關(guān)系，得出在沖程高度6 mm時(shí)，沖擊力F與靜壓力p的關(guān)系為：

圖5 沖程高度6 mm時(shí)，沖擊力與靜壓力的變化關(guān)系曲線

F=(1.45～1.50)p

(1)

接下來(lái)依次分析了沖程高度分別為3 mm、5 mm、8 mm、10 mm和12 mm時(shí)的沖擊力與靜壓力關(guān)系，得出了不同沖程高度下沖擊力與靜壓力的關(guān)系式：

F=λ·p

(2)

式中：F—沖擊力,kg；p—靜壓力,kg；λ—影響因子。

影響因子具體取值范圍見(jiàn)表1所示，隨著沖程高度的增加，影響因子也會(huì)隨之增大。

表1 不同沖程高度下影響因子取值范圍

3 沖擊頻率分析

3.1 沖擊頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

在螺旋面?zhèn)€數(shù)為4個(gè)條件下，沖擊力波形隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖6所示，從圖6中可知1 s時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速為30 r/min時(shí)，產(chǎn)生2次沖擊，轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)，產(chǎn)生4次沖擊，而轉(zhuǎn)速為90 r/min時(shí)，則產(chǎn)生了6次沖擊，從而表明沖擊頻率隨著轉(zhuǎn)速的增大而呈線性增大關(guān)系。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下沖擊力波形曲線

3.2 沖擊頻率與螺旋面?zhèn)€數(shù)的關(guān)系

在轉(zhuǎn)速為30 r/min條件下，沖擊力波形隨螺旋面?zhèn)€數(shù)的變化曲線見(jiàn)圖7，從圖7中可知1 s時(shí)間內(nèi)，4個(gè)螺旋面產(chǎn)生2次沖擊，6個(gè)螺旋面產(chǎn)生3次沖擊，而8個(gè)螺旋面則產(chǎn)生4次沖擊，從而表明沖擊頻率隨著螺旋面?zhèn)€數(shù)的增大而呈線性增大關(guān)系。

圖7 不同螺旋面?zhèn)€數(shù)下沖擊力波形曲線

綜合沖擊頻率分別與轉(zhuǎn)速和螺旋面?zhèn)€數(shù)的變化關(guān)系，推導(dǎo)出了沖擊頻率的計(jì)算式：

(3)

式中：F頻—沖擊頻率，Hz；n—轉(zhuǎn)速,r/min；N—螺旋面?zhèn)€數(shù)。

4 損耗扭矩分析

4.1 損耗扭矩與靜壓力及沖程高度的關(guān)系

損耗扭矩與靜壓力及沖程高度的關(guān)系如圖8所示，從圖8中可知：損耗扭矩隨著靜壓力的增大而增大，并且增加幅度在不同沖程高度下各不相同。其中，沖程高度為3 mm時(shí)的增大幅度最小，沖程高度為8 mm時(shí)次之，而沖程高度為12 mm時(shí)的增大幅度最大，從而也說(shuō)明隨著沖程高度的增大，損耗扭矩也會(huì)隨之增大。

圖8 損耗扭矩與靜壓力及沖程高度的變化關(guān)系

4.2 損耗扭矩與螺旋面?zhèn)€數(shù)的關(guān)系

損耗扭矩與凸輪機(jī)構(gòu)螺旋面?zhèn)€數(shù)的關(guān)系如圖9所示，從圖9中可知：在相同靜壓力作用下，損耗扭矩會(huì)隨著螺旋面?zhèn)€數(shù)的增加而增大，并且靜壓力越大，增大幅度越顯著。

圖9 損耗扭矩與螺旋面?zhèn)€數(shù)的變化關(guān)系

4.3 不同凸輪機(jī)構(gòu)類型的損耗扭矩對(duì)比

在沖程高度和螺旋面?zhèn)€數(shù)相同條件下，雙凸輪機(jī)構(gòu)與滾輪—凸輪機(jī)構(gòu)的損耗扭矩情況如圖10所示，通過(guò)對(duì)比可知：滾輪—凸輪機(jī)構(gòu)與雙凸輪機(jī)構(gòu)相比，損耗扭矩明顯減小，并且隨著靜壓力的增大，二者之間的差異越顯著。

圖10 雙凸輪機(jī)構(gòu)與滾輪—凸輪機(jī)構(gòu)的損耗扭矩對(duì)比

綜合以上損耗扭矩的分析，發(fā)現(xiàn)：靜壓力、螺旋面?zhèn)€數(shù)和沖程高度均為損耗扭矩的主要影響因素，并且在同等條件作用下滾輪—凸輪機(jī)構(gòu)損耗扭矩明顯小于雙凸輪機(jī)構(gòu)。

5 結(jié)論

自主研發(fā)的螺桿式旋沖工具凸輪機(jī)構(gòu)性能測(cè)試裝置，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：

(1)沖程高度和靜壓力是影響沖擊力大小的主要因素，沖程高度和靜壓力越大，產(chǎn)生的沖擊力也越大。

(2)轉(zhuǎn)速和凸輪螺旋面?zhèn)€數(shù)是影響沖擊頻率大小的主要因素，轉(zhuǎn)速越高、螺旋面?zhèn)€數(shù)越多，產(chǎn)生的沖擊頻率越大。

(3)沖程高度、靜壓力、凸輪螺旋面?zhèn)€數(shù)、凸輪機(jī)構(gòu)類型是影響損耗扭矩的主要因素，沖程高度和靜壓力越大、螺旋面?zhèn)€數(shù)越多，產(chǎn)生的損耗扭矩越大；在同等加載作用下，滾輪—凸輪機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的損耗扭矩明顯小于雙凸輪機(jī)構(gòu)。