復(fù)合沖擊破巖鉆井提速工具研究

鄧銀江 郭正偉 魏秦文 王圣林

(重慶科技學(xué)院 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，重慶 401331)

0 前 言

隨著油氣資源的不斷消耗，油氣開采目標(biāo)向著縱深發(fā)展。深地層環(huán)境溫度高，巖石硬度大、耐磨性強(qiáng)，常規(guī)的鉆井方式存在進(jìn)尺慢、鉆頭磨損快、憋跳嚴(yán)重等問(wèn)題，難以完成深井、超深井的作業(yè)任務(wù)[1-2]。在深井硬地層的鉆進(jìn)過(guò)程中，PDC鉆頭會(huì)出現(xiàn)因扭矩不足而無(wú)法破碎巖石的情況；此時(shí)，鉆柱發(fā)生扭轉(zhuǎn)，儲(chǔ)存彈性勢(shì)能，直至鉆頭克服鉆井阻力，鉆柱中的能量被瞬間釋放，鉆柱與鉆頭產(chǎn)生劇烈振動(dòng)(“黏滑”振動(dòng))，導(dǎo)致鉆頭受到磨損[3]。油氣勘探開發(fā)中常采用扭力沖擊器與PDC鉆頭的配合來(lái)降低“黏滑”振動(dòng)的產(chǎn)生[4]，從而提高鉆頭對(duì)深井硬地層的鉆進(jìn)速度。目前使用的沖擊器大多為TorkBuster，國(guó)內(nèi)的螺桿鉆具式、渦輪式扭力沖擊器等只能產(chǎn)生單向扭轉(zhuǎn)沖擊，這會(huì)造成沖擊機(jī)構(gòu)單側(cè)受力不均勻而出現(xiàn)偏磨失效[5]。扭力沖擊器能夠產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)沖擊振動(dòng)，從而輔助鉆頭破巖，但在面對(duì)硬地層切削齒無(wú)法吃入或大斜度、水平段等鉆頭無(wú)法進(jìn)尺的情況時(shí)，幾乎沒有提速效果[6]。柳貢慧等人對(duì)復(fù)合沖擊鉆井工具進(jìn)行了研究，提出一種能夠產(chǎn)生連續(xù)扭轉(zhuǎn)和軸向沖擊振動(dòng)的工具，并對(duì)其破巖效果進(jìn)行了分析[7-10]。穆總結(jié)等人對(duì)軸扭耦合沖擊鉆井提速技術(shù)進(jìn)行了研究，提出一種由盤閥控制的軸扭耦合沖擊鉆井工具[11]。目前提出的工具雖然能夠產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和軸向沖擊載荷，但均未考慮軸扭沖擊行程配合問(wèn)題。

基于水力學(xué)原理對(duì)扭轉(zhuǎn)沖擊振動(dòng)、軸向沖擊振動(dòng)的發(fā)生方式等進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種新型復(fù)合沖擊破巖鉆井提速工具。工具扭轉(zhuǎn)沖擊結(jié)構(gòu)采用剛性連接，以保證上部轉(zhuǎn)盤穩(wěn)態(tài)扭矩的可靠傳遞；軸向沖擊結(jié)構(gòu)采用柔性連接，以減少軸向沖擊反力對(duì)工具的損壞，確保鉆進(jìn)過(guò)程安全可靠。

1 復(fù)合沖擊破巖鉆井提速工具的設(shè)計(jì)

復(fù)合沖擊破巖鉆井提速工具的主要作用，是減少鉆井過(guò)程中的“黏滑”振動(dòng)以及解決大斜度或水平井段進(jìn)尺慢等問(wèn)題。復(fù)合沖擊破巖鉆井提速工具由扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)、軸向沖擊機(jī)構(gòu)以及軸扭配合機(jī)構(gòu)等3部分組成(見圖1)。工具能夠在泥漿驅(qū)動(dòng)作用下產(chǎn)生往復(fù)沖擊扭矩，彌補(bǔ)現(xiàn)有單向沖擊工具偏磨失效的缺點(diǎn)。工具產(chǎn)生的軸向沖擊力給鉆頭施加軸向沖擊載荷，配合鉆壓施加的靜載荷，使得鉆頭與巖石的接觸壓力大于巖石硬度，進(jìn)而形成體積破碎。同時(shí)，該工具能夠?qū)崿F(xiàn)扭轉(zhuǎn)沖擊和軸向沖擊行程匹配，最大程度發(fā)揮工具的提速效果。

圖1 復(fù)合沖擊破巖鉆井提速工具結(jié)構(gòu)示意圖

扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。工作時(shí)，高壓泥漿通過(guò)換向閥內(nèi)部流道進(jìn)入由液壓錘與錘座形成的密閉腔內(nèi)，推動(dòng)液壓錘順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(見圖2a)；液壓錘帶動(dòng)換向閥一起轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)液壓錘到達(dá)極限位置時(shí)，撞擊液壓錘座(見圖2b)；此時(shí)，換向閥在控制流道中鉆井液的驅(qū)動(dòng)下相對(duì)于液壓錘旋轉(zhuǎn)一定角度(見圖2c)；換向閥內(nèi)部流道與液壓錘反轉(zhuǎn)流道連通，液壓錘帶動(dòng)換向閥一起逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直至液壓錘到達(dá)極限位置時(shí)，撞擊液壓錘座(見圖2d)。4個(gè)行程往復(fù)進(jìn)行，形成往復(fù)沖擊。

圖2 扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程示意圖

1.2 軸向沖擊機(jī)構(gòu)

在軸扭配合機(jī)構(gòu)作用下，鉆井液交替進(jìn)入沖擊錘上下腔，推動(dòng)其產(chǎn)生周期性的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)(見圖3)。沖擊錘在運(yùn)動(dòng)下行程撞擊沖擊氈，產(chǎn)生的軸向沖擊力使沖擊接頭與鉆頭發(fā)生軸向小距離位移，產(chǎn)生的沖擊載荷與鉆壓施加的靜載荷輔助鉆頭破碎巖石，從而解決了硬巖地層無(wú)法吃入或鉆頭拖壓無(wú)法進(jìn)尺等問(wèn)題。

圖3 軸向沖擊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程示意圖

1.3 軸扭配合機(jī)構(gòu)

液壓錘轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，下部傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞給軸扭配合機(jī)構(gòu)的配流套筒(見圖4)，配流套筒上的圓柱凸輪機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為螺旋運(yùn)動(dòng)，控制鉆井液交替進(jìn)入沖擊錘上下腔，從而實(shí)現(xiàn)由扭轉(zhuǎn)沖擊運(yùn)動(dòng)控制軸向沖擊運(yùn)動(dòng)。根據(jù)不同的作業(yè)工況，設(shè)計(jì)合理的配流套筒凸輪結(jié)構(gòu)能有效提高破巖效率。

圖4 配流套筒結(jié)構(gòu)示意圖

在工具使用當(dāng)中，扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)與軸向沖擊機(jī)構(gòu)高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生沖擊載荷，并通過(guò)軸扭配合機(jī)構(gòu)進(jìn)行行程控制，其提速效果與工具性能密不可分，但不同的地層最佳沖擊頻率有所不同。

2.1 工作流量計(jì)算

工具的參數(shù)如下：工具外徑為17.78 cm，長(zhǎng)度為1.635 m，沖擊組件材料為YG8鎢鋼，屈服強(qiáng)度為1 500 MPa，彈性模量為5.1×105MPa，泊松比為0.3，密度為1.48×104kg/m3；其他組件材料為 40 CrNiMo。扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)各零件參數(shù)由軟件建模得到(見表1)。

表1 扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)各零件參數(shù)

液壓錘扭矩計(jì)算公式見式(1)[12]：

(1)

式中：T——碰撞扭矩，N·m；

J——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

α——角加速度，rad/s2；

Δω——角速度的變化量，rad/s；

ω0——碰撞前液壓錘的角速度，rad/s；

Δt——碰撞時(shí)間，s。

假設(shè)液壓錘與液壓錘座碰撞時(shí)，T=1 350 N·m，根據(jù)文獻(xiàn)[13]，取Δt=1×10-3s，則ω0=26.2 rad/s。

根據(jù)流量守恒原理[14]，扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)工作流量為：

Ql=2Aω0r

(2)

式中：Ql——扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)工作流量，L/s；

A——液壓錘工作面積，m2；

r——轉(zhuǎn)動(dòng)中心半徑，m。

液壓錘工作時(shí)，A=2.16×10-3m2，r=5.2×10-2m，由式(2)計(jì)算可得Ql=5.89 L/s。

假設(shè)流體不可壓縮，用數(shù)值模擬方法得到各流道流量分配關(guān)系，控制流量∶噴嘴泄流量∶工作流量=11∶26∶63，工具入口流量與工作流量關(guān)系如式(3)所示：

(3)

式中：Qr為工具的入口流量，L/s。

由上述數(shù)據(jù)可得，T=1 350 N·m時(shí)，Qr=9.35 L/s。

式(1)—(3)聯(lián)立可得扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)沖擊扭矩與入口流量的關(guān)系為：

T=1.444×102×Qr

(4)

2.2 軸向沖擊力計(jì)算

軸向沖擊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件為沖擊錘，其材料為YG8鎢鋼，沖擊錘參數(shù)如表2所示。

表2 軸向沖擊錘參數(shù)

根據(jù)沖擊力計(jì)算公式[12]，得到軸向沖擊力與沖擊錘末速度關(guān)系：

I=F·Δt=m·v

(5)

式中：I——沖量，(kg·m)/s；

F——沖擊力，N；

Δt——碰撞時(shí)間，s；

m——沖擊錘質(zhì)量，kg；

v——沖擊錘碰撞前速度，m/s。

2.3 流場(chǎng)分析與碰撞仿真

2.3.1 流場(chǎng)分析

建立流體區(qū)域三維模型，導(dǎo)入Fluent流場(chǎng)分析軟件，劃分1.87×106個(gè)網(wǎng)格對(duì)工具內(nèi)部流體流動(dòng)狀態(tài)及壓力分布情況進(jìn)行計(jì)算。為提高仿真計(jì)算的收斂性，采用速度入口、壓力出口模型，流體(泥漿)密度取1.2×103kg/m3。根據(jù)設(shè)計(jì)排量和入口截面積(入口截面積為1.96×10-3m2，入口流量為10.00 L/s)，得到流體入口速度為5.1 m/s。為保證軸向沖擊機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行且?guī)r屑具有一定環(huán)空返速，設(shè)置工具出口壓力為3.00 MPa。紊流模型采用k-ε進(jìn)行計(jì)算。

入口流量為10.00 L/s時(shí)，扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)工作時(shí)的內(nèi)部流體壓力分布情況如圖5所示。工具入口壓力為3.35 MPa，出口壓力為3.00 MPa，扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)的壓力損耗為0.35 MPa。在噴嘴作用下，上腔形成了高壓區(qū)，下腔形成了低壓區(qū)，液壓錘在壓差作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，形成扭轉(zhuǎn)沖擊。

圖5 扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)工作時(shí)內(nèi)部流體壓力分布情況

入口流量為10.00 L/s時(shí)，扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)工作時(shí)的內(nèi)部流體流速分布情況如圖6所示。工具噴嘴中心位置處泥漿流速最大，由中心向外，流速逐漸降低，工具內(nèi)部最大流速為24.0 m/s，噴嘴處受鉆井液沖蝕破壞最嚴(yán)重，噴嘴應(yīng)采用耐沖蝕材料。

圖6 扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)工作時(shí)內(nèi)部流體速度分布情況

選用不同入口流量進(jìn)行數(shù)值模擬，液壓錘轉(zhuǎn)速情況如表3所示。工具內(nèi)部流體最大流速、液壓錘轉(zhuǎn)速與工具入口流量均呈線性關(guān)系(見圖7)。

圖7 工具入口流量與工具內(nèi)部最大流速、液壓錘轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

表3 液壓錘數(shù)值模擬情況

2.3.2 碰撞仿真

為探究碰撞過(guò)程扭矩的變化情況，將扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)的三維模型導(dǎo)入Adams多體動(dòng)力學(xué)軟件中，進(jìn)行仿真模擬(入口流量10.00 L/s，液壓錘碰撞前轉(zhuǎn)速為28.2 rad/s)。為準(zhǔn)確描述速度連續(xù)變化過(guò)程，選用Impact碰撞接觸模型[15]。設(shè)定剛度系數(shù)為1.0×1011N/m2，碰撞指數(shù)為2.2，最大阻尼為1.0×104(N·s)/m，穿透深度為0.1 mm。因碰撞過(guò)程瞬間完成，因此忽略摩擦力的影響。仿真結(jié)果如圖8所示，碰撞過(guò)程中扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的最大碰撞扭矩為1 347.7 N·m，碰撞時(shí)間為9×10-4s，碰撞后液壓錘的反彈速度為-6.3 rad/s。

圖8 碰撞仿真模擬參數(shù)曲線

進(jìn)一步改變液壓錘轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真，得到不同入口流量下的最大碰撞扭矩，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同入口流量下液壓錘的最大碰撞扭矩

2.4 工具的可靠性分析

工具的可靠性直接影響施工進(jìn)度及鉆井安全，因此必須保證工具安全穩(wěn)定地運(yùn)行。基于機(jī)械零件強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)則[16]，結(jié)合工具實(shí)際工作情況，計(jì)算材料許用屈服強(qiáng)度極限：

[σs]=σs/S

(6)

式中：[σs]——材料許用屈服強(qiáng)度極限，MPa；

σs——材料屈服強(qiáng)度極限，MPa；

S——工況系數(shù)。

扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，采用有限元法進(jìn)行分析。工具入口流量為10.00 L/s時(shí)，沖擊機(jī)構(gòu)碰撞應(yīng)力情況如圖10所示。扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)所受最大應(yīng)力為117.70 MPa，最大應(yīng)力位于液壓錘座控制的流道口處，單次沖擊時(shí)液壓錘應(yīng)力小于液壓錘座應(yīng)力。進(jìn)一步分析不同入口流量下扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力變化，結(jié)果如圖11所示。液壓錘、液壓錘座受到的最大應(yīng)力與入口流量呈近似二次曲線關(guān)系。通過(guò)二次曲線擬合，得到入口流量與液壓錘座受到的最大應(yīng)力擬合公式：

圖10 10.00 L/s的入口流量下扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)碰撞應(yīng)力情況

圖11 不同入口流量下扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力曲線

(7)

式中：σsmax——液壓錘座受到的最大應(yīng)力，MPa。

當(dāng)S=3，[σs]=500 MPa時(shí)，得到工具能夠承受的最大入口流量為29.38 L/s。

3 結(jié) 語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的新型復(fù)合沖擊破巖鉆井提速工具由扭轉(zhuǎn)沖擊機(jī)構(gòu)、軸向沖擊機(jī)構(gòu)以及軸扭配合機(jī)構(gòu)3部分組成，該工具能夠產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)沖擊扭矩及軸向沖擊力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、內(nèi)部流道通暢，使用安全可靠，配合PDC鉆頭使用可提高硬巖地層鉆進(jìn)效率。

工具的軸、扭沖擊行程配合關(guān)系由配流機(jī)構(gòu)控制，可根據(jù)不同作業(yè)地層，單獨(dú)設(shè)計(jì)配流機(jī)構(gòu)凸輪結(jié)構(gòu)，以提供適應(yīng)不同地層的復(fù)合沖擊形式，最大程度地發(fā)揮工具提速效果。

工具內(nèi)部流體最大流速、液壓錘轉(zhuǎn)速與工具入口流量均呈線性關(guān)系，液壓錘、液壓錘座受到的最大應(yīng)力與入口流量呈近似二次曲線關(guān)系，工具能夠承受的最大入口流量為29.38 L/s。