液壓震擊器震擊力影響因素分析

摘 "要：為解決液壓震擊器在工作時(shí)震擊力偏小的問(wèn)題，采用理論分析、仿真分析與試驗(yàn)研究的方法，根據(jù)液壓震擊器工況和震擊原理，開(kāi)展包括釋放力、井深、震擊器安放位置、鉆井液黏度、潤(rùn)滑油黏度、震擊器上下部鉆桿數(shù)量、延時(shí)閥閥芯直徑等因素對(duì)液壓震擊器震擊力的影響分析。研究結(jié)果表明，增加一定的釋放力可以增加震擊力；井深越深，震擊力越大；最適合安裝震擊器的位置在鉆柱組合中和點(diǎn)偏上處；鉆井液和潤(rùn)滑油的黏度越大，震擊力越大；在一定范圍內(nèi)增大震擊器上鉆桿的質(zhì)量，可以增大震擊力，考慮剛度等原因，繼續(xù)增大震擊器上鉆桿的質(zhì)量，會(huì)導(dǎo)致震擊力減小；閥體內(nèi)徑不變時(shí)，閥芯直徑越大，震擊力越大。

關(guān)鍵詞：液壓震擊器；釋放力；鉆井液黏度；震擊力

中圖分類(lèi)號(hào)：TE921.2 " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.06.003

Analysis of Influencing Factors of Shock Force of Hydraulic Vibrators

LIANG Cong1， LI Yong1， WANG Chenmin1， LI Wei2，3， TAN Congyu2，3

（1. China Oilfield Services Co.， Ltd.， Tianjin 300459， China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，

Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China； 3.Key Laboratory of Petroleum and Natural

Gas Equipment， Ministry of Education， Chengdu 610500， China）

Abstract： To address the issue of the hydraulic vibrator’s shock force being insufficient during operation， a multi-faceted approach was undertaken， combining theoretical analysis， simulation analysis， and pilot studies. The influence of various operational parameters on the shock force was investigated， including the release force， well depth， placement of the vibrator， drilling fluid viscosity， lubricating oil viscosity， number of drill pipes in the upper and lower parts of the vibrator， and the diameter of the valve core of the delay valve. The findings indicate that an increase in release force can result in a corresponding enhancement in shock force. It was found that the shock force increases with depth. The optimal location for installation of the vibrator is in the middle of the drill string assembly and the upper part of the point. The shock force is also found to increase with viscosity of the drilling fluid and lubricating oil. An increase in the weight of the drill pipe connected to the vibrator within a certain range has been observed to increase shock force. However， when factors such as stiffness and other considerations are taken into account， it has been found that continued weight increases may result in a decrease in shock force. Additionally， when the diameter of the valve body remains constant， a larger spool diameter results in greater shock force.

Key words： hydraulic vibrator； release force； drilling fluid viscosity； shock force

震擊器是鉆井解卡作業(yè)時(shí)的關(guān)鍵工具之一，通常安裝于鉆頭附近位置。鉆井作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)井下發(fā)生卡鉆時(shí)，使用震擊器進(jìn)行震擊解卡，不僅節(jié)約時(shí)間成本，且相比于切割、爆炸等其他解卡方式，對(duì)井壁及管串結(jié)構(gòu)的影響較?。郏保荨Ｕ饟袅κ钦饟羝髯铌P(guān)鍵的參數(shù)之一，影響因素頗多，有必要開(kāi)展各因素對(duì)震擊力的影響研究。

國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者對(duì)液壓震擊器的解卡能力進(jìn)行了研究。王恒等［2］研究了油溫對(duì)液壓震擊器的影響，溫度越高，震擊力越小。龔光勇［3］為解決電纜測(cè)井儀器遇卡的問(wèn)題，將液壓震擊器的儲(chǔ)能加速段與解鎖結(jié)構(gòu)結(jié)合，通過(guò)增大釋放力來(lái)增大震擊力。李蕭等［4］對(duì)液壓震擊器的不震擊情況進(jìn)行了研究，得出可能的原因有內(nèi)部液壓鎖緊機(jī)構(gòu)和卡瓦芯軸出現(xiàn)較大磨損，釋放力較小等。歷小路［5］研究了卡點(diǎn)位置對(duì)震擊器解卡效率的影響，得出卡點(diǎn)位置與震擊器安放位置越接近，震擊效率越高。任勇等［6］通過(guò)對(duì)震擊器的試驗(yàn)，研究了不同拉力作用下的延時(shí)功能和相同拉力作用下的延時(shí)功能，得出撞擊速度、撞擊力和沖量、拉力是影響震擊力的關(guān)鍵因素，長(zhǎng)沖程對(duì)最大震擊力影響較小，工作拉力與震擊力基本上為3倍關(guān)系等結(jié)論。Askew［7］， Skeem［8］， Newman［9］等學(xué)者針對(duì)不同的鉆具組合和工作條件，將鉆柱離散成桿柱小單元，建立了考慮摩擦力等因素的鉆柱解卡力學(xué)模型。張兆德等［10-13］采用能量守恒的方法，建立了鉆鋌上提拉力和鉆鋌長(zhǎng)度對(duì)解卡力的影響規(guī)律，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，得出只有在大鉤的拉力大于鉆柱的重力時(shí)，震擊器才能啟動(dòng)。液壓震擊器最關(guān)鍵的機(jī)構(gòu)延時(shí)閥決定著液壓震擊器的性能，范春

英等［14］分析了失效原因并針對(duì)液壓震擊器的阻尼機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后的液壓震擊器取得了良好的效果。李瑞江等［15］對(duì)川東北工業(yè)區(qū)的機(jī)械震擊器與液壓震擊器的常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行分析。液壓震擊器在工作時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到腐蝕等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致液壓震擊器的震擊力發(fā)生變化。楊光升等［16］探究了腐蝕缺陷對(duì)震擊器的影響。以往學(xué)者針對(duì)液壓震擊器震擊力影響因素的分析較為單一且不完整。本文針對(duì)液壓震擊器的工作原理逐一分析了各種因素對(duì)液壓震擊器震擊力的影響。

1 液壓震擊器的工作原理

液壓震擊器通過(guò)提升鉆柱，儲(chǔ)存變形能，迅速釋放變形能，產(chǎn)生巨大的動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)鉆柱或落魚(yú)解卡，其工作原理如圖1所示。

1） 延時(shí)儲(chǔ)能階段如圖1a所示。大鉤提升上段鉆柱時(shí)，由于延時(shí)機(jī)構(gòu)的限制，芯軸無(wú)法正常向上運(yùn)動(dòng)，上方鉆桿受拉變形，從而逐步積累彈性變形能。

2） 加速釋放階段如圖1b所示。液壓延時(shí)機(jī)構(gòu)釋放，芯軸突然失去阻力，鉆柱突然收縮恢復(fù)形變而釋放變形能，并帶動(dòng)震擊器的撞擊機(jī)構(gòu)向上加速運(yùn)動(dòng)，與彈性套發(fā)生碰撞。

3） 碰撞階段如圖1c所示。芯軸自由端和震擊器的彈性套碰撞時(shí)，上部鉆柱與下部鉆柱（震擊器距卡點(diǎn)之間的鉆柱）結(jié)合為一體同時(shí)向上移動(dòng)，對(duì)下部卡點(diǎn)產(chǎn)生震擊力。

4） 復(fù)位階段如圖1d所示。緩慢下放鉆柱讓震擊器芯軸重新歸位，為下一次震擊做準(zhǔn)備。

液壓震擊器的工作原理被劃分為以上4個(gè)階段。復(fù)位之后可以反復(fù)作業(yè)，通過(guò)多次撞擊，對(duì)卡點(diǎn)施以震動(dòng)載荷，從而實(shí)現(xiàn)鉆具解卡。

2 震擊力影響因素分析

2.1 釋放力對(duì)震擊力的影響

根據(jù)彈性波理論得出在震擊器工作的瞬間，鉆柱下方的初速度vc為：

v=（1）

式中：vc為初速度，m/s；F為釋放力，kN；v為彈性波在鉆柱中縱向傳播速度，m/s；E為彈性模量，MPa；A為震擊器上部鉆桿平均橫截面積，m2。

而由彈性波理論和動(dòng)能定理得出震擊力的計(jì)算公式為：

F=（2）

式中：Fz為震擊力，kN；m、m為震擊器上、下鉆柱的質(zhì)量，kg；L為震擊器到卡點(diǎn)的長(zhǎng)度，m；v為碰撞時(shí)的瞬時(shí)速度，m/s；A為震擊器到卡點(diǎn)的橫截面積，m2。

液壓震擊器工作時(shí)是一個(gè)上拉鉆柱儲(chǔ)能、憋壓瞬間放能的過(guò)程，釋放力F會(huì)對(duì)震擊力F產(chǎn)生影響。首先從理論計(jì)算進(jìn)行研究，由式（1）可得當(dāng)釋放力F增大時(shí)，下方鉆柱的初速度v也會(huì)增大，碰撞時(shí)的瞬時(shí)速度v也會(huì)增大，震擊力呈增大趨勢(shì)。通過(guò)仿真分析研究，選擇相同的井況，即震擊器上方的接頭數(shù)量都為8個(gè)時(shí)，探究向上的震擊力與釋放力的關(guān)系，如圖2所示。所示規(guī)律與理論研究的震擊力變化規(guī)律相同，震擊力隨著釋放力增大而增大。可得出的結(jié)論為增大大鉤的提拉力或者下壓力是改善震擊效果的一種有效方法。同時(shí)，增大釋放力，雖然會(huì)導(dǎo)致震擊力增大，但對(duì)地面井架與鉆桿及接箍的壓力也會(huì)增大。所以，通過(guò)增大釋放力來(lái)增大震擊力的方式是有一定限度的，必須在保證地面設(shè)備能夠正常運(yùn)行的情況下，適量增大釋放力，防止螺紋松動(dòng)或鉆桿彎曲。工作人員應(yīng)該把握各種作用力的相互關(guān)系，才

圖2 釋放力對(duì)震擊力的影響

能更有效地通過(guò)增大震擊力解卡。

2.2 井深對(duì)震擊力的影響

鉆井深度越來(lái)越深，意味著液壓震擊器上方鉆柱長(zhǎng)度也會(huì)增大。在保持加重鉆桿和鉆鋌長(zhǎng)度不變的情況下，增大整個(gè)鉆柱的質(zhì)量，可產(chǎn)生更大的震擊力。通常鉆桿的質(zhì)量只占鉆柱總質(zhì)量的三分之一［11］，因此當(dāng)鉆井深度增加時(shí)，鉆柱質(zhì)量也在增加，震擊力會(huì)增大，相比較于其他因素，其對(duì)震擊力的影響較小。

2.3 震擊器安裝位置對(duì)震擊力的影響

面對(duì)同一個(gè)卡點(diǎn)位置，震擊器安放在管柱的不同位置也會(huì)產(chǎn)生不同的震擊效果。目前主要采用的安裝方式有三種，如圖3所示。圖3a為從上到下依次安裝鉆桿、鉆鋌和液壓震擊器一體；圖3b為加重鉆桿、鉆鋌和液壓震擊器一體；圖3c為震擊器安放在加重鉆桿上［11］。針對(duì)液壓震擊器的工作特性，為了產(chǎn)生較大震擊力的同時(shí)，還必須考慮關(guān)鍵部件的使用壽命，需要使其在不工作狀態(tài)下或待啟動(dòng)時(shí)承受一定的拉力。為防止上部鉆具太輕，震擊器完成一次作業(yè)后難以恢復(fù)初始狀態(tài)，拉力也不能過(guò)大，如果距離卡點(diǎn)處太遠(yuǎn)，震擊效果也會(huì)受到限制。模擬三種液壓震擊器不同安放位置時(shí)的震擊力，如表1所示。液壓震擊器最適合的安裝位置為鉆桿、鉆鋌和液壓震擊器一體，在鉆柱組合中和點(diǎn)偏上處時(shí)產(chǎn)生的震擊力最大。

液壓震擊器中潤(rùn)滑油的黏度影響著震擊器阻尼閥的工作，通過(guò)試驗(yàn)研究，改變套管內(nèi)的油液溫度，即改變潤(rùn)滑油的黏度，觀察釋放力的大小，試驗(yàn)裝置臺(tái)架如圖4所示。當(dāng)溫度越來(lái)越高時(shí)，潤(rùn)滑油的黏度也逐漸增大，在常溫下，液壓震擊器的釋放力達(dá)到

38 kN，50 ℃時(shí)釋放力為37 kN，180 ℃時(shí)釋放力為

35 kN，由此可以得出結(jié)論：潤(rùn)滑液黏度越大，震擊器阻尼閥的芯軸在運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力增大，釋放力也就會(huì)增大，由2.1可知釋放力增大會(huì)導(dǎo)致震擊力增大。當(dāng)潤(rùn)滑油黏度減小時(shí)，結(jié)果與之相反。

鉆井液黏度在液壓震擊器工作時(shí)也有一定影響。Aarrestad［12］等認(rèn)為鉆井液黏度是作為摩阻來(lái)影響震擊力的，阻尼振動(dòng)是指在沒(méi)有外部能量補(bǔ)償?shù)那闆r下，由恢復(fù)力和較小的阻尼力共同作用而產(chǎn)生的振動(dòng)，其特征是總能量逐漸降低，振幅逐漸減小。將鉆柱的上提加速過(guò)程視為包含粘滯阻尼和庫(kù)侖阻尼的線(xiàn)性阻尼。粘滯阻尼是指在鉆井液中鉆桿所受的粘滯阻尼；庫(kù)侖阻尼多是由井眼內(nèi)鉆具的偏心所引起，其大小與相對(duì)速度相關(guān)，這里假定阻尼的大小隨相對(duì)速度的變化而變化，而阻尼的大小則是與運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的速度成比例，但方向相反?？梢缘玫剑?/p>

β=（3）

式中：β為阻尼系數(shù)；μ為鉆井液動(dòng)力黏度，N·s/m2； d為井筒直徑，m；ρ為鉆柱的材料密度，kg/m2；r為鉆柱半徑，m；λ為鉆柱在井筒中偏心而引起的摩阻增加系數(shù)；A為上部鉆柱組合當(dāng)量橫截面積，m2。

鉆井液黏度越大，對(duì)震擊器的阻力越大，芯軸運(yùn)動(dòng)速度越小，震擊力也越小。若想得到較大的震擊力，鉆井液的黏度不宜過(guò)大。

2.5 震擊器上下鉆桿質(zhì)量對(duì)震擊力的影響

假設(shè)在連接液壓震擊器的管柱時(shí)，保持震擊器上段的總長(zhǎng)度不變，增加震擊器下方管柱的質(zhì)量或鉆鋌質(zhì)量。選擇在震擊器上方安裝鉆桿數(shù)量依次為2、3、4、5根時(shí)，探究隨著下方鉆桿數(shù)量增加，產(chǎn)生震擊力的變化趨勢(shì)。如液壓震擊器震擊力與下方鉆桿數(shù)量成反比關(guān)系由圖5a所示。如果保持下方鉆桿數(shù)量一定，增加上方鉆桿的質(zhì)量，選擇在震擊器下方安裝鉆桿數(shù)量依次為2、3、4根時(shí)，探究隨著上方鉆桿數(shù)量的增加，震擊力的變化趨勢(shì)。如圖5b所示，可以看出，震擊力會(huì)逐漸增大，如果繼續(xù)增大上方鉆桿重量，震擊力反而會(huì)減小。

增加震擊器上方的鉆鋌或加重鉆桿數(shù)量，可以增加震擊器的震動(dòng)強(qiáng)度。如果上方鉆柱質(zhì)量增加過(guò)多，震擊力會(huì)有所減小。造成該現(xiàn)象的原因是增加鉆鋌或加重鉆桿在震擊器上的質(zhì)量，會(huì)增加鉆具的平均橫截面積和剛度，鉆柱在大鉤提升力下的彈性延伸降低，沖擊瞬間的瞬時(shí)速度降低，動(dòng)能降低，從而降低了震擊力。如果在震擊器的上方接單一鉆桿會(huì)更有效。在工程實(shí)踐中，震擊器通常安放在鉆鋌或加重鉆桿上，加重鉆桿是在鉆鋌與鉆桿之間的過(guò)渡地帶使用，起到緩沖二者彎曲應(yīng)力的作用。在定向井鉆進(jìn)鉆柱選配中，加重鉆桿可以取代大多數(shù)鉆鋌，減少鉆柱與井壁之間的摩擦接觸面積［13］。鉆鋌為鉆頭提供鉆壓，同時(shí)也賦予了下部鉆具較大的剛度，保證鉆頭鉆進(jìn)作業(yè)平穩(wěn)，解決鉆孔偏斜的難題。由此可見(jiàn)，在組合鉆具中，使用鉆鋌和加重鉆桿增加鉆鋌質(zhì)量時(shí)，也要考慮對(duì)鉆具平均橫截面積和剛度的影響。因此在鉆具組合時(shí)，應(yīng)考慮多種因素，選擇合適的鉆桿與鉆鋌組合。

2.6 延時(shí)閥閥芯直徑對(duì)震擊力的影響

液壓震擊器延時(shí)閥是決定震擊延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短以及震擊力大小的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，不同的閥芯直徑產(chǎn)生的震擊力也不同。載溝槽型延時(shí)閥的結(jié)構(gòu)如圖6所示。利用Fluent軟件探究同種延時(shí)閥，不同閥芯直徑在相同的速度入口下入口的壓力值，若入口壓力越大，則產(chǎn)生的震擊力也就越大。保持閥體內(nèi)徑為3.5 mm，閥芯直徑分別選擇3.3、3.2、3.1 mm，入口速度均為0.08 m/s，得出入口壓力與閥芯直徑的關(guān)系，如圖7所示?？梢缘贸?，在閥體內(nèi)徑不變的情況下，閥芯直徑越大，延時(shí)閥的入口壓力也就越大；當(dāng)閥芯直徑增大時(shí)，閥體內(nèi)的環(huán)空間隙變小，導(dǎo)致憋壓增大，因此產(chǎn)生的震擊力也就越大。

3 結(jié)論

1） 通過(guò)對(duì)液壓震擊器的原理和工況研究，得到震擊力的影響因素有釋放力大小、井深、潤(rùn)滑油黏度、鉆井液黏度及鉆桿的質(zhì)量等。

2） 液壓震擊器的釋放力越大，震擊力也越大，但井架瞬時(shí)載荷也增大，對(duì)地面鉆機(jī)的功率需求增大，釋放力的大小應(yīng)合理選擇。

3） 鉆井深度越深，液壓震擊器上方鉆柱變長(zhǎng)，質(zhì)量加大，震擊產(chǎn)生的動(dòng)能會(huì)增大，震擊力也隨之變大。由于鉆桿的質(zhì)量只占鉆柱總質(zhì)量的33%，同其他影響因素對(duì)比，鉆柱質(zhì)量對(duì)震擊力的影響較小。

4） 潤(rùn)滑油黏度越大，液壓震擊器所存能量會(huì)增大，產(chǎn)生的震擊力就會(huì)越大。鉆井液黏度越大，震擊器運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩阻越大，產(chǎn)生的震擊力會(huì)減小。

5） 在震擊器上部增加鉆鋌或鉆桿數(shù)量，可以提高震擊力。但不能只依靠增加鉆鋌質(zhì)量，還應(yīng)考慮鉆具平均橫截面積和剛度的影響。若在震擊器上部接單一鉆桿會(huì)更有效。采用組合鉆具時(shí)，必須使用鉆鋌或加重鉆桿。

6） 延時(shí)閥閥體內(nèi)徑不變，在相同的速度入口條件下，閥芯直徑越大，延時(shí)閥流體區(qū)域入口的壓力也增大，產(chǎn)生的震擊力越大。

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