NPJ-1型高效破巖脈沖射流軸向沖擊器研制

李　瑋，紀照生，王琪琪，趙增偉，劉婉瑩（東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶163318）

·開發應用·

NPJ-1型高效破巖脈沖射流軸向沖擊器研制

李瑋，紀照生，王琪琪，趙增偉，劉婉瑩
（東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶163318）①

沖擊器是提高深井機械鉆速的主要井下工具。針對沖擊器核心部件易損壞，壽命短，提速效果不明顯等問題，設計了NPJ-1型高效脈沖射流軸向沖擊器。該工具通過水力調節機構使鉆頭在旋轉的同時產生縱向振動，可顯著改善鉆頭與井底附近巖石的受力狀況，有效提高機械鉆速。通過數值模擬分析，室內強度試驗、原理試驗，該脈沖射流軸向沖擊器工作原理正確，結構簡單、可靠，明顯提高了鉆井速度，且使用壽命長。

高效破巖；脈沖射流軸向沖擊器；強度校核；原理試驗

破巖技術是油氣鉆井技術的核心內容，也是鉆井工程基礎理論研究的重點［1］。在深井、超深井中，高效破巖技術更顯重要，破巖效率的好壞直接決定著鉆井速度和成本，更決定著鉆井工程的經濟效益［2］。目前，各類沖擊器是提高深井機械鉆速的主要井下動力工具［3］。其中的液力沖擊器以其不需要額外補充能量，僅利用鉆井液的壓力即可進行工作而受到了業界科研人員的重視。在國外，泛美石油公司，Perth鉆探設備公司，美國Smith Tool公司，德國克勞斯塔爾工業大學等研制出了自己特有的液力沖擊器。在國內，近幾年也研制出了多種型號的液動沖擊器，例如YZX-127型高沖擊功液動沖擊器，XC型液動沖擊器，YSC-178型液動射流式沖擊器，SYZJ液動沖擊器［4-10］。筆者調研發現，這些沖擊器在野外試驗及生產中雖然一定程度上提高了鉆井效率，但是出現了核心部件較易損壞，壽命短等問題。因此，筆者研發了一種新的脈沖射流軸向沖擊器——NPJ-1型高效脈沖射流軸向沖擊器（以下簡稱脈沖射流軸向沖擊器）。

1　結構及工作原理

脈沖射流軸向沖擊器是針對目前其他沖擊器使用壽命不能滿足石油鉆井生產實際需求而研制的一種新型液動沖擊器，其結構如圖1所示。

圖1　脈沖射流軸向沖擊器結構

脈沖射流軸向沖擊器的葉輪在高壓大排量鉆井液的作用下持續不斷地轉動，帶動下部的密封塊，交替封堵下部周期性導流平板上的通孔，使鉆井液產生壓力波動。該壓力波動經收縮裝置收攏聚能后作用于下部的傳動短接進而作用于鉆頭，使鉆頭在旋轉的同時產生縱向振動。

由旋轉沖擊鉆井的實踐可知，沖擊器在旋轉的同時具有振動效應，不僅能夠顯著改善井底附近巖石的受力狀況，提高破巖效率，進而提高鉆井速度，而且能夠改善鉆頭的受力，延長鉆頭使用時間，縮短建井周期。由于水力脈沖直接作用而使鉆頭產生機械振動，沒有旋轉沖擊鉆井技術中普遍采用的沖擊錘等中間機構，減少了能量損耗。另外，工具的結構也得到了簡化，提高了系統的可靠性和安全性。該技術能夠簡單有效調節振幅、頻率，可顯著降低對鉆頭等配套工具的要求，有效降低制造和使用成本。

2　強度校核

利用三維建模軟件Solid Works對脈沖射流軸向沖擊器進行了建模和參數化設計后，又利用該軟件的Simulation插件對其進行了相關分析，以確保其可靠性。

模擬井下實際工況：井深5000m、地溫梯度3．2℃／100m、地表溫度20℃、鉆井液密度1．0g／cm3。確定模擬實際工作載荷為：鉆壓80kN、轉矩2500N·m、內壓16MPa、外壓15MPa。選用材料為AISI1045鋼，其屬性如表1。

對裝配體進行有限元網格劃分。由于建立的模型比較復雜，單元類型選擇實體網格劃分；同時為了提高仿真分析的精度，選擇高品質的網格；并且打開網格化自動過渡功能，其目的是產生自適用網格，在容易產生較大應力的部位形成較大的網格密度，而其余部位產生相對較小網格密度（如圖2）。這樣不僅可有效提高仿真分析精度，也可以控制計算規模，節約仿真分析時間。

表1　材料屬性

圖2　網格劃分

對算例進行運算，得到應力、位移、應變、安全系數，如圖3～4。

圖3　應力

從有限元算例分析結果可知，范式應力和對等應變的分布較均勻，不存在應力集中或應變集中區域。位移變化最大的位置在殼體上部。為了防止生產事故的發生，對其進行優化設計。默認失敗準則為最大Von Mises應力，從Von Mises應力分析圖上可以看出，最大應力為184．2 MPa，遠小于屈服強度530 MPa，安全系數達到2．88，不發生應力破壞。從位移分析圖來看，最大位移為0．033 059mm，位移變形較小。

圖4　合位移

3　室內試驗

3．1 強度試驗

加工了全尺寸試驗樣件，利用東北石油大學油氣鉆井技術國家工程試驗室液壓機對其強度進行了測試，如圖5。強度校核試驗中，在樣件上加載荷2 500 k N，并穩定10min，樣件沒有明顯變形，說明其強度可靠，滿足現場使用要求。

圖5　工具室內強度試驗

3．2 功能試驗

依托東北石油大學油氣鉆井技術國家工程試驗室的多功能液相高壓循環系統對沖擊器進行了室內原理試驗，如圖6。開泵，待水流穩定后，可清晰的聽到脈沖液體沖擊傳動短接聲響，用手接觸工具樣件，可明顯感受到縱向振動作用，說明了工具原理可行。

圖6　工具室內原理試驗

4　結論

1） 設計了一種高效脈沖射流軸向沖擊器。

2） 結構強度的數值模擬分析及室內試驗表明，脈沖射流軸向沖擊器工作原理正確，結構可靠。

3） NPJ1型沖擊器結構簡單，無易損薄弱部件，可顯著提高使用壽命。沖擊器頻率、振幅可調，不僅破巖效率高，而且配套性強，成本低，提速效果好，易于在現場大面積推廣應用。

4） 加工全尺寸工具，進行現場試驗，進一步驗證設計的合理性及有效性，并為后續的結構設計優化提供更可靠、更準確的資料，是脈沖射流軸向沖擊器研究下一步要做的工作和重點。

［1］ 閆鐵，杜婕妤，李瑋，等．高效破巖前沿鉆井技術綜述［J］．石油礦場機械，2012，41（1）：50-55．

［2］ 張熊棟．高壓水射流破巖技術的特點［J］．國外金屬礦采礦，1980（11）：12-25．

［3］ 劉華潔，高文金，涂輝，等．一種能有效提高機械鉆速的水力振蕩器［J］．石油機械，2013（7）：46-48．

［4］Marx V C，Gloth H，Zhao Guangzhuo．Entwicklung eines leistungsstarken hydraulischen bohrhammers ［C］／／FELSBAU 17 NR．4，S，1999：296-301．

［5］ 菅志軍，殷琨，蔣榮慶，等．油氣勘探鉆井用液動射流式沖擊器的研究與應用［J］．世界地質，1998（4）：89-93．

［6］ 謝文衛，蘇長壽，宋愛志．新型高沖擊功液動潛孔錘的研究［J］．探礦工程（巖土鉆掘工程），1998（6）：33-34．

［7］ 劉玉民，韓玉安，孫艷龍，等．XC-82型液力旋沖鉆具及配套鉆頭的性能測試［J］．石油機械，1999（5）：20-23．

［8］ 王克雄．沖擊旋轉鉆井技術在石油鉆井中的應用研究［J］．石油鉆采工藝，1999（5）：5-9．

［9］ 文平，陳波，雷巨鵬，等．液動沖擊旋轉鉆井技術在玉門青西油田的應用［J］．天然氣工業，2004（9）：64-67．

［10］ 陳勁松，翟應虎．SYZJ型沖擊動載發生器設計的巖石破碎力學基礎［J］．巖石力學與工程學報，2001（6）：834-838．

Development of Efficient Pulse Jet Axial Impactor

LI Wei，JI Zhaosheng，WANG Qiqi，ZHAO Zengwei，LIUWanying
（College of Petroleum Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）

Rock breaking technology is the core technology for oil and gas drilling and the focus of drilling engineering basic research．At present，all kinds of deep shock aremain downhole tools of improving ROP．For the problems of current shocks that core components is easily damaged，lifeis short，speed is not obvious，we designed a new type of pulsed axial impactor．The pulsed axial im-pactor allows longitudinal vibration while rotating through certain hydraulic adjustmentmecha-nism can significantly improve the situation of drill bit and downhole nearby rocks and improve drilling speed．By numerical analysis tool strength check，interior strength test and principle ex-periment，the pulse jet axial impact device works properly，have reliable structure，and achieve the aim of a simple structure，no wearing parts were found，meeting the basic requirements for extend-ed service life．

efficient rock breaking；axial pulse jet impactor；strength check；mechanism experiment

1001－3482（2015）08－0053－03

TE921．203

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．012

①2015－01－28

中國石油天然氣集團公司科學研究與技術開發項目“鉆井新技術新方法研究”二級子課題：高研磨地層破巖新

技術研究（2014A-4211）；東北石油大學培育基金項目：高頻低幅沖擊鉆井破巖理論研究（PY120121）

李 瑋（1979-），男，黑龍江大慶人，教授，博士生導師，主要從事高效鉆井破巖、水力壓裂、鉆井優化等方面的理論與技術研究工作，Email：cyyping＠sina．com。