油氣鉆井用液動錘優(yōu)化設(shè)計研究

黃雪琴，孟慶昆，鄭曉峰，胡貴

1.中國石油勘探與生產(chǎn)工程監(jiān)督中心（北京100083）2.中國石油勘探開發(fā)研究院（北京100083）

■工程技術(shù)

油氣鉆井用液動錘優(yōu)化設(shè)計研究

黃雪琴1，孟慶昆1，鄭曉峰1，胡貴2

1.中國石油勘探與生產(chǎn)工程監(jiān)督中心（北京100083）2.中國石油勘探開發(fā)研究院（北京100083）

由于油氣鉆井井深較深、井眼尺寸較大、井下工況復(fù)雜，傳統(tǒng)液動錘在油氣鉆井中應(yīng)用易出現(xiàn)提速效果不明顯、使用壽命短等問題。為此研制了大功率、長壽命油氣鉆井用液動錘。通過建立液動錘的動力學(xué)模型，編制液動錘的性能參數(shù)仿真計算程序，設(shè)計出液動錘的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。理論分析結(jié)果表明，液動錘沖擊功率達(dá)10kW。臺架試驗結(jié)果表明，液動錘工作原理可行，沖擊功率與理論分析結(jié)果相符合。

油氣鉆進(jìn)；液動錘；優(yōu)化設(shè)計；臺架試驗

近年來隨著油氣資源勘探開發(fā)逐步走向深部復(fù)雜地層，鉆井破巖效率低的問題日益突出[1-2]。沖擊鉆井技術(shù)改變了常規(guī)的旋轉(zhuǎn)切削破巖方式，采用以縱向沖擊為主、回轉(zhuǎn)切削為輔的破巖方式，實現(xiàn)巖石體積破碎，從而能夠有效提高硬質(zhì)地層的破巖效率[3]。沖擊鉆井技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)計出合適的沖擊鉆井工具。目前，沖擊鉆井工具主要有空氣錘、泡沫錘和液動錘?？諝忮N主要應(yīng)用于氣體鉆井中，鉆遇潮濕和出水地層時，容易造成鉆頭泥包，無法正常鉆進(jìn)[4]。盡管研制了適用于出水地層的泡沫錘[5-6]，但其只適用于氣體和泡沫鉆井介質(zhì)，無法在常規(guī)液相鉆井介質(zhì)中應(yīng)用。液動錘適用于常規(guī)液相介質(zhì)的鉆井作業(yè)中，適用范圍比空氣錘、泡沫錘更廣。早期液動錘主要應(yīng)用于淺層礦探行業(yè)[7-9]，20世紀(jì)90年代逐步在油氣鉆井行業(yè)試驗[10-13]，但目前未見規(guī)模應(yīng)用報道。主要原因是傳統(tǒng)液動錘沖擊功率較低，在油氣鉆井中應(yīng)用提速幅度有限，且使用壽命較短。因此，有必要研制出一種適用于油氣鉆井的新型液動錘。

1 新型液動錘結(jié)構(gòu)和工作原理

油氣井井深較深、井眼尺寸較大、井下工況復(fù)雜，相對于淺層礦探行業(yè)用液動錘，油氣鉆井用液動錘要求具有更大的沖擊功率、適應(yīng)更大的鉆井排量以及更好的作業(yè)穩(wěn)定性。針對該技術(shù)需求，研制了大沖擊功率、大排量、長壽命的新型油氣鉆井用液動錘。

1.1 基本結(jié)構(gòu)

新型油氣鉆井用液動錘的基本結(jié)構(gòu)主要由鉆頭接頭、閥組件、承壓腔、阻尼裝置、活塞、節(jié)流裝置、擋塊、密封等部件組成。

1.2 工作原理

新型油氣鉆井用液動錘的基本工作原理是基于雙作用式液動錘，其工作沖程與反沖程均由液壓推動，而不依賴彈簧的作用。高壓液流通過鉆柱進(jìn)入液動錘的上接頭，進(jìn)入中心排空通道的液流分為3部分：通過高壓通道進(jìn)入下部環(huán)空；經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后進(jìn)入上部環(huán)空；其余液流經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后直接進(jìn)入井底攜巖。下部環(huán)空的流體壓力大于上部環(huán)空的流體壓力，活塞在流體壓力差推動作用下向上運(yùn)動，此為液動錘的反沖程。當(dāng)活塞向上運(yùn)動與固定閥接合時，中心排空通道被關(guān)閉，下部環(huán)空壓力下降，高壓液流作用在活塞承力部件上，在流體壓力和活塞自重的作用下，活塞向下運(yùn)動沖擊鉆頭，此為液動錘的工作沖程。這樣一個反沖程與一個工作沖程即為一個工作周期，如此循環(huán)周而復(fù)始。

1.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)勢

通過結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝方面的改進(jìn)，新型油氣鉆井用液動錘具有以下特點(diǎn)及優(yōu)勢?；钊\(yùn)動是依靠2個兩通液動換向，而不是依靠彈簧，能增加活塞質(zhì)量，從而提高液動錘的單次沖擊功；采用中心排空通道設(shè)計，無需旁通分流裝置，既能夠滿足油氣鉆井現(xiàn)場所用的大排量需求，又能減緩高壓液流對分流裝置的沖蝕作用，提高液動錘的使用壽命；采用固定式單閥結(jié)構(gòu)，且閥件內(nèi)設(shè)置承壓腔和阻尼裝置，有利于提高閥件的穩(wěn)定性和使用壽命；整個液動錘僅有6道靜密封，無動密封，提高了液動錘的密封性能；活塞表面采用高抗磨熱處理工藝，耐沖蝕性能得到改善。

2 新型液動錘沖擊性能分析

2.1 液動錘動力學(xué)模型建立

為了研究液動錘的運(yùn)動特性，對液動錘的主要運(yùn)動部件活塞進(jìn)行受力分析，建立活塞各個運(yùn)動階段的動力學(xué)模型。

2.1.1 受力分析

①活塞上腔流體壓力P1；②活塞下腔流體壓力P2；③活塞重力G；④水擊壓力P3[14]；⑤黏性阻力Fn[15]。

式中：m為活塞質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2。

式中：P3為水擊壓力，Pa；K1為折算系數(shù)，取0.85~0.9；ρ為流體密度，kg/m3；C為水擊波速，m/s；V1為流道內(nèi)流體速度，m/s；V2為活塞下行時的瞬時速度，m/s。

其中，水擊波速C的計算公式如下：

式中：Di為管道內(nèi)徑，m；e為管道壁厚，m；鋼制鉆桿中，一般取B=1 435m/s，M=0.01[3]。

式中：Cn為流體阻力系數(shù)。

2.1.2 動力學(xué)模型

根據(jù)活塞受力分析，分別建立活塞上行程、下行程的動力學(xué)模型，包括加速度微分方程、速度微分方程以及位移微分方程。

1）上行程動力學(xué)模型

加速度微分方程：

2.2 液動錘沖擊性能分析結(jié)果

根據(jù)以上液動錘動力學(xué)模型，編制了液動錘性能參數(shù)的仿真計算程序。利用該仿真計算程序，設(shè)計出了性能最優(yōu)的液動錘結(jié)構(gòu)參數(shù)的組合，如表1所示；計算出了該結(jié)構(gòu)參數(shù)的液動錘特性曲線，如圖1所示。由圖1可以看出，液動錘沖擊功率達(dá)10 kW。

式中：d dtx2為活塞瞬時加速度，m/s2；A1為活塞上端面面積，m2；A2為活塞下端面面積，m2；A3為活塞中心排空通道過流面積，m2。

速度微分方程：2

位移微分方程：

式中：x為活塞在每一時刻時間步長終點(diǎn)的位移，m；x0為活塞在每一時間步長起點(diǎn)的位移，m。

2）下行程動力學(xué)模型

加速度微分方程：

速度微分方程：

位移微分方程：

表1 新型油氣鉆井用液動錘技術(shù)參數(shù)

圖1 新型油氣鉆井用液動錘特性曲線

3 臺架試驗

臺架試驗的目的為驗證液動錘工作原理的可行性；測試液動錘的沖擊性能參數(shù)。

試驗設(shè)備主要由試驗臺架、供液系統(tǒng)、測控系統(tǒng)3部分組成。試驗條件如表2所示。

表2 臺架試驗條件

試驗步驟：將連接管線，確保連接密封可靠；將液動錘安裝在試驗臺架上；啟動供液泵，逐步加大排量至液動錘開始動作，記錄排量和泵壓；當(dāng)達(dá)到額定泵壓時，關(guān)泵。

試驗結(jié)果：液動錘在大排量下工作正常，工作原理可行；液動錘沖擊功率約9.6 kW，與理論計算相符合。

4 結(jié)論

針對傳統(tǒng)液動錘應(yīng)用于油氣鉆井中存在的問題，研制了大功率、長壽命新型油氣鉆井用液動錘。通過建立液動錘的動力學(xué)模型，編制了液動錘性能參數(shù)的仿真計算程序。理論分析結(jié)果表明，新型液動錘的沖擊功率約10kW。通過臺架試驗，驗證了新型油氣鉆井用液動錘的工作原理是可行的，其沖擊功率與理論計算相符合。

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Due to the large depth and large diameter of oil and gas well and the complex downhole condition,to use traditional hydraulic hammer for drilling oil and gas wells easily causes the problems that drilling speed increasing is not obvious and service life is short.For this purpose,a hydraulic hammer with high power and long life for oil and gas drilling is developed.The structural parameters of the hy?draulic hammer are designed through establishing the dynamic model of the hydraulic hammer and programming for calculating the per?formance parameters of the hydraulic hammer.The theoretical analysis shows that the impact power of the hydraulic hammer is up to 10kW.The bench test results show that the working principle of the hydraulic hammer is feasible,and the test impact power is consis?tent with the theoretical analysis result.

oil and gas drilling;hydraulic hammer;optimum design;bench test

尉立崗

2017-04-08

黃雪琴（1984-），女，在讀博士研究生，現(xiàn)主要從事油氣井井下提速工具的研究工作。