高頻液力扭力沖擊器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

趙建軍，崔曉杰，趙晨熙，胡 亮，尹慧博，馬蘭榮

（中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

隨著油氣開(kāi)發(fā)的逐漸深入，陸地淺層油氣資源開(kāi)始逐漸枯竭，勘探目標(biāo)逐漸轉(zhuǎn)向深部地層，巖石硬度、抗壓抗剪強(qiáng)度以及研磨性成倍增加，PDC鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中極易產(chǎn)生黏滑現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)械鉆速急劇下降[1，2]。為提高鉆井效率，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究人員在優(yōu)快鉆井技術(shù)方面進(jìn)行了大量研究[3-7]，查春青等提出一種復(fù)合沖擊鉆具[8]，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；劉彪等利用扭力沖擊器與PDC鉆頭配合使用，在順北區(qū)塊形成超深小井眼水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)[9]；田家林、齊列鋒和鄢光紅等研究了扭力沖擊器的運(yùn)動(dòng)特性[10-12]，扭力沖擊器作為一種以鉆井液為動(dòng)力源，把液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的容積式井下動(dòng)力輔助鉆具，配合PDC鉆頭使用，可對(duì)鉆頭施加周向往復(fù)的扭矩脈沖，當(dāng)與鉆柱穩(wěn)態(tài)鉆進(jìn)扭矩相疊加時(shí)，能對(duì)鉆頭施加高效的破巖扭矩，大幅度減小或消除鉆頭的黏滑振動(dòng)，在保證井身質(zhì)量的同時(shí)提高機(jī)械鉆速，延長(zhǎng)鉆頭壽命。

但以上學(xué)者對(duì)扭力沖擊器的理論建模分析較少，缺乏對(duì)沖擊扭矩等關(guān)鍵參數(shù)的試驗(yàn)研究，為此，本文以高頻液力扭力沖擊器為研究對(duì)象，深入探究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理，基于流體傳動(dòng)與工程力學(xué)等相關(guān)知識(shí)，建立了扭力沖擊器液壓系統(tǒng)與動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了必要簡(jiǎn)化及計(jì)算分析，得到關(guān)鍵零部件水力參數(shù)與扭轉(zhuǎn)沖擊性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并基于扭力沖擊器地面性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，完成高頻液力扭力沖擊器樣機(jī)地面性能測(cè)試。在節(jié)流壓差約為3 MPa時(shí)，沖擊扭矩高達(dá)850 N·m，沖擊頻率約13 Hz，該扭矩沖擊器能夠?yàn)殂@頭提供額外的高頻扭力沖擊，輔助鉆頭破巖，提高破巖效率，大幅提高深層鉆井機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，降低鉆井成本，具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

1 液力扭力沖擊器結(jié)構(gòu)及工作原理

液力扭力沖擊器總體結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），液力扭力沖擊器主要由外殼和扭轉(zhuǎn)沖擊本體組成，二者通過(guò)防脫機(jī)構(gòu)連接，扭轉(zhuǎn)沖擊本體從左到右依次由防砂套、導(dǎo)流套、碟簧、推力軸承、端蓋、支撐套、座體、沖擊錘、啟動(dòng)錘和噴嘴組成。此外，為了降低扭力沖擊器內(nèi)部動(dòng)力部件運(yùn)行摩阻和沖擊扭矩?fù)p耗，在工具內(nèi)部裝有推力軸承和滾針軸承。

液力扭力沖擊器通過(guò)內(nèi)部流體驅(qū)動(dòng)，一部分鉆井液流經(jīng)主流道節(jié)流噴嘴，產(chǎn)生節(jié)流壓差，另一部分鉆井液經(jīng)防砂支撐套過(guò)濾后進(jìn)入扭力沖擊器內(nèi)部液壓腔，驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)錘和沖擊錘扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生沖擊扭矩。具體工作機(jī)理（見(jiàn)圖2），沖擊錘作用面兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布有高、低壓鉆井液，在液壓力的作用下，沖擊錘帶動(dòng)啟動(dòng)錘逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)沖擊錘轉(zhuǎn)動(dòng)到終止位置時(shí)停止，完成第一階段扭轉(zhuǎn)沖擊；而啟動(dòng)錘在自身慣性及其所受液壓力的作用下，繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直至完成沖擊錘作用面兩側(cè)高、低壓液腔切換，在液壓力的作用下，沖擊錘帶動(dòng)啟動(dòng)錘順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)沖擊錘轉(zhuǎn)動(dòng)到終止位置時(shí)停止，完成第二階段扭轉(zhuǎn)沖擊，依次類(lèi)推，最終產(chǎn)生連續(xù)、均勻、穩(wěn)定的高頻扭轉(zhuǎn)沖擊。

2 模型簡(jiǎn)化與分析

為便于液力扭力沖擊器數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)該模型提出以下假設(shè)條件：

圖1 液力扭力沖擊器總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The overall structure drawing of hydraulic torsional impactor

圖2 液力扭力沖擊器工作機(jī)理Fig.2 The work mechanism of hydraulic torsional impactor

（1）忽略啟動(dòng)錘和沖擊錘運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦力；

（2）主流道和旁通流道節(jié)流口流量系數(shù)近似相等；

（3）沖擊錘在壓差作用下迅速加速之后以勻速運(yùn)動(dòng)，旁通流道流量保持穩(wěn)定，此時(shí)，沖擊錘兩側(cè)壓力近似相等，有 pc≈p1。

基于此，泵入排量與主流道節(jié)流壓差的關(guān)系可等效為：

通過(guò)計(jì)算得到主流道節(jié)流口不同直徑時(shí)節(jié)流壓差隨泵入排量的變化曲線(xiàn)（見(jiàn)圖3）。

主流道和旁通流道的平均流速為：

沖擊錘的平均角速度為：

沖擊錘撞擊前的平均動(dòng)能為：

沖擊錘撞擊及啟動(dòng)錘換向的總運(yùn)動(dòng)時(shí)間為：

根據(jù)能量守恒定律，儲(chǔ)存在彈性體內(nèi)的應(yīng)變能U在數(shù)值上等于沖擊錘撞擊前的平均動(dòng)能W，（忽略能量損失）即U=W。

圖3 不同節(jié)流口直徑時(shí)節(jié)流壓差隨泵入排量的變化曲線(xiàn)Fig.3 The variation curve of throttle pressure difference with pump flow at different diameter of orifice

其中：σr－撞擊面產(chǎn)生的正應(yīng)力，Pa；Fr－撞擊面產(chǎn)生的沖擊內(nèi)力，N；Mr-撞擊面產(chǎn)生的沖擊扭矩，N·m；Δθ-撞擊面產(chǎn)生的應(yīng)變量；E-工具材料的彈性模量，Pa。

通過(guò)計(jì)算得到主流道節(jié)流口不同直徑時(shí)沖擊扭矩隨泵入排量的變化曲線(xiàn)（見(jiàn)圖4）。

由圖3可知，在鉆井液密度、節(jié)流口流量系數(shù)近似不變的情況下，主流道節(jié)流壓差與泵入排量呈二次函數(shù)關(guān)系，主流道節(jié)流口直徑越小，節(jié)流壓差增長(zhǎng)越快；由圖4可知，在啟動(dòng)錘、沖擊錘和節(jié)流口結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，沖擊扭矩與泵入排量呈線(xiàn)性關(guān)系，主流道節(jié)流口直徑越小，對(duì)應(yīng)斜率越大，沖擊扭矩增長(zhǎng)越快。

3 試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證高頻液力扭力沖擊器數(shù)學(xué)模型的正確性，分析其地面扭轉(zhuǎn)沖擊特性，搭建了扭力沖擊器地面性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)方案原理圖及實(shí)物圖（見(jiàn)圖5，圖6）。泥漿泵泵入鉆井液驅(qū)動(dòng)工具高頻扭轉(zhuǎn)沖擊，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間不間斷地循環(huán)測(cè)試，通過(guò)示波器可實(shí)時(shí)顯示扭矩傳感器所采集的沖擊扭矩及其頻率，通過(guò)壓力表和流量計(jì)獲取泵送排量及節(jié)流壓差。

圖4 不同節(jié)流口直徑時(shí)沖擊扭矩隨泵入排量的變化曲線(xiàn)Fig.4 The variation curve of impact torque with pump flow at different diameter of orifice

圖5 扭力沖擊器地面試驗(yàn)方案原理圖Fig.5 The ground test scheme of hydraulic torsional impactor

圖6 扭力沖擊器地面試驗(yàn)實(shí)物圖Fig.6 The ground test picture of hydraulic torsional impactor

基于扭力沖擊器地面性能試驗(yàn)平臺(tái)，選取主流道節(jié)流口直徑為16 mm，測(cè)量得到主流道節(jié)流壓差隨泵入排量的變化曲線(xiàn)，并與模型簡(jiǎn)化計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比分析（見(jiàn)圖7），理論計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值曲線(xiàn)相仿，最大偏差小于12%，初步驗(yàn)證了扭力沖擊器數(shù)學(xué)模型的正確性。為進(jìn)一步分析扭力沖擊器的沖擊特性，選取主流道節(jié)流口直徑為12 mm，測(cè)量得到節(jié)流壓差、沖擊扭矩以及沖擊頻率隨泵入排量的變化曲線(xiàn)（見(jiàn)圖8），當(dāng)泵入排量接近1.4 m3/min時(shí)，節(jié)流壓差約為3 MPa，沖擊頻率約為13 Hz，沖擊扭矩可達(dá) 850 N·m，與簡(jiǎn)化模型理論計(jì)算結(jié)果較為吻合，可有效抑制深部硬地層鉆頭黏滑振動(dòng)，提高鉆井效率，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)入井試驗(yàn)要求。

4 結(jié)論

（1）高頻液力扭力沖擊器可以提供附加沖擊扭矩，有效抑制PDC鉆頭鉆進(jìn)時(shí)存在的黏滑現(xiàn)象，提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，在當(dāng)前全世界油價(jià)低迷的形勢(shì)下，降本增效的需求日益突出，我國(guó)進(jìn)行鉆井提速工具方面的研究顯得尤為必要。

（2）分析了高頻液力扭力沖擊器的總體結(jié)構(gòu)和工作原理，運(yùn)用流體力學(xué)等相關(guān)知識(shí)建立了扭力沖擊器數(shù)學(xué)模型，并基于假設(shè)條件進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化和計(jì)算。

（3）搭建了高頻液力扭力沖擊器地面性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)量分析了扭力沖擊器節(jié)流壓差、沖擊扭矩以及沖擊頻率隨泵入排量的變化曲線(xiàn)，驗(yàn)證了扭力沖擊器數(shù)學(xué)模型的正確性。選取主流道節(jié)流口直徑為12 mm，當(dāng)泵入排量接近1.4 m3/min時(shí)，節(jié)流壓差約為3 MPa，沖擊頻率約為13 Hz，沖擊扭矩可達(dá)850 N·m，高頻液力扭力沖擊器可有效抑制深部硬地層鉆頭黏滑振動(dòng)，提高鉆井效率，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

圖7 節(jié)流壓差隨泵入排量變化的對(duì)比分析圖Fig.7 The contrast analysis diagram of pressure difference changes as a function of pump flow

圖8 扭力沖擊器沖擊特性曲線(xiàn)Fig.8 The impact characteristic curves of hydraulic torsional impactor

［1］楊頡.PDC鉆頭減振輔助破巖工具的研究與應(yīng)用［D］.荊州：長(zhǎng)江大學(xué)，2014.

［2］鄭瑞強(qiáng).液動(dòng)旋沖工具的研制［J］.石油機(jī)械，2017，45（1）：30-33.

［3］田家林，李友，余長(zhǎng)柏，等.鉆井減摩振蕩器工作特性研究與試驗(yàn)分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2015，32（11）：68-73.

［4］田家林，楊志，楊琳，等.新型鉆井振蕩器工作原理與振動(dòng)特性研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2015，26（21）：2946-2951.

［5］李琴，謝豆，黃志強(qiáng)，等.硬地層復(fù)合鉆頭破巖特性與提速機(jī)理研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2017，36（3）：347-353.

［6］DEPOUHON A，DETOURNAY E.Instability Regimes and Self-excited Vibration in Deep Drilling Systems［J］.Journal of Sound and Vibration，2014，333（7）：2019-2039.

［7］張?jiān)?射吸式液動(dòng)沖擊器的優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.西安：西安石油大學(xué)，2015.

［8］查春青，柳貢慧，李軍，等.復(fù)合沖擊鉆具的研制及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［J］.石油鉆探技術(shù)，2017，45（1）：57-61.

［9］劉彪，潘麗娟，張俊，等.順北區(qū)塊超深小井眼水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)［J］.石油鉆探技術(shù)，2016，44（6）：11-16.

［10］田家林，朱永豪，吳純明，等.新型扭力沖擊器的運(yùn)動(dòng)特性研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016，（3）：75-78.

［11］齊列鋒.新型液壓式扭力沖擊器設(shè)計(jì)與動(dòng)力仿真［D］.荊州：長(zhǎng)江大學(xué)，2016.

［12］鄢光紅.液動(dòng)扭力沖擊器動(dòng)力沖擊裝置模型的研究［D］.烏魯木齊：新疆大學(xué)，2015.