全孔反循環氣動沖擊潛孔錘設計及其沖擊碰撞性能研究

魏俊，馮進，張慢來，馬良豐 何臻，遲少林，李裴晨，劉宇

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

20世紀90年代以來，我國石油上游領域的研究重點逐漸轉移至復雜地質條件、非常規油氣資源及中后期油氣田的改造等方面[1]，面臨深井、超深井等硬質地層鉆進難題，機械鉆速低、井斜突出、鉆井成本高，且多位于高原、邊遠、干旱缺水等地質條件復雜的地區。氣動沖擊潛孔錘鉆井技術具有鉆孔鑿巖效率高、所需鉆壓和扭矩小、鉆頭壽命長等特點，廣泛用于固體資源勘探、水文地熱井鉆鑿、石油天然氣鉆井等領域，其采用氣體作為鉆孔破巖介質，氣源充足且無污染。訚耀保等[2]建立了大直徑氣動潛孔錘的數學模型，并采用有限差分法，模擬了活塞在氣室內穩定運動狀態下的動力學過程，得到了活塞的運動特性曲線，并研究了潛孔錘各結構參數對工作過程的影響規律。高陽[3]對單體大口徑潛孔錘的破巖機理、鉆井工藝、進排氣系統等基礎問題進行了研究，設計了相應的鉆頭模型，采用理論方法對該鉆頭破巖動力學問題進行了分析，并以花崗巖為例，采用ABAQUS工程分析軟件確定出了該潛孔錘的單次沖擊功和鉆速。朱麗紅[4]、博坤[5]針對油氣勘探開發的特點和反循環鉆進工藝的要求，圍繞潛孔錘反循環鉆井流體動力學參數開展了研究，分析了油氣勘探風動潛孔錘反循環鉆井系統，設計了反循環井底壓縮氣體流動模擬試驗臺架，開展了流體動力學參數試驗研究，并采用計算機流體力學技術針對反循環風動潛孔錘的局部流場進行了數值模擬，得到了相應潛孔錘鉆進系統的各工作參數，為其在油氣勘探領域中應用時氣源參數的選擇提供了參考依據。近年來，為提高巖樣完整性、破巖鉆進效率，又發展出了潛孔錘反循環[6,7]鉆進取樣(取心)技術、泡沫鉆進及跟套管鉆進技術等。

設計了一種全孔反循環氣動沖擊潛孔錘，地面氣源系統輸出的高壓氣體推動潛孔錘錘體高頻沖擊鉆頭，并由鉆頭將錘體的沖擊碰撞能量傳遞到井底巖石，配合地面鉆機提供的回轉力矩和鉆壓，巖石在高頻沖擊和回轉切削的共同作用下發生體積破碎，提高了硬巖地層鉆進效率。潛孔錘在井底工作時，如果錘體的沖擊末速度過小，則在巖石上形成的沖擊功小、沖擊頻率低，達不到沖擊破巖效果；如果錘體的沖擊末速度過大，則錘體沖擊功大、沖擊頻率高，易使井底巖石發生重復破碎，不利于巖石上返，故而需要控制錘體的沖擊速度[8,9]。筆者通過建立潛孔錘虛擬樣機[10]，采用多體動力學方法和有限元方法，對錘體與鉆頭間的高頻沖擊作用進行了仿真模擬，得出了錘體沖擊速度的最適合范圍。

1 全孔反循環氣動沖擊潛孔錘結構設計

1.1 結構與工作原理

全孔反循環氣動沖擊潛孔錘的設計結構如圖1所示，主要由殼體、逆止閥系統、氣缸、錘體、芯管、鉆頭等組成，殼體上、下端分別通過螺紋與上接頭和花鍵套連接，鉆頭上設置有外花鍵結構，可與花鍵套形成花鍵配合，并由半圓卡環與花鍵套間的徑向臺階實現鉆頭的軸向限位，其他各零部件均設置在殼體內側。

工作原理如下：一方面，地面氣源系統提供的高壓氣體通過雙壁鉆具環空進入潛孔錘部分，在氣體壓力作用下克服逆止彈簧的彈力，使逆止閥開啟，高壓氣體進一步通過導流接頭的過流孔進入潛孔錘配氣室，通過錘體與氣缸間圓柱面在不同位置處的配合關系實現氣缸各腔室的不同配氣狀態，使錘體沿軸向形成往復沖擊運動，以一定的速度沖擊鉆頭，鉆頭將錘體的沖擊作用傳遞到井底巖石；另一方面，在地面鉆機所提供的回轉力矩和軸向壓力(鉆壓)作用下，鉆頭會發生高速旋轉，形成回轉切削作用。井底巖石在軸向高頻沖擊與周向旋轉切削的共同作用下發生體積破碎，提高了破巖鉆進效率。

圖1 全孔反循環氣動沖擊潛孔錘三維結構

1.2 設計特點

1)結構簡單、易損件少且可更換。

2)逆止閥系設計。可在停泵、起下鉆或出現故障導致雙壁鉆具環空壓力不足時，有效防止地層流體經鉆頭噴孔逆行上返進入潛孔錘內部，導致因潛孔錘工作性能降低甚至直接卡死而出現嚴重井下事故。

3)半圓卡環應用。可實現鉆頭的軸向限位，并防止起下鉆時鉆頭掉落井底。

4)全孔反循環。鉆柱外壁與井壁接觸，可增強導向性，提高防斜能力并使井壁光滑，可加快起下鉆進程，提高鉆進效率。

5)防空打機制。起下鉆或加接鉆桿時，鉆頭和錘體由于自身重力作用處于懸吊狀態，高壓氣體可經由氣缸上腔出氣口流向鉆頭噴嘴，可有效防止錘體對鉆頭的沖擊作用(空打)，提高鉆頭使用壽命。

2 沖擊運動組件多體動力學仿真

2.1 潛孔錘基本工作要求

氣動沖擊潛孔錘應用于深井、超深井鉆進過程中，常鉆遇礫石層、石英巖、輝綠巖等高硬度巖層，其最高抗壓強度可達350MPa，發生體積破碎的沖擊功一般在900J以上[11]。工作時，地面氣源系統提供的高壓氣體使錘體往復沖擊鉆頭，通過鉆頭將高頻沖擊能量傳遞到井底巖石，形成沖擊破巖效果。潛孔錘單次沖擊功的計算公式如下：

(1)

式中：E為潛孔錘單次沖擊功，J;m為潛孔錘錘體質量,kg；v為潛孔錘沖擊鉆頭的沖擊末速度,m/s。

根據所設計的潛孔錘整體要求，通過三維造型設計軟件統計出了該潛孔錘錘體的質量為52.901kg，根據井底巖石破碎的沖擊功要求及錘體沖擊功計算公式，可確定出潛孔錘錘體的最小沖擊末速度為5.8m/s。

2.2 多體動力學仿真

潛孔錘錘體在高壓氣體作用下對鉆頭形成往復沖擊運動，沖擊功通過應力波的形式傳遞給井底巖石，使其發生體積破碎。為保證潛孔錘的綜合性能，選用了高強、耐用的合金鋼材料，錘體材料為20CrMnTi，鉆頭材料為20Ni4Mo，2種材料的密度均為7800kg/m3，屈服強度分別為850MPa和1220MPa。

將潛孔錘錘體和鉆頭作為沖擊運動組件，建立虛擬樣機仿真模型，采用多體動力學仿真軟件Adams進行仿真分析，設置鉆頭為完全約束狀態。對潛孔錘錘體添加軸向移動和線性驅動馬達，并給予一定的沖擊速度(錘體的沖擊末速度)，使其能夠實現對鉆頭的沖擊作用；將潛孔錘錘體的下表面和鉆頭的上表面設置為監測面，監測碰撞過程中產生的沖擊力；在Adams/view工作環境下，潛孔錘沖擊碰撞組件的虛擬樣機模型如圖2所示。

Adams為用戶提供了2種接觸力計算模型：Impact函數模型和恢復系數模型。其中，Impact函數模型將碰撞仿真的剛體視為彈簧阻尼系統，涉及的計算系統參數較多、計算量大，能真實地仿真模擬出接觸碰撞的全過程；恢復系數模型將沖擊碰撞視為瞬時過程，碰撞在一瞬間完成，故而計算效率高，但缺點是不能有效地確定系統在碰撞過程中產生的接觸力[12]。

在Adams分析系統中，采用幾何形狀和密度的方式定義沖擊運動組件的質量特征，并按相應材料屬性進行定義；沖擊碰撞過程采用無摩擦力方式設置，并應用Impact函數模型檢測接觸力；其他選項如切入深度、阻尼、剛度等參數均采用默認設置。

2.3 仿真結果分析

圖3是錘體沖擊末速度為6m/s時，監測到的沖擊運動組件碰撞過程中接觸力的仿真結果。建立虛擬樣機過程中，錘體與鉆頭間存在一定的距離，在碰撞之前，監測到的接觸力為0kN；由接觸力變化曲線可知，錘體沖擊鉆頭時接觸力瞬間達到極大值，使得沖擊運動組件發生一定的變形，隨后在彈性恢復力作用下，錘體開始發生反彈，從而接觸力逐漸變小，直到錘體與鉆頭完全脫離并反向運動，接觸力消失；整個沖擊碰撞過程持續時間約為15.05ms，極限沖擊力約60kN。

圖2 沖擊運動組件虛擬樣機仿真模型 圖3 擊末速度為6m/s時沖擊碰撞接觸力隨時間的變化情況

由上一節對錘體破巖沖擊功的要求，確定出了錘體的沖擊末速度不得低于5.8m/s，為進一步分析和優化潛孔錘的工作性能，研究了潛孔錘錘體的沖擊末速度為5～8m/s的沖擊碰撞特性，如表1所示。錘體的沖擊末速度與沖擊功和碰撞沖擊力呈正相關，且沖擊功與碰撞沖擊力的變化趨勢基本同步；沖擊末速度與碰撞持續時間呈負相關，這是由于對于一定的接觸面，沖擊功越大，碰撞沖擊力就越大，在錘體和鉆頭的彈性變形范圍內，受到的沖擊作用越強烈，材料的彈性恢復過程發生的時間也就越短，故而整個沖擊碰撞過程持續的時間越短。

表1 沖擊碰撞仿真數據分析

錘體以一定的速度沖擊鉆頭后將形成反向回彈速度，該速度將作為下一循環過程中的上行初速度。針對表1仿真數據的分析可知，錘體回彈速度與其上一循環過程中的沖擊末速度之間存在正相關變化關系。應用Spss軟件，對表1數據進行回歸分析，得到反彈初速度與沖擊末速度關系的擬合方程如下：

Vh=-0.302Vm+0.658

(2)

式中：Vm為潛孔錘上一循環過程中錘體的沖擊末速度，m/s；Vh為潛孔錘沖擊鉆頭后上返的回彈初速度，m/s。

根據Spss分析結果，上述方程的擬合方差調整值R2為0.999，說明使用上述方程對回彈初速度的描述具有較高的可信度。該方程可為錘體運動過程的計算提供參考。

3 潛孔錘沖擊碰撞性能研究

錘體長時間往復沖擊鉆頭將可能產生疲勞破壞、塑性變形等，使潛孔錘失效甚至堵塞氣流通道，造成嚴重的井下事故，因此，需要對潛孔錘工作過程中的受力狀況、結構強度等進行分析，以優化工作參數，為地面氣源系統選型提供參考依據。

采用Ansys Workbench工作平臺顯示動力學系統對沖擊運動組件的碰撞過程進行碰撞強度的分析，以上一節多體動力學仿真中得出的沖擊碰撞持續時間作為顯示動力學仿真的終止條件；鑒于模型呈現規則的旋轉體結構，且具有較大的徑向尺寸，因此，采用了Workbench中mesh模塊的四面體精細網格劃分方法，并將網格尺寸設置為5mm，共劃分出超過16萬個網格單元，網格整體質量良好；在Workbench顯示動力學仿真系統中分別監測不同沖擊末速度時錘體的總變形、等效應力以及最小安全因子等參數，如圖4所示。

表2 碰撞過程中錘體與鉆頭的最大應力

根據應力、應變及安全因子的定義，構件形變與應變成正比關系，應力與應變也成正比，而安全因子與應力成反比，其所對應的比例因子分別為其初始長度、彈性模量以及屈服強度。錘體沖擊鉆頭，使其發生彈性變形，應力波在其上、下端來回傳播，使垂體的變形、應變和應力均發生周期性變化。錘體的沖擊末速度越大，應力波傳遞周期越小，導致垂體的變形、應變和應力的變化周期越小；為分析錘體和鉆頭在沖擊碰撞過程中的結構強度，分別統計了不同沖擊末速度作用下潛孔錘錘體所受最大應力值如表2所示。可以發現，隨錘體沖擊末速度的增大，其所受沖擊載荷增大；取安全因子為2.5，則許用應力分別為340MPa和488MPa。根據插值法，可求得當錘體沖擊速度為7.2m/s時，錘體所受應力達到340MPa。因此為避免發生破壞，錘體的沖擊末速度應不超過7.2m/s。結合潛孔錘沖擊破巖的基本沖擊功要求，潛孔錘錘體的沖擊末速度范圍應為5.8～7.2m/s。

圖4 不同沖擊末速度下錘體特性參數隨沖擊碰撞作用時間的變化曲線

4 結論

1)設計了一種全孔反循環氣動沖擊潛孔錘，配合地面鉆機系統提供的旋轉力矩，可在井底形成沖擊旋轉鉆進效果，在深井、超深井及硬質地層資源勘探工程中，可有效提高機械鉆速。

2)根據對潛孔錘沖擊運動組件的多體動力學仿真結果，采用Spss回歸分析方法，獲得了錘體沖擊后的回彈速度與上一循環的沖擊末速度之間的函數方程，該方程可為潛孔錘錘體運動過程的分析計算提供參考。

3)結合潛孔錘鉆井破巖要求，應用多體動力學、顯示動力學等方法對該潛孔錘沖擊運動組件的碰撞性能進行了仿真研究，得出了碰撞過程中錘體和鉆頭特性參數的變化規律，根據工具材料性能及強度要求，確定出了錘體最適合的沖擊末速度范圍為5.8～7.2m/s。