螺桿式旋沖工具凸輪機構性能測試裝置設計及試驗研究

甘 心，梁應紅，李偉廷，耿 燕

中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院

0 引言

隨著油氣勘探區域不斷擴大，鉆井過程中遇到研磨性強、可鉆性差的復雜地層越來越多[1]。而隨著井深的增加，巖石抗壓強度會有所增大、可鉆性變差，現有常規螺桿鉆具配合PDC鉆頭的復合鉆井技術，已經不能滿足復雜地層提速提效的需求[2-5]，豐富和提升現有螺桿鉆具的功能已經成為國內外研究人員的廣泛共識。

在這背景下，螺桿式旋沖工具應運而生，比較有代表性的有：NOV(國民油井公司)的旋沖工具[6]、中石化石油工程院的旋沖鉆井工具[7]和中石化勝利鉆井院的振動沖擊工具[8]等。這些螺桿式旋沖工具普遍在常規螺桿鉆具結構基礎上，引入了凸輪機構，實現了在保持常規螺桿大扭矩高轉速特點的同時，增加軸向沖擊功能，提高了破巖能量，并且通過現場應用取得了一定的效果。但對工具凸輪機構性能變化規律及影響因素分析方面缺乏有效的室內測試裝置和試驗方法，常常導致工具與鉆頭類型及地層巖性不匹配。為此，筆者設計了針對螺桿式旋沖工具凸輪機構性能參數測試用的試驗裝置，并開展了沖擊力、沖擊頻率和損耗扭矩等性能參數的試驗研究，以獲取各參數的變化規律及影響因素，為螺桿式旋沖工具的性能參數計算及凸輪機構類型優選提供理論依據。

1 測試裝置設計

1.1 結構組成

螺桿式旋沖工具凸輪機構性能測試裝置結構如圖1所示，整個裝置由底座、調速電機、萬向軸、扭矩傳感器、支撐架、主軸、調節絲杠、推力板、調節板、彈簧、凸輪機構、卡板、沖擊力傳感器、端板和螺栓等零部件組成。其中凸輪機構又分為雙凸輪機構和滾輪—凸輪機構兩種類型，雙凸輪機構主要由上凸輪和下凸輪組成(如圖2所示)，滾輪—凸輪機構則主要由滾輪座、滾輪、凸輪組成(如圖3所示)。

1.底座;2.調速電機;3.萬向軸;4.扭矩傳感器;5.支撐架;6.主軸;7.調節絲杠;8.推力板;9.調節板;10.彈簧;11.凸輪機構;12.卡板;13.沖擊力傳感器;14.端板。

圖2 雙凸輪機構示意圖

圖3 滾輪—凸輪機構示意圖

1.2 工作原理及參數設計

螺桿式旋沖工具凸輪機構性能測試裝置的工作原理為：調速電機輸出轉速和扭矩，經萬向軸帶動主軸和上凸輪(或者滾輪座和滾輪)旋轉，而下凸輪則穿過卡板六方孔并與固定在端板上的沖擊力傳感器連接，保證沖擊力傳感器可以實時監測并記錄沖擊力大小及變化情況，而相鄰兩個沖擊力峰值間的時間差經過換算即為沖擊頻率。凸輪機構左右兩部分由于存在轉速差從而產生周期性抬升和沖擊作用，而在抬升過程中需要損耗調速電機的輸出扭矩，通過連接在萬向軸和主軸之間的扭矩傳感器可以對其進行實時監測并記錄。此外，連接在推力板上的調節絲杠可以調整調節板的位置，從而改變彈簧壓縮量來施加軸向靜壓力，靜壓力大小通過沖擊力傳感器進行監測。

調速電機的轉速分別為30 r/min、60 r/min、90 r/min和120 r/min，彈簧產生的軸向靜壓力為0～200 kg，螺旋面個數分別為4個、6個和8個，沖程高度為3～12 mm。

2 沖擊力分析

2.1 沖擊力與沖程高度的關系

沖擊力與沖程高度的關系如圖4所示，從圖4中可知：不同靜壓力作用下，沖擊力隨著沖程高度的增大而增大，并且增大幅度各不相同。其中，靜壓力為20 kg時的增大幅度最小，靜壓力為80 kg時次之，而靜壓力為160 kg時的增大幅度最大，可見沖程高度和靜壓力是凸輪機構沖擊力的兩個主要影響因素。

圖4 沖擊力與沖程高度的變化關系曲線

為了進一步分析沖程高度與靜壓力對沖擊力的內在關系，需要對不同沖程高度條件下的沖擊力與靜壓力關系開展進一步分析。

2.2 沖擊力與靜壓力的關系

沖程高度為6 mm時，沖擊力與靜壓力的關系如圖5所示，采用線性回歸分析得出的沖擊力與靜壓力關系可知：轉速為30 r/min時，沖擊力約為靜壓力的1.504 1倍；轉速為60 r/min時，沖擊力約為靜壓力的1.509 7倍；在轉速為90 r/min時，沖擊力約為靜壓力的1.466 4倍；轉速為120 r/min時，沖擊力約為靜壓力的1.455 8倍。綜合分析以上沖擊力與靜壓力的關系，得出在沖程高度6 mm時，沖擊力F與靜壓力p的關系為：

圖5 沖程高度6 mm時，沖擊力與靜壓力的變化關系曲線

F=(1.45～1.50)p

(1)

接下來依次分析了沖程高度分別為3 mm、5 mm、8 mm、10 mm和12 mm時的沖擊力與靜壓力關系，得出了不同沖程高度下沖擊力與靜壓力的關系式：

F=λ·p

(2)

式中：F—沖擊力,kg；p—靜壓力,kg；λ—影響因子。

影響因子具體取值范圍見表1所示，隨著沖程高度的增加，影響因子也會隨之增大。

表1 不同沖程高度下影響因子取值范圍

3 沖擊頻率分析

3.1 沖擊頻率與轉速的關系

在螺旋面個數為4個條件下，沖擊力波形隨轉速的變化曲線如圖6所示，從圖6中可知1 s時間內，轉速為30 r/min時，產生2次沖擊，轉速為60 r/min時，產生4次沖擊，而轉速為90 r/min時，則產生了6次沖擊，從而表明沖擊頻率隨著轉速的增大而呈線性增大關系。

圖6 不同轉速下沖擊力波形曲線

3.2 沖擊頻率與螺旋面個數的關系

在轉速為30 r/min條件下，沖擊力波形隨螺旋面個數的變化曲線見圖7，從圖7中可知1 s時間內，4個螺旋面產生2次沖擊，6個螺旋面產生3次沖擊，而8個螺旋面則產生4次沖擊，從而表明沖擊頻率隨著螺旋面個數的增大而呈線性增大關系。

圖7 不同螺旋面個數下沖擊力波形曲線

綜合沖擊頻率分別與轉速和螺旋面個數的變化關系，推導出了沖擊頻率的計算式：

(3)

式中：F頻—沖擊頻率，Hz；n—轉速,r/min；N—螺旋面個數。

4 損耗扭矩分析

4.1 損耗扭矩與靜壓力及沖程高度的關系

損耗扭矩與靜壓力及沖程高度的關系如圖8所示，從圖8中可知：損耗扭矩隨著靜壓力的增大而增大，并且增加幅度在不同沖程高度下各不相同。其中，沖程高度為3 mm時的增大幅度最小，沖程高度為8 mm時次之，而沖程高度為12 mm時的增大幅度最大，從而也說明隨著沖程高度的增大，損耗扭矩也會隨之增大。

圖8 損耗扭矩與靜壓力及沖程高度的變化關系

4.2 損耗扭矩與螺旋面個數的關系

損耗扭矩與凸輪機構螺旋面個數的關系如圖9所示，從圖9中可知：在相同靜壓力作用下，損耗扭矩會隨著螺旋面個數的增加而增大，并且靜壓力越大，增大幅度越顯著。

圖9 損耗扭矩與螺旋面個數的變化關系

4.3 不同凸輪機構類型的損耗扭矩對比

在沖程高度和螺旋面個數相同條件下，雙凸輪機構與滾輪—凸輪機構的損耗扭矩情況如圖10所示，通過對比可知：滾輪—凸輪機構與雙凸輪機構相比，損耗扭矩明顯減小，并且隨著靜壓力的增大，二者之間的差異越顯著。

圖10 雙凸輪機構與滾輪—凸輪機構的損耗扭矩對比

綜合以上損耗扭矩的分析，發現：靜壓力、螺旋面個數和沖程高度均為損耗扭矩的主要影響因素，并且在同等條件作用下滾輪—凸輪機構損耗扭矩明顯小于雙凸輪機構。

5 結論

自主研發的螺桿式旋沖工具凸輪機構性能測試裝置，通過測試發現：

(1)沖程高度和靜壓力是影響沖擊力大小的主要因素，沖程高度和靜壓力越大，產生的沖擊力也越大。

(2)轉速和凸輪螺旋面個數是影響沖擊頻率大小的主要因素，轉速越高、螺旋面個數越多，產生的沖擊頻率越大。

(3)沖程高度、靜壓力、凸輪螺旋面個數、凸輪機構類型是影響損耗扭矩的主要因素，沖程高度和靜壓力越大、螺旋面個數越多，產生的損耗扭矩越大；在同等加載作用下，滾輪—凸輪機構產生的損耗扭矩明顯小于雙凸輪機構。