內置鉆頭多維沖擊器仿真與室內試驗研究

沖擊器是解決硬地層鉆速慢難題的有效方法之一。現有沖擊器在與鉆頭配合使用時，會增加鉆頭到穩定器之間的距離，從而降低常規定向鉆具組合的理論造斜率和鉆頭側向力，導致無法在鉆井造斜段使用，對造斜能力的影響十分明顯。為此，對井下沖擊器的動力學進行了分析，設計了一種結構簡單的內置鉆頭多維沖擊器，建立了多維沖擊器流體仿真模型，分析了鉆井液排量和密度對多維沖擊器性能的影響，并借助清水試驗驗證了工具的可靠性及理論分析的正確性。分析結果表明：隨著排量的增加，沖擊器的性能參數均呈增大趨勢；隨著鉆井液密度的增加，沖擊器的平均壓耗、軸向沖擊力及沖擊扭矩也近乎呈線性增長趨勢；各項理論計算結果與室內試驗結果誤差均不超過7%。所得結論可為內置鉆頭多維沖擊器的優化及現場應用提供理論依據。

沖擊器；內置鉆頭；性能參數；多維沖擊；壓力波動；仿真模型

中圖分類號：TE921

文獻標識碼：A

DOI：10.16082/i.cnki.issn.1001-4578.2024.11.004

基金項目：國家自然科學基金項目“深層致密堅硬質巖層高頻射流多維沖擊破巖機理及試驗研究”（52204001）；湖北省重點研發計劃項目“智能耐高溫全旋轉導向鉆頭及配套井眼控制技術研究”（2021BAA053）。

Simulation and Laboratory Test on Multi-Dimensional Impactor Built-In Bit

Li Chentao1" Feng Chao1" Wang Jie1" Liang Fuyuan2" Xiao Wei1" Xia Chengyu1" Qian Liqin1，3

（1.School of Mechanical Engineering，Yangtze University；2.Gudao Oil Production Plant，Sinopec Shengli Oilfield Company；3.School of Automotive Studies，Tongji University）

Impactor is one of the effective tools to address the problem of low rate of penetration （ROP） in hard formations.When the existing impactor is used together with the bit，it increases the distance between the bit and the stabilizer，thereby reducing the theoretical build-up rate of directional tool assembly and bit side force，which makes it impossible to be used in kick-off section，having a significant impact on the kick-off ability.In this paper，the dynamics of the downhole impactor were analyzed，and a multi-dimensional impactor built-in bit with simple structure was designed.Then，a fluid simulation model of the multi-dimensional impactor was built to analyze the influence of drilling fluid displacement and density on the performance of the impactor.Finally，a clean water test was conducted to verify the reliability of the tool and the correctness of theoretical analysis.The results show that as the displacement increases，the performance parameters of the impactor exhibit an increase trend.As the drilling fluid density increases，the average pressure loss，axial impact force and impact torque of the impactor also tend to increase in a nearly linear manner.The error between the theoretical calculation results and the laboratory test results does not exceed 7%.The conclusions provide a theoretical basis for the optimization and field application of multi-dimensional impactor built-in bit.

impactor；built-in bit；performance parameter；multi-dimensional impact；pressure fluctuation；simulation model

0" 引" 言

隨著對油氣資源的開發，淺層易開發資源正逐漸枯竭，這促使勘探開發領域向深井和超深井的方向發展［1］。在深井、超深井鉆探過程中，由于地質條件復雜，常常遇到硬地層和復雜巖性地層等，這些地層的鉆進難度大、效率低，通常在鉆進過程中遇到堅硬、中等硬度的粗粒不均質巖層，鉆頭破巖效率會大幅度降低［2-4］。井下深處巖石硬，具有脆性大和抗靜壓強度高等特點，所以需要沖擊破巖［5］。通過井下沖擊器對巖石施加一定頻率的沖擊載荷，使巖石不僅產生剪切體，還能讓巖石的裂紋和裂隙進一步擴大，從而使被切巖石的機械強度大幅度降低，為PDC鉆頭旋轉剪切破巖創造有利條件［6-7］。

李陳濤，等：內置鉆頭多維沖擊器仿真與室內試驗研究

在2000年之前，各國主要的研究成果集中在軸向沖擊器，但這類沖擊器存在工具壽命短、應用效果不理想等問題［8］。進入2000年后，沖擊器研究重點轉向了扭力沖擊器，其提速效果顯著，使得液動沖擊器再次受到廣泛關注［9］。A.DEEN 等［10-11］通過對扭力沖擊器的應用案例進行總結，發現扭力沖擊器能夠有效縮短鉆井周期和減輕鉆頭磨損。田家林等［12］建立了扭力沖擊器的動力學模型，研究了隨著入口壓力和流量變化，扭力沖擊器鉆井參數的變化規律。閆炎等［13］開展了復合沖擊器破巖試驗，研究了復合沖擊條件下鉆壓和轉速對巖石破碎過程和破巖效率的影響規律。劉書斌等［14］對復合沖擊器進行了技術改進，使得軸向與扭向沖擊載荷能夠根據需要進行合理分配，有針對性地解決深井鉆井中的鉆探難點，提供了一種全井段提速方式。

國內外大量的應用實例證明，沖擊器是解決硬地層鉆速慢難題的有效方法之一［15］。在消除鉆頭黏滑振動、提高機械鉆速、延長鉆頭壽命和減少起下鉆等方面沖擊器的應用效果非常明顯［16］。同時，復合鉆井相較于滑動鉆井對機械鉆速提升效果更優［17］。此外，現存沖擊器的長度均在1 m左右，與鉆頭配合在造斜段應用時，會造成下部穩定器與鉆頭之間的距離增加，降低常規定向鉆具組合的理論造斜率和鉆頭側向力，對造斜能力的影響十分明顯［18-19］。本文對井下沖擊器的動力學進行了分析，設計了一種結構簡單的內置鉆頭多維沖擊器，能在不降低鉆井造斜率的情況下，產生復合沖擊提升鉆井效率，并通過理論推導及數值仿真，研究了工具性能的可靠性及有效性。所得結果可為內置鉆頭多維沖擊器的優化及現場應用提供依據。

1" 多維沖擊器結構及工作原理

1.1" 內置鉆頭多維沖擊器結構

傳統沖擊破巖一般將沖擊器配置在鉆頭上，雖然能有效解決硬地層、復雜巖性等地層鉆進速度低等問題，但這一組合普遍存在工作穩定性差等缺陷［20］。因而為了減少沖擊器到鉆頭之間的距離，直接將沖擊器內置于鉆頭內，大大增強工具組合在深井工作時的穩定性。內置鉆頭多維沖擊器的三維結構如圖1所示。在多維沖擊器中加工有特殊流道結構，主要包括入口、射流道、附壁振蕩腔、反饋流道（設計了單反饋流道和雙反饋流道2種）、出口1（正面）和出口2（背面）。

1.2" 工作原理

圖2為內置鉆頭多維沖擊器工作原理圖。其設計思路是基于附壁效應，鉆井液經過入口進入后，通過射流道形成高速射流沖擊至劈尖上后分流；在短暫的穩定之后，高速射流會由于附壁效應向某一邊慢慢偏轉（假設先向下偏轉），直到貼合到附壁腔的下壁面穩定；在高速射流逐漸偏向下壁面的這一過程中，下方的雙反饋流道中流體流量逐漸增大，反作用到射流道下方，刺激高速射流向上偏轉。此時剛貼合到下壁面的高速射流又逐漸向上方偏轉，直至貼合到上壁面穩定，上方的雙反饋流道中流體流量因此逐漸增大，又刺激高速射流向下偏轉，高速射流又逐漸向下壁面偏轉，直到完全貼合，這樣一個振蕩周期結束，再進入下一周期形成穩定的周期性射流振蕩。通過不斷的注入鉆井液，形成周期性的振蕩循環，使得在多維沖擊器的進、出口形成了周期性的壓力波動，作用于流道內部至整個工具，再傳遞到鉆頭，形成了軸向的沖擊載荷。

少部分鉆井液經過雙反饋流道，直接作用到振蕩循環過程中。大部分鉆井液通過出口1和出口2流出。出口1和出口2設計如圖3所示（圖3為圖1中沖擊器截面A-A）。當鉆井液噴出時，會形成圖示的力偶，反作用于工具，使得工具擁有扭沖能力；附壁腔中的高速射流在不斷的振蕩切換過程中，出口1和出口2的流體流量也會對應產生周期性的波動，從而產生周期性的扭轉沖擊，通過工具上的鍵傳遞到鉆頭。由此產生的軸向和扭轉沖擊傳遞至鉆頭形成周期性的復合沖擊，提升鉆具組合的鉆進效率。

2" 仿真模型建立

多維沖擊器的工作性能由工作時的壓耗和振蕩頻率反映。在鉆井液排量定為30 L/s、介質為水的條件下，既保證工具的平均壓降不超過3 MPa，又保持一定的沖擊力、沖擊扭矩和適當的沖擊頻率。圖4為多維沖擊器結構參數圖。工具內部設有敏感參數：入口截面積S，射流道寬度L1，附壁振蕩腔長度L2，附壁振蕩腔壁面曲率K，劈尖角度α，雙反饋流道寬度L3，出口1截面積S1和出口2截面積S2等。這些參數為以后工具內部流道優化提供了空間。

2.1" 流體流動控制方程

研究流場時，核心的控制方程主要包括5個：質量守恒方程（也稱為連續性方程）、動量守恒方程和能量守恒方程；當流體介質包含不同組分混合或相互作用時，需要額外考慮組分守恒方程；若流體處于湍流狀態，那么還需考慮湍流輸運方程。

2.1.1" 質量守恒方程

三維可壓縮流體瞬態質量守恒方程為：

ρt+（ρu）x+（ρv）y+（ρw）z=0（1）

式中：ρ為流體密度，kg/m3;t為時間，s;u、v和w為速度在x、y和z方向的分量，m/s。

若流體的密度為常數，即流體不可壓縮，則式（1）變為：

ux+vy+wz=0（2）

若流體的流動狀態為穩態，則流體密度不隨時間變化，則式（1）變為：

（ρu）x+（ρv）y+（ρw）z=0（3）

2.1.2" 動量守恒方程

x、y和z這3個方向的動量守恒方程為：

（ρu）t+div（ρuu）=-px+τxxx+τyxy+τxxz+Fx

（ρv）t+div（ρvu）=-py+τxyx+τyyy+τzyz+Fy

（ρw）t+div（ρwu）=-pz+τxzx+τyzy+τzzz+Fz（4）

式中：p為流體微元體上的壓力，Pa；τij為黏性應力τ的分量，作用于微元體表面，i=x、y、z，j=x、y、z，Pa；Fx、Fy和Fz是微元體上體力，N;若體力中只有重力，且z軸豎直向上，則

Fx=0，Fy=0，Fz=-ρg。

2.1.3" 能量守恒方程

流體中的能量由內能、動能和勢能的總和構成，通過內能與溫度之間的關系可以得出以溫度為變量的能量守恒方程：（ρT）t+（ρuT）x+（ρvT）y+（ρwT）z=

xkcpTx+ykcpTy+zkcpTz+ST（5）

式中：T為溫度，K；k為導熱系數，W/（m·K）；cp為比熱容，J/（kg·K）；ST為黏性耗散項。

2.2" 流體域

由于該工具的內部流道特殊，為方便研究，通過SolidWorks軟件建立新型多維沖擊器流體域三維模型，再將其導入Workbench進行網格劃分。圖5為流體域網格劃分圖。采用六面體網格對沖擊器三維模型進行網格劃分，考慮到計算精度和時間，采用不同網格單元劃分網格并驗證網格無關性后，確定網格大小為1 mm，劃分之后的網格節點數為368 080，單元數為373 521。

2.3" 邊界條件設置

為確保計算的收斂性和穩定性，采用湍流模型RNG k-ε模型，流體介質為清水；根據實際工況（排量30 L/s）將入口設置為速度入口并設置壓力波動監視器，通過排量和工具入口截面積（截面積為1.2×10-3 m2）計算出入口速度為25 m/s；為防止出現負壓，出口1和出口2均設置為壓力出口。

3" 仿真分析

3.1" 反饋流道優選

針對多維沖擊器的反饋流道，分別設計了單反饋流道和雙反饋流道。為了研究2種結構的差異，建立仿真模型分析其對工具性能的影響，提取相應結果進行對比。

圖6為流道壓降變化曲線。由圖6可知：在相同工況（以排量30 L/s、介質為水為例）下，單反饋流道和雙反饋流道均滿足平均壓耗不大于3 MPa的需求；但單反饋流道下的壓力波動振幅偏小且波形不均勻，而雙反饋流道下工具的壓力波動振幅較大且波形均勻。這說明雙反饋流道相比于單反饋流道提供的沖擊載荷穩定性更好，雙反饋流道下工具的性能參數更優。表1為單、雙反饋流道性能參數對比。

3.2" 不同鉆井液參數下的性能分析

內置鉆頭多維沖擊器的性能受到鉆井液參數較為明顯的影響，因此，采用控制變量的方法研究鉆井液排量和密度對工具性能的影響。在同一內置鉆頭多維沖擊器結構參數模型中，分別在排量25、30和35 L/s下，選擇介質密度為1.0、1.2、1.4、1.6及1.8 g/cm3進行研究。

圖7為介質密度為1.0 g/cm3下，不同排量時內置鉆頭多維沖擊器壓力波動曲線。由圖7可知：隨著排量的增大，入口壓力幅值和平均壓降增大，幅值從2.26 MPa增大至4.57 MPa，幅值變化明顯；隨著排量的增大，沖擊頻率也有較為明顯的增加。

圖8為排量30 L/s下，不同鉆井液密度時內置鉆頭多維沖擊器壓力波動曲線。由圖8可知：在不同的鉆井液密度下，工具的沖擊頻率沒有明顯變化；隨著密度由1.0 g/cm3增加到1.8 g/cm3，工具的平均壓耗從2.40 MPa增大至3.52 MPa，壓降幅值也不斷增大。

圖9、圖10、圖11和圖12分別為多維沖擊器在不同排量和密度下的平均壓耗、沖擊頻率、軸向沖擊力和沖擊扭矩。

隨著排量的增加，沖擊器的平均壓耗、沖擊頻率、軸向沖擊力和沖擊扭矩均呈增大趨勢；隨著密度的增加，沖擊器的平均壓耗、軸向沖擊力及沖擊扭矩也近乎呈現線性增長的趨勢。排量和密度對工具性能的影響十分明顯，需要根據實際情況以選擇合適的內置沖擊器。

4" 多維沖擊器室內試驗

根據仿真分析結果，對多維沖擊器進行了室內試驗測試。試驗介質為清水，測試出內置鉆頭多維沖擊器在25、30和35 L/s不同排量下的各項性能參數，并將實測值與仿真計算結果對比，結果如表2所示。由表2可見：在室內試驗當中，工具的平均壓耗、沖擊頻率、軸向沖擊力、沖擊扭矩的實測值與理論值的誤差均不超過7%，誤差主要來源是仿真模型的簡化。試驗結果驗證了多維沖擊器仿真模型計算結果的正確性，滿足對沖擊器的設計要求。

5" 結" 論

（1）基于對傳統沖擊破巖沖擊器的研究，設計出一種結構簡單的內置鉆頭多維沖擊器，沖擊器直接內置于鉆頭，不降低鉆井造斜率，同時能產生復合沖擊，更好地提升鉆井效率。

（2）建立了內置鉆頭多維沖擊器流體仿真模型，分析了不同排量和密度下沖擊器響應的性能，隨著排量和密度的增加，多維沖擊器的平均壓耗等性能參數近乎線性增加。

（3）內置鉆頭多維沖擊器室內清水測試試驗結果表明，多維沖擊器的理論設計達到預期目標。

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第一李陳濤，生于1999年，現為在讀碩士研究生，研究方向為石油鉆采管柱力學。地址：（434023）湖北省荊州市。email：2440310103@qq.com。

通信作者：錢利勤，副教授。email：441573083@qq.com。2024-04-25王剛慶