何勇

【摘 要】當(dāng)前，油氣鉆井領(lǐng)域可采用沖旋鉆頭作用于復(fù)雜難鉆地層，但沖旋鉆頭因沖擊切削齒易失效、能量利效率低等缺點(diǎn)而導(dǎo)致其破巖效率相對(duì)較低，其主要原因在于配套的沖擊器設(shè)計(jì)或選型不當(dāng)。本文開(kāi)展了配套沖旋鉆頭工具（即新型閥式液動(dòng)沖擊器）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，為提高鉆井效率提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】鉆井；閥式；液動(dòng)沖機(jī)器

一、引言

旋沖鉆井技術(shù)是在常規(guī)鉆井的基礎(chǔ)上，將旋轉(zhuǎn)和沖擊結(jié)合起來(lái)的鉆井方法，通過(guò)利用沖洗液驅(qū)動(dòng)液動(dòng)潛孔錘（簡(jiǎn)稱液動(dòng)沖擊器）對(duì)破碎巖石的鉆頭施加一定頻率的沖擊能量，也就是鉆頭上帶有沖擊負(fù)荷的鉆進(jìn)，因此能有效提高深部地層硬巖的破巖效率，井身質(zhì)量較高[1][2]。

液動(dòng)沖擊器是旋沖鉆頭的心臟部件，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣，直接影響著鉆孔速度和鉆孔成本。液動(dòng)沖擊器具有較強(qiáng)的應(yīng)用性且使用方便、設(shè)備投入少、能量利用率高、壽命短等特點(diǎn)。對(duì)沖擊器原理和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究，將有益于提高難鉆地層的鉆井效率、降低鉆井成本。液動(dòng)沖擊器是以液力為驅(qū)動(dòng)介質(zhì)，按照作用力方向分為周向沖擊器和沿軸向沖擊器。按照工作原理液動(dòng)沖擊器可分為閥式正作用、閥式反作用、射流式等形式。這些沖擊器的主要結(jié)構(gòu)包括換向機(jī)構(gòu)及能量傳遞機(jī)構(gòu)等。

二、新型閥式液動(dòng)沖擊器設(shè)計(jì)

1、整體方案設(shè)計(jì)

液動(dòng)沖擊器的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足要求為：①滿足工作原理的前提條件下，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且加工、裝拆、操作和維修方便；②工作性能穩(wěn)定可靠，液流能量利用率高；③關(guān)鍵零部件有較長(zhǎng)的使用壽命；④合理設(shè)計(jì)防空打機(jī)構(gòu)等。設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

2、工作原理

新型閥式液動(dòng)沖擊器的工作原理可結(jié)合圖1說(shuō)明。鉆進(jìn)工作開(kāi)始前，工具處于防空打狀態(tài)；當(dāng)鉆頭逐漸接觸井底過(guò)程時(shí)，工具逐漸開(kāi)始工作直至正常工作狀態(tài)。液動(dòng)沖擊器工作伊始，上閥和沖錘在重力作用下均位于各自行程的最下端，鉆井液能順利流入井底，此時(shí)液動(dòng)沖擊器不工作相當(dāng)于普通鉆桿。當(dāng)鉆頭接觸井底后，沖頭將推動(dòng)傳力桿、砧體和活塞（沖錘）上行，由于流體通道被封閉或節(jié)流環(huán)開(kāi)始節(jié)流，則沖擊器開(kāi)始工作。鉆井液從沖擊器上端進(jìn)入，經(jīng)上閥流入沖錘內(nèi)部通道，由于節(jié)流環(huán)的通孔面積很小，則鉆井液在沖錘的下腔堆積，壓力逐漸增大；由于上閥和沖錘下端有效承壓面積均大于上端有效承壓面積，所以在壓力差的作用下，上閥和沖錘克服阻力上行，直至行程最上端。當(dāng)沖錘上行與上閥接觸瞬間，流體通道被阻斷而將產(chǎn)生水錘作用，此時(shí)水擊壓力迫使上閥和沖錘以較大的加速度向下沖擊。當(dāng)上閥受到限位彈簧作用而與沖錘分離，直至減速為零，在液體壓力的作用下又返回至最上端等待沖錘的回程；而沖錘與上閥分離后，經(jīng)過(guò)自由行程稍許的減速作用后，并以一定的速度沖擊砧體，此時(shí)則完成一個(gè)工作循環(huán)。沖錘處于最下端，節(jié)流環(huán)的節(jié)流作用增大，沖錘在液體壓力的作用下，又開(kāi)始一下個(gè)循環(huán)，如此往復(fù)。

3、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

沖擊器內(nèi)部沖錘運(yùn)動(dòng)的沖程和回程都是靠高壓流體推動(dòng)的。相比于其他結(jié)構(gòu)形式的液動(dòng)沖擊器，本結(jié)構(gòu)零部件少，原理可行；符合需求的沖擊功不大，所以沖擊器布置空間小，內(nèi)部壓耗低。此外，部分零件的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)如下：

（1）“活動(dòng)式”節(jié)流環(huán)

節(jié)流環(huán)固結(jié)在沖錘下端。工作過(guò)程中當(dāng)沖錘與砧體接觸時(shí)，節(jié)流環(huán)才起節(jié)流作用，所以鉆井液能量在沖擊器內(nèi)部損失小（壓降?。?，且鉆進(jìn)液大部分時(shí)間都處于導(dǎo)通狀態(tài)，避免稍長(zhǎng)時(shí)間斷流而出現(xiàn)燒鉆現(xiàn)象。

（2）碟簧和閥簧

如圖5所示，結(jié)構(gòu)中加入蝶形彈簧組和普通彈簧，具體為：碟簧軸向裝配在上閥的上部，閥簧軸向裝配在上閥中部的軸肩位置。

三、小結(jié)

射流式液動(dòng)沖擊器結(jié)構(gòu)雖簡(jiǎn)單，但射流元件壽命短；內(nèi)部流道多，鉆井液壓降大。在深部硬巖層鉆進(jìn)過(guò)程中，如果鉆進(jìn)液在沖擊器中能量損失過(guò)大，則鉆井液到達(dá)井底鉆頭液壓較小，清洗鉆頭、運(yùn)移巖屑的能力將下降。正作用和反作用式液動(dòng)沖擊器結(jié)構(gòu)雖簡(jiǎn)單，零部件少，但存在易損的彈簧零件。在頻繁的工作條件下，彈簧容易產(chǎn)生磨損和疲勞損壞[3][4][5]。因此，通過(guò)與其他閥式?jīng)_擊器結(jié)構(gòu)的對(duì)比，本文創(chuàng)新性提出的新型閥式液動(dòng)沖擊器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠，能有效提高鉆井效率，后續(xù)可制造加工出實(shí)物，開(kāi)展相應(yīng)試驗(yàn)研究。

【參考文獻(xiàn)】

[1]袁新梅.孫起昱.王愛(ài)芳等.旋沖鉆井技術(shù)及裝備的發(fā)展現(xiàn)狀和展望[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（3）：7-10.

[2]賈濤.徐丙貴.李梅等.鉆井用液動(dòng)沖擊器技術(shù)研究進(jìn)展及應(yīng)用對(duì)比[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（12）：83-87.

[3]代常友.石永泉.李酉等.閥式正作用液壓沖擊器的沖擊功和沖擊頻率[J].煤礦機(jī)械，2006，27（10）：35-38.

[4]趙洪激.董家梅.閥式反作用液動(dòng)沖擊器參數(shù)計(jì)算及性能分析[J]. 中國(guó)海上油氣.工程，1995，03：21-26+5-7.

[5]楊順輝.液動(dòng)射流式?jīng)_擊器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].石油機(jī)械，2009，37（2）：73-76.