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)】
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