李小洋， 李 寬， 張永勤， 梁 健， 吳紀修， 王志剛

(中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000)

0 引言

扭力沖擊器屬于液動沖擊器的一種，主要依靠扭力沖擊來實現高頻率的沖擊鉆進[1-2]。將鉆井液的能量轉換為扭向的、高頻的、均勻穩(wěn)定的機械沖擊能量傳遞給鉆頭，大幅度提高剪切效率，改變PDC鉆頭的碎巖方式，同時扭力沖擊器提供的沖擊扭力，還能有效降低鉆具的粘滑振動，大幅提高了鉆進速度，延長了鉆頭壽命[3-6]。

目前國外阿特拉公司生產的扭力沖擊器已經在石油鉆井中廣泛應用，形成了5、6.5、8和10in(1 in=25.4 mm)等口徑系列，且需配備專門的PDC鉆頭[7]。近幾年國內的勝利油田鉆井研究院、西南石油大學及中國石油大學(華東)等機構都對扭力沖擊鉆具進行了相關研究，并在多個鉆井中進行了野外鉆進試驗，取得了一定的研究成果[8]。勝利油田鉆井研究院研制出了SLTIT和SLBF-TIT扭轉沖擊鉆井提速工具，先后在勝利油田高890-24井、濱660-6井、樁23-17井等進行了試驗，下井最長時間為122 h，平均機械鉆速提高50%～70%[9]。西南石油大學設計發(fā)明了一種扭轉沖擊鉆井工具，通過扭沖工具內部的傳動軸將渦輪的轉動傳遞給棘輪機構，棘輪機構的撞擊砧塊不斷地撞擊承撞砧塊，從而形成了脈沖扭矩[10]。中國石油大學(華東)發(fā)明了一種渦輪扭轉沖擊發(fā)生器，通過渦輪帶動定軸旋轉，定軸通過花鍵帶動傳動套旋轉，傳動套撥動沖擊爪，沖擊爪帶動沖擊架高速旋轉，在旋轉過程中沖擊爪和傳動套作用并周期性地沖擊傳動軸，形成高頻扭轉沖擊，傳動軸將獲得的高頻沖擊能量傳遞到鉆頭套筒上，鉆頭套筒帶動鉆頭脈動的沖擊地層巖石，從而實現高頻扭轉沖擊[11]。溫州加達機械制造有限公司設計了石油鉆井三維震動破巖裝置，利用鉆井液為動力，驅動旋沖錘、重錘，產生一定頻率的橫向、縱向沖擊力，為PDC鉆頭提供一種三維動作沖擊的功效，輔助鉆頭破巖，提高鉆頭破巖能力[12]。

扭力沖擊器作為一種高效的井底提速鉆具已經在石油行業(yè)得到了廣泛的推廣應用，但是成熟的技術都掌握在國外公司手中,技術服務價格高昂[13-14]。目前國內研制的扭力沖擊器在使用壽命、工程化應用方面與國外相比還有欠缺，需要開展進一步的深入研究。在塔里木、玉門、酒泉等石油鉆井中曾租用了阿特拉公司的扭力沖擊器，和螺桿鉆具相比，在相同層段的純鉆進效率提速明顯，提高了約70%～150%，且PDC鉆頭的磨損要小得多[15]。此外扭力沖擊器為全金屬結構，耐高溫性能突出，對深孔、超深孔的高溫環(huán)境有很好的適應性[16]，并且扭轉沖擊在消除粘滑振動的同時，增強了PDC鉆頭的剪切碎巖效果。因此，針對深孔、特深孔鉆探面臨的高溫和鉆進效率低等難題，扭力沖擊器作為一種高效的井底提速增效鉆具，對其開展深入研究還是很有必要的。

1 新型扭力沖擊器的設計

1.1 設計參數及要求

為了進一步提高扭力沖擊器的實用性，其設計參數應滿足以下要求：

(1)抗高溫能力不低于230 ℃，在鉆具設計中不使用橡膠等耐高溫能力差的材料；

(2)使用壽命達到170～180 h，減少提下鉆維修次數；

(3)沖擊次數達到200～500次/min，在鉆具設計中避免使用電子元器件等抗震性較差的零部件；

(4)單次沖擊扭向力450～950 N·m，采用抗沖擊韌性較好的復合片鉆頭，增強碎巖效果的同時，減少PDC崩齒的發(fā)生。

1.2 扭力沖擊器工作原理

設計的鉆具總長為1800 mm，PDC鉆頭外徑為152 mm，研制的扭力沖擊器(見圖1)通過渦輪組帶動沖擊組件實現旋轉沖擊，所需鉆井液流量為15 L/s，鉆井液壓力降為0.7 MPa。扭力沖擊器主要包括內管總成和外管總成。外管總成上端與鉆桿連接，在外管總成的下端連接鉆頭；內管總成套裝在外管總成內部，從上至下依次設置渦輪組件、萬向節(jié)、減速器、柔性連接部分和扭轉沖擊組件；渦輪組件通過鉆井液帶動產生旋轉，最終帶動扭轉沖擊組件產生周向沖擊，通過外管將沖擊力傳遞到鉆頭上，實現鉆頭的沖擊-剪切碎巖。其中扭轉沖擊組件包括沖擊軸、沖擊塊和承沖管。安裝在沖擊軸上的沖擊塊，在偏心沖擊軸的作用下周期性地撞擊承沖管內部的凸臺，并通過彈簧快速復位，從而實現了高頻沖擊的目的。

圖1扭力沖擊器結構示意

Fig.1Structrue of the torsional impactor

1.3 扭力沖擊器沖擊扭矩計算

在扭轉沖擊組作碰撞運動時，渦輪組件帶動沖擊塊撞擊沖擊管上的砧子，沖擊頻率為4～5 Hz，轉換成角速度為25.133～31.415 rad/s，碰撞時間約為0.5×10-3s。沖擊塊的轉動慣量為12.96×10-3kg·m2，則沖擊時瞬間扭矩可通過下式計算。

式中：T——沖擊扭力，N·m；J——轉動慣量，kg·m2；Δω——角速度變化量，rad/s；Δt——碰撞時間，s。

根據上式計算得出，單次沖擊扭拒為651.45～814.28 N·m，達到了設計要求。

2 扭力沖擊器沖擊性能測試

2.1 試驗臺搭建

為了滿足扭力沖擊器性能測試，搭建了渦輪扭力沖擊器水力性能測試平臺，主要由離心泵、蓄水池、吸水管、高壓膠管、扭力沖擊器及夾具和排水管組成。由于試驗條件有限，選配了大功率的離心泵代替泥漿泵，模擬泥漿泵的工況，為扭力沖擊器提供所需的流量和壓力。根據?127 mm規(guī)格渦輪組所需的流量和壓力參數，離心泵的技術指標應滿足：流量≮15 L/s，揚程≮70 m。配備的ISW80-50-315型離心泵技術指標為：流量16.7 L/s，揚程123 m，轉速2900 r/min，功率35 kW，效率80%。

2.2 試驗結果分析

用高壓軟管將離心泵和扭力沖擊器連接起來，通過離心泵的吸水管將清水輸送到沖擊器中，帶動渦輪轉動，進一步帶動沖擊器進行旋轉沖擊，現場測試見圖2。通過多次調試，實現了沖擊功能。由于現場噪聲太大，為了測量實際的沖擊頻率，在筆記本電腦上安裝了聲頻分析軟件對試驗產生的沖擊聲音進行錄音，然后通過聲波的波峰來計算沖擊次數(見圖3)。經過計算，沖擊頻率為4～5 Hz,即為240～300次/min。

圖2 沖擊性能測試

由于離心泵的流量較大，導致渦輪組的轉速較高，在1200～1300 r/min，因此在渦輪組件和沖擊器之間增加了一個減速器，減速比為1∶4，為了減少沖擊振動對減速器的影響，在減速器和沖擊器之間通過扭簧進行柔性連接。經過多次試驗調整后，渦輪扭力沖擊器實現了正常沖擊，但沖擊了較短的一段時間后，卡死。拆開扭力沖擊器之后發(fā)現，扭簧損壞嚴重且沖擊器的上連接軸也被扭斷(見圖4)。連接軸的直徑為18 mm，通過平鍵與傳扭接頭連接。通過分析得出以下結論：

(1)沖擊器產生的扭矩較大，能夠滿足鉆進碎巖要求。但在沖擊器的材料選擇和熱處理方面需要進行更深一步的研究，同時需要選配更合適的柔性連接部件。

(2)由于離心泵的流量和壓力不穩(wěn)定，造成渦輪組轉速有較大幅度的變化，最終導致沖擊器的沖擊次數和沖擊扭矩也跟著變化。

3 結論及展望

(1)完成了1套扭力沖擊器的樣機加工試制，并搭建了試驗平臺，通過測試表明扭力沖擊器的設計原理是可行的，沖擊頻率為4～5 Hz，單次沖擊扭力為651.45～814.28 N·m。

(2)在試驗中發(fā)現，離心泵的流量和揚程會出現較大的波動，導致扭力沖擊器的沖擊頻率和沖擊力也跟著變化。下一步計劃采用大流量的泥漿泵進行測試，可以給渦輪組提供穩(wěn)定的流量和壓力，穩(wěn)定流量不低于900 L/min。

(3)在試驗中，出現了沖擊軸上端與減速器連接的地方斷裂以及扭簧損壞的情況，下一步需要在沖擊器關鍵部件的材料選擇和熱處理方面進行優(yōu)化，同時優(yōu)化沖擊組件的撞擊方式，將沖擊頻率提高到7～10 Hz，為下井試驗做好準備。

(4)研制的渦輪扭力沖擊器耐高溫性能突出，同時其扭向沖擊提高了鉆頭碎巖效率，能夠為特深孔、干熱巖鉆井提供一種很好的提速增效方法。