鄧銀江 郭正偉 魏秦文 王圣林

(重慶科技學院 機械與動力工程學院，重慶 401331)

0 前 言

隨著油氣資源的不斷消耗，油氣開采目標向著縱深發(fā)展。深地層環(huán)境溫度高，巖石硬度大、耐磨性強，常規(guī)的鉆井方式存在進尺慢、鉆頭磨損快、憋跳嚴重等問題，難以完成深井、超深井的作業(yè)任務[1-2]。在深井硬地層的鉆進過程中，PDC鉆頭會出現(xiàn)因扭矩不足而無法破碎巖石的情況；此時，鉆柱發(fā)生扭轉(zhuǎn)，儲存彈性勢能，直至鉆頭克服鉆井阻力，鉆柱中的能量被瞬間釋放，鉆柱與鉆頭產(chǎn)生劇烈振動(“黏滑”振動)，導致鉆頭受到磨損[3]。油氣勘探開發(fā)中常采用扭力沖擊器與PDC鉆頭的配合來降低“黏滑”振動的產(chǎn)生[4]，從而提高鉆頭對深井硬地層的鉆進速度。目前使用的沖擊器大多為TorkBuster，國內(nèi)的螺桿鉆具式、渦輪式扭力沖擊器等只能產(chǎn)生單向扭轉(zhuǎn)沖擊，這會造成沖擊機構單側(cè)受力不均勻而出現(xiàn)偏磨失效[5]。扭力沖擊器能夠產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)沖擊振動，從而輔助鉆頭破巖，但在面對硬地層切削齒無法吃入或大斜度、水平段等鉆頭無法進尺的情況時，幾乎沒有提速效果[6]。柳貢慧等人對復合沖擊鉆井工具進行了研究，提出一種能夠產(chǎn)生連續(xù)扭轉(zhuǎn)和軸向沖擊振動的工具，并對其破巖效果進行了分析[7-10]。穆總結(jié)等人對軸扭耦合沖擊鉆井提速技術進行了研究，提出一種由盤閥控制的軸扭耦合沖擊鉆井工具[11]。目前提出的工具雖然能夠產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和軸向沖擊載荷，但均未考慮軸扭沖擊行程配合問題。

基于水力學原理對扭轉(zhuǎn)沖擊振動、軸向沖擊振動的發(fā)生方式等進行研究，設計了一種新型復合沖擊破巖鉆井提速工具。工具扭轉(zhuǎn)沖擊結(jié)構采用剛性連接，以保證上部轉(zhuǎn)盤穩(wěn)態(tài)扭矩的可靠傳遞；軸向沖擊結(jié)構采用柔性連接，以減少軸向沖擊反力對工具的損壞，確保鉆進過程安全可靠。

1 復合沖擊破巖鉆井提速工具的設計

復合沖擊破巖鉆井提速工具的主要作用，是減少鉆井過程中的“黏滑”振動以及解決大斜度或水平井段進尺慢等問題。復合沖擊破巖鉆井提速工具由扭轉(zhuǎn)沖擊機構、軸向沖擊機構以及軸扭配合機構等3部分組成(見圖1)。工具能夠在泥漿驅(qū)動作用下產(chǎn)生往復沖擊扭矩，彌補現(xiàn)有單向沖擊工具偏磨失效的缺點。工具產(chǎn)生的軸向沖擊力給鉆頭施加軸向沖擊載荷，配合鉆壓施加的靜載荷，使得鉆頭與巖石的接觸壓力大于巖石硬度，進而形成體積破碎。同時，該工具能夠?qū)崿F(xiàn)扭轉(zhuǎn)沖擊和軸向沖擊行程匹配，最大程度發(fā)揮工具的提速效果。

圖1 復合沖擊破巖鉆井提速工具結(jié)構示意圖

扭轉(zhuǎn)沖擊機構內(nèi)部結(jié)構如圖2所示。工作時，高壓泥漿通過換向閥內(nèi)部流道進入由液壓錘與錘座形成的密閉腔內(nèi)，推動液壓錘順時針轉(zhuǎn)動(見圖2a)；液壓錘帶動換向閥一起轉(zhuǎn)動，當液壓錘到達極限位置時，撞擊液壓錘座(見圖2b)；此時，換向閥在控制流道中鉆井液的驅(qū)動下相對于液壓錘旋轉(zhuǎn)一定角度(見圖2c)；換向閥內(nèi)部流道與液壓錘反轉(zhuǎn)流道連通，液壓錘帶動換向閥一起逆時針轉(zhuǎn)動，直至液壓錘到達極限位置時，撞擊液壓錘座(見圖2d)。4個行程往復進行，形成往復沖擊。

圖2 扭轉(zhuǎn)沖擊機構運動過程示意圖

1.2 軸向沖擊機構

在軸扭配合機構作用下，鉆井液交替進入沖擊錘上下腔，推動其產(chǎn)生周期性的上下往復運動(見圖3)。沖擊錘在運動下行程撞擊沖擊氈，產(chǎn)生的軸向沖擊力使沖擊接頭與鉆頭發(fā)生軸向小距離位移，產(chǎn)生的沖擊載荷與鉆壓施加的靜載荷輔助鉆頭破碎巖石，從而解決了硬巖地層無法吃入或鉆頭拖壓無法進尺等問題。

圖3 軸向沖擊機構運動過程示意圖

1.3 軸扭配合機構

液壓錘轉(zhuǎn)動時，下部傳動軸將動力傳遞給軸扭配合機構的配流套筒(見圖4)，配流套筒上的圓柱凸輪機構將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為螺旋運動，控制鉆井液交替進入沖擊錘上下腔，從而實現(xiàn)由扭轉(zhuǎn)沖擊運動控制軸向沖擊運動。根據(jù)不同的作業(yè)工況，設計合理的配流套筒凸輪結(jié)構能有效提高破巖效率。

圖4 配流套筒結(jié)構示意圖

在工具使用當中，扭轉(zhuǎn)沖擊機構與軸向沖擊機構高頻往復運動產(chǎn)生沖擊載荷，并通過軸扭配合機構進行行程控制，其提速效果與工具性能密不可分，但不同的地層最佳沖擊頻率有所不同。

2.1 工作流量計算

工具的參數(shù)如下：工具外徑為17.78 cm，長度為1.635 m，沖擊組件材料為YG8鎢鋼，屈服強度為1 500 MPa，彈性模量為5.1×105MPa，泊松比為0.3，密度為1.48×104kg/m3；其他組件材料為 40 CrNiMo。扭轉(zhuǎn)沖擊機構各零件參數(shù)由軟件建模得到(見表1)。

表1 扭轉(zhuǎn)沖擊機構各零件參數(shù)

液壓錘扭矩計算公式見式(1)[12]：

(1)

式中：T——碰撞扭矩，N·m；

J——轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；

α——角加速度，rad/s2；

Δω——角速度的變化量，rad/s；

ω0——碰撞前液壓錘的角速度，rad/s；

Δt——碰撞時間，s。

假設液壓錘與液壓錘座碰撞時，T=1 350 N·m，根據(jù)文獻[13]，取Δt=1×10-3s，則ω0=26.2 rad/s。

根據(jù)流量守恒原理[14]，扭轉(zhuǎn)沖擊機構工作流量為：

Ql=2Aω0r

(2)

式中：Ql——扭轉(zhuǎn)沖擊機構工作流量，L/s；

A——液壓錘工作面積，m2；

r——轉(zhuǎn)動中心半徑，m。

液壓錘工作時，A=2.16×10-3m2，r=5.2×10-2m，由式(2)計算可得Ql=5.89 L/s。

假設流體不可壓縮，用數(shù)值模擬方法得到各流道流量分配關系，控制流量∶噴嘴泄流量∶工作流量=11∶26∶63，工具入口流量與工作流量關系如式(3)所示：

(3)

式中：Qr為工具的入口流量，L/s。

由上述數(shù)據(jù)可得，T=1 350 N·m時，Qr=9.35 L/s。

式(1)—(3)聯(lián)立可得扭轉(zhuǎn)沖擊機構沖擊扭矩與入口流量的關系為：

T=1.444×102×Qr

(4)

2.2 軸向沖擊力計算

軸向沖擊機構運動部件為沖擊錘，其材料為YG8鎢鋼，沖擊錘參數(shù)如表2所示。

表2 軸向沖擊錘參數(shù)

根據(jù)沖擊力計算公式[12]，得到軸向沖擊力與沖擊錘末速度關系：

I=F·Δt=m·v

(5)

式中：I——沖量，(kg·m)/s；

F——沖擊力，N；

Δt——碰撞時間，s；

m——沖擊錘質(zhì)量，kg；

v——沖擊錘碰撞前速度，m/s。

2.3 流場分析與碰撞仿真

2.3.1 流場分析

建立流體區(qū)域三維模型，導入Fluent流場分析軟件，劃分1.87×106個網(wǎng)格對工具內(nèi)部流體流動狀態(tài)及壓力分布情況進行計算。為提高仿真計算的收斂性，采用速度入口、壓力出口模型，流體(泥漿)密度取1.2×103kg/m3。根據(jù)設計排量和入口截面積(入口截面積為1.96×10-3m2，入口流量為10.00 L/s)，得到流體入口速度為5.1 m/s。為保證軸向沖擊機構正常運行且?guī)r屑具有一定環(huán)空返速，設置工具出口壓力為3.00 MPa。紊流模型采用k-ε進行計算。

入口流量為10.00 L/s時，扭轉(zhuǎn)沖擊機構工作時的內(nèi)部流體壓力分布情況如圖5所示。工具入口壓力為3.35 MPa，出口壓力為3.00 MPa，扭轉(zhuǎn)沖擊機構的壓力損耗為0.35 MPa。在噴嘴作用下，上腔形成了高壓區(qū)，下腔形成了低壓區(qū)，液壓錘在壓差作用下轉(zhuǎn)動，形成扭轉(zhuǎn)沖擊。

圖5 扭轉(zhuǎn)沖擊機構工作時內(nèi)部流體壓力分布情況

入口流量為10.00 L/s時，扭轉(zhuǎn)沖擊機構工作時的內(nèi)部流體流速分布情況如圖6所示。工具噴嘴中心位置處泥漿流速最大，由中心向外，流速逐漸降低，工具內(nèi)部最大流速為24.0 m/s，噴嘴處受鉆井液沖蝕破壞最嚴重，噴嘴應采用耐沖蝕材料。

圖6 扭轉(zhuǎn)沖擊機構工作時內(nèi)部流體速度分布情況

選用不同入口流量進行數(shù)值模擬，液壓錘轉(zhuǎn)速情況如表3所示。工具內(nèi)部流體最大流速、液壓錘轉(zhuǎn)速與工具入口流量均呈線性關系(見圖7)。

圖7 工具入口流量與工具內(nèi)部最大流速、液壓錘轉(zhuǎn)速關系曲線

表3 液壓錘數(shù)值模擬情況

2.3.2 碰撞仿真

為探究碰撞過程扭矩的變化情況，將扭轉(zhuǎn)沖擊機構的三維模型導入Adams多體動力學軟件中，進行仿真模擬(入口流量10.00 L/s，液壓錘碰撞前轉(zhuǎn)速為28.2 rad/s)。為準確描述速度連續(xù)變化過程，選用Impact碰撞接觸模型[15]。設定剛度系數(shù)為1.0×1011N/m2，碰撞指數(shù)為2.2，最大阻尼為1.0×104(N·s)/m，穿透深度為0.1 mm。因碰撞過程瞬間完成，因此忽略摩擦力的影響。仿真結(jié)果如圖8所示，碰撞過程中扭轉(zhuǎn)沖擊機構產(chǎn)生的最大碰撞扭矩為1 347.7 N·m，碰撞時間為9×10-4s，碰撞后液壓錘的反彈速度為-6.3 rad/s。

圖8 碰撞仿真模擬參數(shù)曲線

進一步改變液壓錘轉(zhuǎn)速進行仿真，得到不同入口流量下的最大碰撞扭矩，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同入口流量下液壓錘的最大碰撞扭矩

2.4 工具的可靠性分析

工具的可靠性直接影響施工進度及鉆井安全，因此必須保證工具安全穩(wěn)定地運行?；跈C械零件強度計算準則[16]，結(jié)合工具實際工作情況，計算材料許用屈服強度極限：

[σs]=σs/S

(6)

式中：[σs]——材料許用屈服強度極限，MPa；

σs——材料屈服強度極限，MPa；

S——工況系數(shù)。

扭轉(zhuǎn)沖擊機構較為復雜，采用有限元法進行分析。工具入口流量為10.00 L/s時，沖擊機構碰撞應力情況如圖10所示。扭轉(zhuǎn)沖擊機構所受最大應力為117.70 MPa，最大應力位于液壓錘座控制的流道口處，單次沖擊時液壓錘應力小于液壓錘座應力。進一步分析不同入口流量下扭轉(zhuǎn)沖擊機構的最大應力變化，結(jié)果如圖11所示。液壓錘、液壓錘座受到的最大應力與入口流量呈近似二次曲線關系。通過二次曲線擬合，得到入口流量與液壓錘座受到的最大應力擬合公式：

圖10 10.00 L/s的入口流量下扭轉(zhuǎn)沖擊機構碰撞應力情況

圖11 不同入口流量下扭轉(zhuǎn)沖擊機構最大應力曲線

(7)

式中：σsmax——液壓錘座受到的最大應力，MPa。

當S=3，[σs]=500 MPa時，得到工具能夠承受的最大入口流量為29.38 L/s。

3 結(jié) 語

本次設計的新型復合沖擊破巖鉆井提速工具由扭轉(zhuǎn)沖擊機構、軸向沖擊機構以及軸扭配合機構3部分組成，該工具能夠產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)沖擊扭矩及軸向沖擊力，結(jié)構簡單、內(nèi)部流道通暢，使用安全可靠，配合PDC鉆頭使用可提高硬巖地層鉆進效率。

工具的軸、扭沖擊行程配合關系由配流機構控制，可根據(jù)不同作業(yè)地層，單獨設計配流機構凸輪結(jié)構，以提供適應不同地層的復合沖擊形式，最大程度地發(fā)揮工具提速效果。

工具內(nèi)部流體最大流速、液壓錘轉(zhuǎn)速與工具入口流量均呈線性關系，液壓錘、液壓錘座受到的最大應力與入口流量呈近似二次曲線關系，工具能夠承受的最大入口流量為29.38 L/s。