摘要：PDC 鉆頭在深井高硬度、研磨性較強(qiáng)的地層鉆進(jìn)時會出現(xiàn)蹩鉆、跳鉆現(xiàn)象，從而導(dǎo)致鉆頭機(jī)械鉆速低、進(jìn)尺少、經(jīng)濟(jì)效益差等問題。為提高鉆頭機(jī)械鉆速，克服深井高硬地層普遍存在的粘滑現(xiàn)象，開展了近鉆頭旋扭沖擊器設(shè)計研究工作。結(jié)合流體力學(xué)對工具進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，通過建立三維模型，運(yùn)用模擬軟件對工具結(jié)構(gòu)流場進(jìn)行有限元仿真分析，確定了工具結(jié)構(gòu)參數(shù)。試制樣機(jī)開展室內(nèi)及現(xiàn)場的性能測試，樣機(jī)各項功能正常，達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。可為后期現(xiàn)場應(yīng)用及工具的進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：近鉆頭；旋扭沖擊器；仿真分析；粘滑振動；沖蝕；試驗

中圖分類號：TE921.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.02.005

Structure Design and Test of Near Bit Rotary Torsion Impactor

LIU Yibin1， HUANG Feng1， KANG Jiantao1， ZHOU Hao2， JI Xiaona1， ZUO Yue1

（1.Engineering Technology Research Institute， BHDC， Renqiu 062550 ， China ;

2.Downhole Services Company， BHDC， Renqiu 062550， China）

Abstract：The PDC bits are generally used in deep wells with high hardness and strong abrasiveness， and the phenomenon of bit bouncing and bit bouncing occurs， which leads to a low penetration rate， less footage， and poor economic benefits. In order to improve the penetration rate of the drill bit and overcome the stick-slip phenomenon that is common in deep and high-hard formations， the design and research work of the near-bit rotary-torsional impactor was carried out. The structure of the tool was optimized by combining fluid mechanics. Through the establishment of a three-dimensional model， the finite element simulation analysis of the flow field of the tool structure was carried out by using the simulation software， and the structural parameters of the tool were determined. The indoor and field performance testing was carried out for the trial prototype. The functions of the prototype are normal to meet the design indicators and meet the requirements of the on-site application. It can be used for reference for further optimization and improvement of applications and tools.

Key words：near bit; rotary torsion impactor; simulation analysis; stick-slip vibration; erosion; test

目前，PDC 鉆頭是深井、超深井硬地層主要的破巖工具［1］，其破巖進(jìn)尺占總進(jìn)尺的60%以上。但由于深部地層地質(zhì)條件復(fù)雜，溫度高、壓強(qiáng)大、巖石研磨性強(qiáng)［2］，使得PDC 鉆頭破巖時產(chǎn)生粘滑振動，導(dǎo)致PDC鉆頭缺乏足夠的扭矩來剪切破碎巖層，造成鉆頭過早失效［3］。為降低高硬度地層的粘滑振動對PDC鉆頭造成的損害，提高鉆頭在巖層中的鉆進(jìn)效率，延長PDC鉆頭使用壽命、提高單只鉆頭進(jìn)尺、縮短鉆井周期、降低鉆井成本［4］，結(jié)合旋轉(zhuǎn)沖擊輔助破巖理論與流體動力學(xué)理論，研發(fā)出新型近鉆頭旋扭沖擊器。通過與PDC 鉆頭的聯(lián)合使用，可以成為深井、超深井高效破巖的輔助工具，能夠大幅度提高深井難鉆地層的機(jī)械鉆速、保護(hù)鉆頭、降低鉆井成本［5-8］。

1結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1結(jié)構(gòu)組成

近鉆頭旋扭沖擊器主要由外殼短接、導(dǎo)流器、液動錘外殼、液動錘、啟動器、卡環(huán)、變流量噴嘴、傳動短接等部件組成，如圖1所示。其中，外殼短接是封裝諧振器各部件的外部結(jié)構(gòu)。在保證旋扭沖擊器各部活動部件穩(wěn)定運(yùn)動的前提下，外殼短接要承受上部鉆鋌產(chǎn)生的鉆壓、轉(zhuǎn)矩、彎矩及鉆井液內(nèi)外壓差。導(dǎo)流器主要功能是過濾和分流。液動錘、啟動器是扭力沖擊器工具核心的運(yùn)動部件，啟動器是液動錘運(yùn)動的調(diào)節(jié)部件，液動錘產(chǎn)生反復(fù)運(yùn)動的扭轉(zhuǎn)沖擊力。傳動短接主要是傳遞扭轉(zhuǎn)沖擊力，其次是傳遞鉆鋌的鉆壓和轉(zhuǎn)矩，并連接鉆頭［9］。

1.2工作原理

旋扭沖擊器啟動器和液動錘起始位置如圖2a所示。當(dāng)鉆井液經(jīng)分流器流入啟動器和液動錘外殼流道，通過啟動器和液動錘側(cè)邊流道的配合在一側(cè)形成壓差，推動啟動器轉(zhuǎn)動，從而帶動液動錘旋轉(zhuǎn)，如圖2b，給液動錘一個持續(xù)作用力，推動其沿著液動錘外殼環(huán)形軌道運(yùn)動。在持續(xù)的流體力作用下，這個運(yùn)動過程會不斷重復(fù)，通過液動錘持續(xù)不間斷的往復(fù)敲擊液動錘外殼，就會產(chǎn)生高頻低幅沖擊力。沖擊力通過傳遞機(jī)構(gòu)集中均勻的傳遞到鉆頭上［10］，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)與沖擊聯(lián)合破巖，增強(qiáng)鉆頭的破巖效率［11］。

1.3工具結(jié)構(gòu)參數(shù)及特點(diǎn)

旋扭沖擊器設(shè)計有182 、 210 、230 mm 3種尺寸系列工具，具體設(shè)計性能參數(shù)如表1。

2近鉆頭旋扭沖擊器仿真分析

了解旋扭沖擊器工具原理是合理設(shè)計工具的先決條件。優(yōu)化分析是工具安全、長壽命工作的重要保障。因此需要對工具的內(nèi)部流道、主要部件進(jìn)行仿真分析。選用182 mm尺寸工具進(jìn)行分析，工具的下端為430（4\"REG），上端為411（4\"IF）。

2.1內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)的有限元分析

為了進(jìn)一步對工具內(nèi)部流道進(jìn)行優(yōu)化分析，需要繪制工具內(nèi)部流道圖（如圖3所示）。

為了分析工具內(nèi)部流體在流道中運(yùn)動及壓力狀態(tài)，使用Fluent 有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計算（如圖4～5所示）。選取計算參數(shù)為：鉆井液密度為1.0 g/cm3，泵的排量為32 L/s，入口和出口鉆鋌的直徑為76 mm，泵的壓力為10 MPa。

從圖4可以看出：到達(dá)工具入口的壓力為7 MPa，出口壓力為4.7 MPa，壓力消耗為2.3 MPa。從圖5可以看出：工具中心的鉆井液流速達(dá)到最大值，從中心到出口向外流速逐漸降低。在工具中心處流體速度最高可達(dá)44.1 m/s，此處也是工具受到?jīng)_蝕最為明顯的地方，在設(shè)計時應(yīng)該重點(diǎn)加強(qiáng)此處的材料性能。

2.2主要部件的有限元分析

近鉆頭旋扭沖擊器設(shè)計的目的，不僅要其工作性能滿足井下鉆進(jìn)施工的工藝要求，還要有十分穩(wěn)定的工作壽命和安全性。

1）外殼短接。

在鉆井過程中，旋扭沖擊器外殼接頭要承受拉、壓、彎、扭、沖擊、內(nèi)外壓、等多種形式的載荷［12］，這些載荷既同時存在又有相互作用。接頭主要失效形式為過量變形、斷裂和表面損傷［13］。分析外殼短接在壓載荷、轉(zhuǎn)矩、彎矩、液壓載荷及溫度載荷作用下的安全性［14］。采用Solidworks 的Simulation 插件對外殼短接進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，如圖6所示。

根據(jù)井下實際工況，外殼短接模擬加載條件為：軸向載荷80 kN、轉(zhuǎn)矩5 kN·m、工具內(nèi)液壓76 MPa、工具外部壓力66 MPa。其余參數(shù)為：井深5 600 m、地溫梯度3.3 ℃/100 m、地表溫度22 ℃、鉆井液密度1.3 g/cm3。

對外殼短接進(jìn)行靜力模擬分析，主要包括應(yīng)力分析、扭曲分析，生成應(yīng)力圖、位移圖、應(yīng)變圖（如圖7所示）。根據(jù)仿真分析結(jié)果，加強(qiáng)不安全區(qū)域，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案［15］。

由圖7 可以看出，應(yīng)力最集中處、應(yīng)變最大處、壓應(yīng)力最集中的位置都在外殼短接與傳動接頭相鄰接的部位，殼體所受最大應(yīng)力為壓應(yīng)力。外殼短接選用的 42CrMo 的屈服點(diǎn) 930 MPa，所受的最大載荷為268.46 MPa，安全系數(shù)達(dá)到 3.46。從位移分布圖可以看出，位移變化較為均勻，工具最大位移0.0748 mm，最大應(yīng)變0.001 464 1 ，當(dāng)前結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計是安全的。

2）外殼短接與傳動短接的組合件。

外殼短接與傳動短接的組合部分為本套工具的薄弱部位，即工具在井下工作時，容易發(fā)生危險的部分。所以應(yīng)該對此部分進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力分析。

建立靜態(tài)分析模型，對組合件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采取實體網(wǎng)格劃分作為單元類型，同時為了獲得良好仿真分析精度，應(yīng)該選擇高品質(zhì)的網(wǎng)格，并且網(wǎng)格化的自動過渡功能處于打開狀態(tài)，以便在網(wǎng)格劃分時，在容易產(chǎn)生較大應(yīng)力的部位形成較大的網(wǎng)格密度，

而其余部位產(chǎn)生相對較小網(wǎng)格密度（網(wǎng)格劃分如圖8所示）。

根據(jù)井下實際工況，確定模擬加載工作載荷，同上。

對組合體進(jìn)行靜力分析，包括應(yīng)力分析、扭曲分析，生成應(yīng)力圖、位移圖、應(yīng)變圖（如圖9所示）。根據(jù)仿真設(shè)計結(jié)果，加強(qiáng)不安全區(qū)域，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案。

從圖9可以看出，應(yīng)力最集中處和應(yīng)變最大處都在相連接的部位，此處最大應(yīng)力82.85 MPa，材料屈服極限為930 MPa，安全系數(shù)為11.23，所受的載荷遠(yuǎn)小于工具所選用材料的屈服極限，因此不發(fā)生應(yīng)力破壞。從位移分布圖來看，最大位移為0.386 255 mm，位移變形較小。剛度和承載性能良好，當(dāng)前結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計是安全的。

3近鉆頭旋扭沖擊器性能測試

3.1室內(nèi)清水低泵壓試驗

采用離心式大排量低壓泵，軸功率18.5 kW，流量168 m3/h，揚(yáng)程23.5 m水柱，轉(zhuǎn)速2 900 r/min，效率68%；三相異步電動機(jī)，功率90 kW，額定電壓380 V，額定電流166 A，頻率50 Hz。在旋扭沖擊器上安裝有計數(shù)器，用于測定工具工作時的頻率。室內(nèi)樣機(jī)測試裝置如圖10所示。

試驗數(shù)據(jù)（如表2）證明：工具的旋轉(zhuǎn)頻率很大程度上受到泵的排量、工具內(nèi)部結(jié)構(gòu)流道的尺寸的影響，工具的沖擊轉(zhuǎn)矩則跟工具沖擊錘的質(zhì)量和泵壓力有很大關(guān)系。

3.2現(xiàn)場沖蝕試驗

現(xiàn)場沖蝕試驗條件：泥漿泵壓力18 M Pa，排量35 L/s，鉆井液密度1.50 g/cm3，沖蝕時間5 h?，F(xiàn)場沖蝕試驗如圖11所示。

試驗數(shù)據(jù)（如表3）證明：工具工作正常，工具外觀沖蝕不明顯，液動錘沖擊聲音明顯，試驗達(dá)到設(shè)計要求，工具井下的正常工作壽命可以期待。

4結(jié)論

1）研發(fā)的旋扭沖擊器在材料、結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。在模擬軸向壓力80 kN、內(nèi)外壓差10 MPa、溫度150 ℃的工況條件下對工具靜載應(yīng)力進(jìn)行有限元分析，從位移、應(yīng)變、應(yīng)力3個方面分析工具的強(qiáng)度特征及變形特征，旋扭沖擊器核心部件的各項參數(shù)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，安全可靠。

2）加工出全尺寸樣機(jī)，并分別進(jìn)行室內(nèi)清水試驗和現(xiàn)場鉆井液沖蝕試驗，根據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計工具的內(nèi)部機(jī)構(gòu)，使旋扭沖擊器達(dá)到了現(xiàn)場應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

3）下一步應(yīng)對旋扭沖擊器的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化篩選，并對旋扭沖擊器與PDC鉆頭的匹配情況進(jìn)行分析，提升旋扭沖擊器對地層的適應(yīng)性。

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