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◀钻井技术与装备▶ 弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置的研制 ∗ 玄令超 管志川 张会增 刘永旺 (中国石油大学 (华东) 石油工程学院) 摘要 旋转冲击钻井技术是在现有钻井工艺条件下提高深井和超深井机械钻速的有效途径之 一。 利用短螺杆马达带动冲锤产生旋转运动并产生周期性冲击载荷的新思路, 研制了弹簧蓄能激 发式旋转冲击钻井装置, 同时对装置的冲击参数进行了测试试验。 装置的上部分为高转速短螺杆, 中间部分为传动和扶正部件, 下部为冲击振套, 其冲击频率为螺杆转速与冲锤齿数的乘积, 采用 纯机械碰撞的方式产生和传递冲击载荷。 冲击测试试验结果表明, 装置的冲击频率为37 Hz, 冲击 力峰值 21~32 kN, 单次载荷作用时间 4 ms; 装置达到设计要求, 冲击频率和动载可预先设计并可 调整, 同时具有良好的稳定性。 关键词 旋转冲击; 弹簧蓄能式; 冲击器; 螺杆马达; 冲击性能; 冲锤 中图分类号 TE921 文献标识码 A doi 10 16082/ j cnki issn 1001-4578 2015 11 004 Percussive⁃rotary Drilling Tool with Spring Accumulating Collision Xuan Lingchao Guan Zhichuan Zhang Huizeng Liu Yongwang (School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (Huadong) ) Abstract Percussive⁃rotary drilling technology is one of the effective ways to improve the drilling speed of deep and super⁃deep wells Percussive⁃rotary drilling tool with spring accumulating collision is developed by combi⁃ ning a short positive displacement motor and a toothed hammer to rotate with periodic impact load The impact pa⁃ rameters of the device were tested The tool is composed of high speed positive displacement motor in the upper part, transmission and centralizing units in the middle part, and impact vibration sleeve in the lower part The im⁃ pact frequency is equal to the value of screw speed multiplying the hammer teeth number The tool generates and de⁃ livers the collision impact load in a purely mechanical way Impact test results show that the tool has an impact fre⁃ quency of 37 Hz, peak impact force of 21~32 kN and a single load time of 4 ms The tool meets the design require⁃ ments The impact frequency and dynamic load can be pre⁃designed and adjusted The tool also has a good stability Key words percussive rotary; spring accumulating collision; impactor; positive displacement motor; im⁃ pact performance; toothed hammer 0 引 言 随着世界范围内石油资源需求的日益增加, 深 井和超深井的钻探施工也日益增多。 实践证明, 旋 转冲击钻井技术是在现有钻井工艺条件下提高深井 和超深井机械钻速的有效途径之一[1-2]。 其工作原 理是在钻头上部安装一个冲击工具, 冲击工具的冲 锤间歇性撞击砧体产生冲击载荷, 冲击载荷提高了 钻头吃入的深度, 并形成大体积的岩屑破碎和剪 切, 能够大幅度提高破岩效率, 提高钻井速度[2]。 目前, 国内已有的旋冲工具包括阀式液动冲击 器[3]、 射流式液动冲击器[4-6]、 射吸式冲击器[7]、 自激振荡式旋冲工具[8]和电动旋转冲击工具[9]等 几类。 这些旋转冲击钻井工具虽然能提高机械钻 速, 但在使用过程中也存在一些不足, 主要表现在 81 石 油 机 械 CHINA PETROLEUM MACHINERY 2015 年 第 43 卷 第 11 期 ∗基金项目 国家科技重大专项 “西部山前复杂地层安全快速钻井技术” (2011ZX05021-001)。 4 个方面 ①旋冲工具井下寿命较短, 和单只钻头 的有效工作时间不匹配, 增加了额外的起下钻成 本; ②旋冲工具单次冲击功较小, 冲击功只有 100 ~500 J, 不足以形成有效的岩石体积破碎; ③旋冲 工具冲击频率和冲击载荷不稳定, 且不易调整, 不 适应现场复杂工况; ④对钻井液要求无固相或固相 含量低, 导致施工操作难度大[10-11]。 研究发现, 特殊设计的螺杆钻具可以提供特定 的扭矩和转速, 并且传动高效, 性能稳定; 凸轮机 构可以迅速改变运动特性, 并产生冲击动载。 笔者 将二者结合, 设计出弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井 装置, 并建立数学模型进行分析和优化, 同时设计 了装置的性能测试试验装置, 对装置的冲击参数进 行了测试试验。 1 技术分析 1 1 结构 弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置结构主要分 为 3 部分 上部为高转速短螺杆, 包括上接头、 防 掉和螺杆定转子; 中间部分为传动和扶正部件, 包 括万向轴、 传动轴和轴承串; 下部为冲击振套, 包 括主轴、 冲锤、 砧体和下接头。 冲锤套在主轴外六 方部位, 冲锤上端压紧弹簧, 冲锤下部为高低起伏 的齿形凸起结构, 齿形凸起圆周均匀分布。 砧体上 部也为齿形结构, 与冲锤齿形相配合, 砧体中部为 六方外形, 套在传扭壳内。 图 1 为弹簧蓄能激发式 旋转冲击钻井装置结构示意图。 1上接头; 2防掉; 3短螺杆; 4万向轴外筒; 5万向轴; 6水帽; 7密封件; 8 轴承串;9传动轴;10弹簧;11主轴;12冲锤;13砧体;14传扭壳;15下接头。 图 1 弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置结构示意图 Fig 1 Structural diagram of the percussive⁃rotary drilling tool with spring accumulating collision 1 2 工作原理 钻井施工时, 该装置作为钻铤的一部分接在近 钻头处, 常规钻井的钻压和扭矩通过装置上接头、 外壳体、 砧体和下接头传递到钻头。 钻井液驱动井 下短马达高速旋转, 带动传动轴和主轴旋转, 主轴 的外六方构造带动冲锤旋转。 冲锤在旋转时, 下部 的齿形凸起不断与砧体的齿形啮合、 相对交错, 交 错时冲锤沿齿形斜面爬升, 迫使弹簧压缩并蓄能; 啮合时冲锤突然下降, 弹簧加速冲锤下落, 冲锤撞 击砧体的一瞬间产生冲击载荷。 撞击完成之后, 冲 锤在传动轴带动下继续旋转运动, 冲锤与砧体齿形 凸起不断交错、 啮合, 产生周期性冲击载荷。 冲击 载荷传递到钻头与静钻压叠加, 增大了钻头吃入的 深度和岩石破碎的体积, 提高了机械钻速。 1 3 关键技术特征 装置对冲锤与砧体的齿形凸起线型和齿的个数 无具体要求, 只要二者可以交错、 啮合即可。 装置 的冲击频率为螺杆转速与冲锤齿数的乘积, 螺杆转 速受螺杆结构和钻井液流量的影响。 考虑钻头在 2 次冲击间的转角最优值为 8 ~12, 在实际应用中 通常选择装置的冲击频率在 30 Hz 左右[1-2]。 因 此, 装置短螺杆采用 头结构, 额定转速 365 r/ min, 冲锤与砧体设计 6 个齿形凸起。 1 4 主要技术参数 装置直径 180 mm, 螺杆转速 273~428 r/ min, 冲击频率 27~43 Hz, 弹簧预压力 2 4 kN, 冲锤质 量 7 8 kg, 冲锤齿高度 20 mm, 排量 24~36 L/ s, 压耗 1 1~1 3 MPa。 2 装置冲击载荷的理论确定 根据岩石破碎学的冲击凿岩理论[12]可以得出 装置的冲击载荷随时间变化规律。 冲击发生装置冲 击力的计算公式为[13] F(t) = 2δv ξ e - k 2δtsh k 2δt (1) 其中, v= 2Fds M , δ=AdρE, ξ= 1- 4δ2 kM 。 式中, δ 为冲击振套的波阻, m2/ (skg); v 为 冲锤冲击砧体时的撞击速度, m/ s; ξ 为反映动载 响应的综合指标系数; k 为冲锤冲击铁砧的变形系 数, kg/ s2; Ad为冲击齿面接触面积, m2; ρ 为砧 体的密度, kg/ m3; E 为砧体的弹性模量, Pa; M 为冲锤的质量, kg; Fd为弹簧的预紧力, N; s 为 冲锤的齿形高度, m。 912015 年 第 43 卷 第 11 期玄令超等 弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置的研制 该公式考虑了冲锤冲击砧体时的不完全接触现 象及临近冲击时润滑油膜的弹性作用。 由式 (1) 可知, 冲击动载 F(t)的大小与冲锤的冲击初速度 v 及波阻 δ 成正比, 也与冲锤齿形凸起线型密切相 关。 冲击接触面增大, 冲击载荷可能增大也可能减 小。 通过式 (1) 可以分析影响旋冲装置冲击动载 的因素, 进而为装置的结构设计和优化改进提供理 论依据。 提高装置冲击动载 F(t)的有效方法包括 增大弹簧弹预紧力 Fd、 增大冲锤齿形高度 s 和优 化齿形凸起线型等。 装置冲击力峰值计算公式为 F(t)max= vAdρE 1 - ξ 1 + ξ 1 2ξ 2 1 - ξ2 (2) 冲锤齿形凸起线型采用修正等速曲线, 设定弹 簧弹预紧力 Fd=2 4 kN, 冲锤齿形高度 s=0 02 m, 计算得到冲击力峰值为 34 7 kN。 3 技术特点 (1) 装置的冲击频率为螺杆转速与冲锤齿数 的乘积。 冲击频率可调性强, 方法包括更换不同齿 形的冲锤砧体和改变钻井液循环流量; 冲击频率稳 定性强, 这是由螺杆钻具的硬特性决定的。 (2) 采用纯机械碰撞的方式产生和传递冲击 载荷, 冲击载荷峰值高; 冲击载荷大小通过弹簧预 紧力调节, 简单高效。 (3) 装置内部零部件结构简单, 短螺杆扭矩 小, 井下工作寿命长, 避免了不必要的起钻和下钻 操作。 (4) 装置对钻井液中的化学成分和固相含量 没有过多要求, 满足螺杆钻具使用标准即可。 (5) 装置对常规钻井所用的钻压和扭矩没有 特殊要求; 短螺杆扭矩小、 压耗低, 不影响 MWD 的正常使用, 具有良好的现场适用性。 4 冲击性能测试试验 为了测试弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置的 冲击性能, 并验证冲击载荷计算公式的准确性, 2014 年 7 月在中国石油大学 (华东) 对装置进行 了冲击性能测试试验。 图 2 为旋转冲击钻井装置性 能测试试验图。 建立旋转冲击装置性能测试试验装置, 用三相 电机和减速机带动主轴旋转; 通过长螺栓调节弹簧 的压缩量来改变弹簧预紧力; 冲锤套在主轴前端六 方处, 冲锤齿形凸起与砧体配合安装, 砧体外六方 卡在六方孔板处; 在砧体尾部安装测力传感器, 利 用高速力值采集系统记录冲击载荷随时间的变 化[14-15]。 试验过程中, 不断调整弹簧压缩量, 记 录不同弹簧预紧力下旋转冲击装置冲击载荷随时间 的变化情况。 1电动机; 2联轴器; 3减速机; 4长螺 栓;5螺纹板;6主轴;7弹簧;8冲锤; 9砧体;10六方孔板;11测力传感器。 图 2 旋转冲击钻井装置性能测试试验图 Fig 2 Performance test of the percussive⁃rotary drilling tool 旋转冲击装置主轴转速为 370 r/ min、 弹簧预 紧力为 2 4 kN 时, 装置的冲击力波形如图 3 所示。 该装置冲击频率为 37 Hz, 每次冲击的时间间隔均 相同, 单次冲击作用时间基本一致, 单次冲击作用 时间为4 ms。 冲击力峰值在28 kN 左右, 冲击力峰 值最大值为 32 kN, 最小值为 21 kN, 冲击载荷峰 值略有波动。 另外, 装置还产生了 6 kN 的小波峰, 小波峰峰值有明显波动, 这是由齿形优化不彻底, 冲锤砧体发生了二次碰撞所致。 图 3 弹簧蓄能激发式旋冲钻井装置冲击力曲线 Fig 3 Impact force curve of the percussive⁃rotary drilling tool with spring accumulating collision 测试结果表明, 该旋转冲击钻井装置达到设计 要求, 冲击频率可通过主轴转速和冲锤齿数预先设 计和调整, 冲击力可通过弹簧预应力预先设计和调 整; 该冲击装置具有良好的稳定性, 冲击载荷波动 小, 冲击频率与转速成正比。 冲击测试试验同时也 验证了冲击载荷计算公式具有较高的准确性和实 用性。 02 石 油 机 械2015 年 第 43 卷 第 11 期 5 结 论 (1) 提出了利用短螺杆马达带动冲锤产生旋 转运动并产生周期性冲击载荷的新思路, 基于该思 路研制了弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置。 (2) 根据装置工作原理建立了冲击载荷计算 模型并进行分析, 装置的冲击载荷随弹簧预紧力和 冲锤齿形高度的增加而增大, 并与冲锤齿形凸起线 型密切相关; 装置冲击频率为螺杆转速与冲锤齿数 的乘积。 (3) 冲击测试试验结果表明, 装置的冲击频 率为37 Hz, 冲击力峰值21~32 kN, 单次冲击载荷 作用时间 4 ms; 装置达到设计要求, 冲击频率和 冲击动载可预先设计并可调整, 同时具有良好的稳 定性。 参 考 文 献 [1] 陶兴华 冲击回转钻进在石油钻井中的应用 [J] 西部探矿工程, 1996, 8 (2) 18-19 [2] 李国华, 鲍洪志, 陶兴华 旋冲钻井参数对破岩效 率的影响研究 [J] 石油钻探技术, 2004, 32 (2) 4-7 [3] 熊青山, 王越之, 殷琨, 等 阀式液动射流冲击器 的研制 [J] 石油钻探工艺, 2007, 35 (3) 63- 65 [4] 秦红祥, 曾义金, 陶兴华, 等 射流式冲击器研制 与应用 [J] 钻采工艺, 1999, 22 (3) 61-63 [5] 鲍洪志 液动冲击器在川合 148 井的应用 [J] 石 油钻探技术, 2001, 29 (6) 39-40 [6] 谭凡教 射流式冲击器改型设计及 Matlab 仿真计算 [D] 长春 吉林大学, 2005 [7] 陈朝达, 高建强, 郝建华, 等 射吸式双作用油井 深井冲击器设计 [J] 石油矿场机械, 1999, 28 (6) 43-46 [8] 倪红坚, 韩来聚, 马清明, 等 水力脉冲诱发井下 振动钻井工具研究 [J] 石油钻采工艺, 2006, 28 (2) 15-17 [9] 卢春华, 陆洪智, 李锋飞 新型电动冲击回转钻具 的研究 [J] 石油钻探技术, 2010, 38 (1) 77- 79 [10] 高建强, 陈朝达 液动冲击旋转钻具存在的问题 及解决途径 [J] 西安石油学院学报, 1998, 13 (3) 62-64, 68 [11] 菅志军, 张文华, 刘国辉, 等 石油钻井用液动冲 击器研究现状及发展趋势 [J] 石油机械, 2001, 29 (11) 43-46 [12] 徐小荷, 余静 岩石破碎学 [M] 北京 煤炭工 业出版社, 1984 [13] 陈劲松, 翟应虎 SYZJ 型冲击动载发生器工作寿 命的理论估算 [J] 石油机械, 2001, 29 (4) 16-18 [14] 王俊峰 碰撞冲击力的数值计算与测试方法研究 [D] 上海 上海交通大学, 2007 [15] 熊青山, 黄志强, 殷琨, 等 新型液动射流冲击器 实验 [J] 天然气工业, 2008, 28 (12) 65-67 第一作者简介 玄令超, 生于 1988 年, 2011 年毕业 于中国石油大学 (华东) 石油工程专业, 现为该校在读博 士研究生, 研究方向为井下系统、 信息与控制工程及钻井 提速工具。 地址(266580) 山东省青岛市。 E⁃mailxuan⁃ lingchaoboy@ 163 com。 收稿日期 2015-05-18 (本文编辑 王刚庆) ◀简 讯▶ 宝鸡石油机械有限责任公司首台 4 000 m 车载式钻机通过认证审核 2015 年 7 月 24 日, 由宝鸡石油机械有限责任公司自主研发的国内首台符合国家机动车污染物第五阶段排放标准 (简 称国五标准) 的 4 000 m 车载式钻机已完成各项国家级认证审核, 这标志着该产品可以成功面世。 4 000 m 车载式钻机于今 年 4 月底完成生产, 是目前国内最大机型的车载式钻机, 井架为前倾式桅形结构, 净空高度 41 m, 底座主体采用整体起放 形式, 可以实现一车搬迁, 满足了中小钻机搬家频繁的特点, 移运灵活, 便于操作和维护。 不仅如此, 该产品最大的优势 是发动机排放的污染物符合国五标准, 填补了国内符合国五标准的车载式钻机的空白。 宝鸡石油机械有限责任公司是少数能设计制造该产品的单位之一。 该产品的成功上市, 进一步丰富了该公司的产品种 类, 增强了企业的市场竞争力。 截至目前, 首台 4 000 m 车载式钻机已在新疆完成组装调试, 近期将交付用户使用。 【知识链接】 国家第五阶段机动车污染物排放标准, 即 “国五标准”, 国五标准排放控制水平相当于欧洲正在实施的第 5 阶段排放标 准。 欧盟已经从 2009 年起开始执行, 其对氮氧化物、 碳氢化合物、 一氧化碳和悬浮粒子等机动车排放物的限制更为严苛。 从国Ⅰ提至国 Ⅳ, 每提高一次标准, 单车污染减少 30%~50%。 国五标准将于 2017 年 1 月 1 日起在全国实施。 北京、 上海和南京等城市及广东部分城市 已经开始执行国五标准。(冯菁 仝琳) 122015 年 第 43 卷 第 11 期玄令超等 弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置的研制
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