复合冲击破岩钻井提速工具研究

邓银江 郭正伟 魏秦文 王圣林

(重庆科技学院 机械与动力工程学院，重庆 401331)

0 前 言

随着油气资源的不断消耗，油气开采目标向着纵深发展。深地层环境温度高，岩石硬度大、耐磨性强，常规的钻井方式存在进尺慢、钻头磨损快、憋跳严重等问题，难以完成深井、超深井的作业任务[1-2]。在深井硬地层的钻进过程中，PDC钻头会出现因扭矩不足而无法破碎岩石的情况；此时，钻柱发生扭转，储存弹性势能，直至钻头克服钻井阻力，钻柱中的能量被瞬间释放，钻柱与钻头产生剧烈振动(“黏滑”振动)，导致钻头受到磨损[3]。油气勘探开发中常采用扭力冲击器与PDC钻头的配合来降低“黏滑”振动的产生[4]，从而提高钻头对深井硬地层的钻进速度。目前使用的冲击器大多为TorkBuster，国内的螺杆钻具式、涡轮式扭力冲击器等只能产生单向扭转冲击，这会造成冲击机构单侧受力不均匀而出现偏磨失效[5]。扭力冲击器能够产生扭转冲击振动，从而辅助钻头破岩，但在面对硬地层切削齿无法吃入或大斜度、水平段等钻头无法进尺的情况时，几乎没有提速效果[6]。柳贡慧等人对复合冲击钻井工具进行了研究，提出一种能够产生连续扭转和轴向冲击振动的工具，并对其破岩效果进行了分析[7-10]。穆总结等人对轴扭耦合冲击钻井提速技术进行了研究，提出一种由盘阀控制的轴扭耦合冲击钻井工具[11]。目前提出的工具虽然能够产生扭转和轴向冲击载荷，但均未考虑轴扭冲击行程配合问题。

基于水力学原理对扭转冲击振动、轴向冲击振动的发生方式等进行研究，设计了一种新型复合冲击破岩钻井提速工具。工具扭转冲击结构采用刚性连接，以保证上部转盘稳态扭矩的可靠传递；轴向冲击结构采用柔性连接，以减少轴向冲击反力对工具的损坏，确保钻进过程安全可靠。

1 复合冲击破岩钻井提速工具的设计

复合冲击破岩钻井提速工具的主要作用，是减少钻井过程中的“黏滑”振动以及解决大斜度或水平井段进尺慢等问题。复合冲击破岩钻井提速工具由扭转冲击机构、轴向冲击机构以及轴扭配合机构等3部分组成(见图1)。工具能够在泥浆驱动作用下产生往复冲击扭矩，弥补现有单向冲击工具偏磨失效的缺点。工具产生的轴向冲击力给钻头施加轴向冲击载荷，配合钻压施加的静载荷，使得钻头与岩石的接触压力大于岩石硬度，进而形成体积破碎。同时，该工具能够实现扭转冲击和轴向冲击行程匹配，最大程度发挥工具的提速效果。

图1 复合冲击破岩钻井提速工具结构示意图

扭转冲击机构内部结构如图2所示。工作时，高压泥浆通过换向阀内部流道进入由液压锤与锤座形成的密闭腔内，推动液压锤顺时针转动(见图2a)；液压锤带动换向阀一起转动，当液压锤到达极限位置时，撞击液压锤座(见图2b)；此时，换向阀在控制流道中钻井液的驱动下相对于液压锤旋转一定角度(见图2c)；换向阀内部流道与液压锤反转流道连通，液压锤带动换向阀一起逆时针转动，直至液压锤到达极限位置时，撞击液压锤座(见图2d)。4个行程往复进行，形成往复冲击。

图2 扭转冲击机构运动过程示意图

1.2 轴向冲击机构

在轴扭配合机构作用下，钻井液交替进入冲击锤上下腔，推动其产生周期性的上下往复运动(见图3)。冲击锤在运动下行程撞击冲击毡，产生的轴向冲击力使冲击接头与钻头发生轴向小距离位移，产生的冲击载荷与钻压施加的静载荷辅助钻头破碎岩石，从而解决了硬岩地层无法吃入或钻头拖压无法进尺等问题。

图3 轴向冲击机构运动过程示意图

1.3 轴扭配合机构

液压锤转动时，下部传动轴将动力传递给轴扭配合机构的配流套筒(见图4)，配流套筒上的圆柱凸轮机构将旋转运动转化为螺旋运动，控制钻井液交替进入冲击锤上下腔，从而实现由扭转冲击运动控制轴向冲击运动。根据不同的作业工况，设计合理的配流套筒凸轮结构能有效提高破岩效率。

图4 配流套筒结构示意图

在工具使用当中，扭转冲击机构与轴向冲击机构高频往复运动产生冲击载荷，并通过轴扭配合机构进行行程控制，其提速效果与工具性能密不可分，但不同的地层最佳冲击频率有所不同。

2.1 工作流量计算

工具的参数如下：工具外径为17.78 cm，长度为1.635 m，冲击组件材料为YG8钨钢，屈服强度为1 500 MPa，弹性模量为5.1×105MPa，泊松比为0.3，密度为1.48×104kg/m3；其他组件材料为 40 CrNiMo。扭转冲击机构各零件参数由软件建模得到(见表1)。

表1 扭转冲击机构各零件参数

液压锤扭矩计算公式见式(1)[12]：

(1)

式中：T——碰撞扭矩，N·m；

J——转动惯量，kg·m2；

α——角加速度，rad/s2；

Δω——角速度的变化量，rad/s；

ω0——碰撞前液压锤的角速度，rad/s；

Δt——碰撞时间，s。

假设液压锤与液压锤座碰撞时，T=1 350 N·m，根据文献[13]，取Δt=1×10-3s，则ω0=26.2 rad/s。

根据流量守恒原理[14]，扭转冲击机构工作流量为：

Ql=2Aω0r

(2)

式中：Ql——扭转冲击机构工作流量，L/s；

A——液压锤工作面积，m2；

r——转动中心半径，m。

液压锤工作时，A=2.16×10-3m2，r=5.2×10-2m，由式(2)计算可得Ql=5.89 L/s。

假设流体不可压缩，用数值模拟方法得到各流道流量分配关系，控制流量∶喷嘴泄流量∶工作流量=11∶26∶63，工具入口流量与工作流量关系如式(3)所示：

(3)

式中：Qr为工具的入口流量，L/s。

由上述数据可得，T=1 350 N·m时，Qr=9.35 L/s。

式(1)—(3)联立可得扭转冲击机构冲击扭矩与入口流量的关系为：

T=1.444×102×Qr

(4)

2.2 轴向冲击力计算

轴向冲击机构运动部件为冲击锤，其材料为YG8钨钢，冲击锤参数如表2所示。

表2 轴向冲击锤参数

根据冲击力计算公式[12]，得到轴向冲击力与冲击锤末速度关系：

I=F·Δt=m·v

(5)

式中：I——冲量，(kg·m)/s；

F——冲击力，N；

Δt——碰撞时间，s；

m——冲击锤质量，kg；

v——冲击锤碰撞前速度，m/s。

2.3 流场分析与碰撞仿真

2.3.1 流场分析

建立流体区域三维模型，导入Fluent流场分析软件，划分1.87×106个网格对工具内部流体流动状态及压力分布情况进行计算。为提高仿真计算的收敛性，采用速度入口、压力出口模型，流体(泥浆)密度取1.2×103kg/m3。根据设计排量和入口截面积(入口截面积为1.96×10-3m2，入口流量为10.00 L/s)，得到流体入口速度为5.1 m/s。为保证轴向冲击机构正常运行且岩屑具有一定环空返速，设置工具出口压力为3.00 MPa。紊流模型采用k-ε进行计算。

入口流量为10.00 L/s时，扭转冲击机构工作时的内部流体压力分布情况如图5所示。工具入口压力为3.35 MPa，出口压力为3.00 MPa，扭转冲击机构的压力损耗为0.35 MPa。在喷嘴作用下，上腔形成了高压区，下腔形成了低压区，液压锤在压差作用下转动，形成扭转冲击。

图5 扭转冲击机构工作时内部流体压力分布情况

入口流量为10.00 L/s时，扭转冲击机构工作时的内部流体流速分布情况如图6所示。工具喷嘴中心位置处泥浆流速最大，由中心向外，流速逐渐降低，工具内部最大流速为24.0 m/s，喷嘴处受钻井液冲蚀破坏最严重，喷嘴应采用耐冲蚀材料。

图6 扭转冲击机构工作时内部流体速度分布情况

选用不同入口流量进行数值模拟，液压锤转速情况如表3所示。工具内部流体最大流速、液压锤转速与工具入口流量均呈线性关系(见图7)。

图7 工具入口流量与工具内部最大流速、液压锤转速关系曲线

表3 液压锤数值模拟情况

2.3.2 碰撞仿真

为探究碰撞过程扭矩的变化情况，将扭转冲击机构的三维模型导入Adams多体动力学软件中，进行仿真模拟(入口流量10.00 L/s，液压锤碰撞前转速为28.2 rad/s)。为准确描述速度连续变化过程，选用Impact碰撞接触模型[15]。设定刚度系数为1.0×1011N/m2，碰撞指数为2.2，最大阻尼为1.0×104(N·s)/m，穿透深度为0.1 mm。因碰撞过程瞬间完成，因此忽略摩擦力的影响。仿真结果如图8所示，碰撞过程中扭转冲击机构产生的最大碰撞扭矩为1 347.7 N·m，碰撞时间为9×10-4s，碰撞后液压锤的反弹速度为-6.3 rad/s。

图8 碰撞仿真模拟参数曲线

进一步改变液压锤转速进行仿真，得到不同入口流量下的最大碰撞扭矩，仿真结果如图9所示。

图9 不同入口流量下液压锤的最大碰撞扭矩

2.4 工具的可靠性分析

工具的可靠性直接影响施工进度及钻井安全，因此必须保证工具安全稳定地运行。基于机械零件强度计算准则[16]，结合工具实际工作情况，计算材料许用屈服强度极限：

[σs]=σs/S

(6)

式中：[σs]——材料许用屈服强度极限，MPa；

σs——材料屈服强度极限，MPa；

S——工况系数。

扭转冲击机构较为复杂，采用有限元法进行分析。工具入口流量为10.00 L/s时，冲击机构碰撞应力情况如图10所示。扭转冲击机构所受最大应力为117.70 MPa，最大应力位于液压锤座控制的流道口处，单次冲击时液压锤应力小于液压锤座应力。进一步分析不同入口流量下扭转冲击机构的最大应力变化，结果如图11所示。液压锤、液压锤座受到的最大应力与入口流量呈近似二次曲线关系。通过二次曲线拟合，得到入口流量与液压锤座受到的最大应力拟合公式：

图10 10.00 L/s的入口流量下扭转冲击机构碰撞应力情况

图11 不同入口流量下扭转冲击机构最大应力曲线

(7)

式中：σsmax——液压锤座受到的最大应力，MPa。

当S=3，[σs]=500 MPa时，得到工具能够承受的最大入口流量为29.38 L/s。

3 结 语

本次设计的新型复合冲击破岩钻井提速工具由扭转冲击机构、轴向冲击机构以及轴扭配合机构3部分组成，该工具能够产生扭转冲击扭矩及轴向冲击力，结构简单、内部流道通畅，使用安全可靠，配合PDC钻头使用可提高硬岩地层钻进效率。

工具的轴、扭冲击行程配合关系由配流机构控制，可根据不同作业地层，单独设计配流机构凸轮结构，以提供适应不同地层的复合冲击形式，最大程度地发挥工具提速效果。

工具内部流体最大流速、液压锤转速与工具入口流量均呈线性关系，液压锤、液压锤座受到的最大应力与入口流量呈近似二次曲线关系，工具能够承受的最大入口流量为29.38 L/s。