电动冲击回转钻具的研究

1、机械工程学科技前沿研一期末作业 班 级： 硕2013级10班 专 业： 机械工程 姓 名： 王xx 学 号： 电动冲击回转钻具的研究 王xx（西南石油大学，四川成都610500）摘要：近年来,我国钻探工作量大部分是在硬岩和较复杂地层中进行的,需要大量采用冲击回转或回转冲击钻进技术。冲击回转钻进是一种高效、优质的钻探工艺，冲击器的好坏直接决定着冲击回转钻进的效果。在分析传统液动、风动冲击器使用过程中存在的不足的基础上，介绍了一种新型电动冲击器的设计思路、结构、工作原理及其技术优点。该新型电动冲击器用可充电电池组供电。通过开、关地表钻井泵来调节冲击 器的冲击频率和中击功。室内试验研究表明，该电动冲

2、击器设计方案科学合理，技术优点显著，应用前景广泛 。 关键词：冲击回转钻进；电动冲击器；工作原理；可充电电池组1引言1.1 研制新型电动冲击回转钻具的目的和意义为弥补传统液动和气动冲击器的不足，特引进了直线电动机、可充电动力电池技术，研制出结构简单、调试方便的新型电动冲击钻具，并应用于冲击回转或回转冲击钻进。由于电动冲击钻具的冲击功和冲击频率可以单独调整，互不影响；同时，电动冲击钻具的动力源来自于动力电池，摒弃了对泵 (空压机)排量和压力的依赖，从而不会影响正常钻进对循环介质参数的要求，对于复杂地层的钻进更显意义重大。1.2应用前景冲击回转钻进的实质是在回转钻进的基础上叠加一个周期性的冲击载荷

3、，以冲击载荷和回转切削联合作用破碎岩石的一种方法。理论分析和实践表明，冲击 回转钻进具有钻进效率高、钻头寿命长、钻具磨损小、防止井斜和减少井下事故 等一系列优点，是现代钻探的先进技术之一，广泛应用于石油、天然气及固体矿 床勘探等领域。提供周期性冲击功的关键设备是冲击器。目前，冲击器主要有两种：一种是 液动冲击器，另一种是风动冲击器。国内对这两种冲击器进行了大量研究，取得了显著成果，但传统液动和风动冲击器在使用过程中仍存在一些不理想的地方，主要表现在以下几个方面 ：1)对钻井循环介质要求高，适合于低固相或无固相的循环介质，实际钻进过程中很难满足，岩屑总会混入循环介质中，而这将大大降低冲击器的使用

4、寿命 ； 2)冲击器工作性能参数的调节比较复杂，现场不易操作，维护和保养的成本高 ；3)由于重力的影响，在大斜度井及水平井中使用受到一定的限制 ；4)需要的液体量或风量大，这不仅需要大设备，还可能会对井壁的稳定性 带来一定的负面影响。2新型电动冲击钻具的设计2.1设计思路近年来，直线电机和动力电池技术发展迅速，广泛应用于国民经济的众多领域。针对传统冲击器使用过程中的不足，电动冲击钻具的设计思路是：把直线电机当作冲击器，利用可充电的高容量电池组为直线电机供电，通过控制模块调 节直线电机的运行速度从而达到调节冲击器的冲击功和冲击频率的目的。由于直 线电机和动力电池都完全密封在内管中，因此直线电机对

5、冲洗介质没有特定的要求，且通过传感触发元件能够较容易地调节冲击器，对井斜角也无要求。2.2 新型电动冲击钻具的结构与工作原理新型电动冲击钻具主要由上接头、电池组、传感触发元件、控制模块、外管、内筒、直线电机、冲锤、铁砧和岩心管接头等部件组成，如图1所示 。新型电动冲击回转钻具按如下方式工作：电池组为控制模块和直线电机供电，直线电机的动子(中心杆)通过球铰带动冲锤冲击铁砧，铁砧与外管之间通过内外六方套连接，并且铁砧与外管之间允许有定的轴向位移，这样冲锤的冲击能量可 以尽可能地传递至岩心管接头上，再通过岩心管传递在钻头上，提高碎岩效率。1上接头；2电池组；3传感触发元件；4控制模块 ；5外管；6过

6、水间隙；7直线电机；8内管；9球铰；1O冲锤；11铁砧；12岩心管接头图1新型电动冲击回转钻具结构不同硬度的岩石需要叠加不同的冲击功和冲击频率才能达到理想的钻进效果，可以在地表轻易调节新型电动冲击回转钻具的冲击频率和冲击功，甚至遇到较软的岩层，使电动冲击钻具停止工作，进行纯回转切削钻进。电动冲击器的启动、停止和调频主要是通过短时间内不同次数地开关地表 钻井泵来实现的。其控制机理是利用短时间开泵、关钻井泵产生的水击效应，借助钻井液将压 力脉冲传至井底，井底压力传感触发元件感知钻井液压力的变化，控制模块接收压力脉冲信号并进行解码，解码后按预先编好的指令控制直线电机的运行速度，从而达到调频的目的，也

7、即对冲击器的冲击频率和冲击功进行调节。 图2为压力脉冲信号编码与时序。从图2可以看出，除了开机、关机外，还 有00、01、10和11等4种调频状态，其中O0代表冲击频率和冲击功最低的状态，11代表冲击频率和冲击功最高的状态，01和10状态的冲击功和冲击频率介 于OO和11二者之间。图2压力脉冲信号编码与时序电池组，一个回次结束后换下电池组进行充电，同时把另一套已经充好电的电池组接上钻具下入孔中继续工作。3冲击回转钻具的能量传递冲击回转钻井技术是钻进硬岩层的有效方法,冲击锤将冲击载荷作用于钻头和钻柱上,以促进对岩石的破碎作用。从冲击作用的基本理论出发，对冲击器对钻头和钻柱的作用过程进行了分析。冲

8、击回转钻井技术是在钻进中给钻头一定的钻压和旋转运动, 同时周期性地向钻头施加一定的冲击能量。这样增加了对钻头的冲击动载, 对岩石尤其是脆性岩石, 可使其强度大幅度降低,井底则由于被冲击和回转切削共同作用破碎岩石。因而机械钻速会提高20%-60%,钻井成本降低1 5%-20%,经济效益显著。冲击器是冲击回转钻井技术中的关键工具。它主要靠液体压力(称为液动冲击器)、气体压力(称为气动冲击器)和机械作用力(称为机械作用式冲击器)推动其内的活塞即冲锤作上下往复运动而向钻头施加冲击能量。冲击器向钻头施加的冲击力作用时间短, 岩石中的瞬时接触应力大。这样有利于岩石中裂隙的扩展，并使岩石从薄弱的地方开始破碎

9、而形成较大的体积脆性破碎,从而提高破岩效率,增大机械钻速。同时,在冲击器上施加一定大小的钻压, 有利于冲击功和冲击应力波传递到岩石,促进岩石破碎。此外,高频冲击器的冲击作用迫使岩石内部分子产生振荡,使岩石产生疲劳破碎，降低其动载强度。冲击器的活塞质量m和间隔值L等因素是影响钻具振幅 A、活塞冲击频率和活塞冲击能量传递效率的主要因素。它是决定冲击器能否高效工作的关键因素, 是设计者最关注的问题。本文为此作了初步的探讨,希望能对冲击器的设计和使用有一定的帮助。冲击器,主要依靠锤头在液(气)压力的作用下撞击砧子(钻具)而作功。如果碰撞过程是刚性对中式碰撞,其工作过程是:a)在液(气)压力F(t)的作

10、用下,冲击锤m从离开砧子表面L高处以速度V0开始下落,砧子(钻具)以速度U0运动着(如图1a所示)；b)当冲击锤头与砧子接触的瞬时,发生冲击碰撞,冲击锤头由于惯性对砧子(钻具)加速,由此产生的接触力使锤头和砧子(钻具)具有同样的速度 V 冲(即冲击碰撞速度)(如图b所示)；c)在惯性力的作用下使冲击锤头发生变形, 其速度降为零,动能全部转变为它们的变形能和热能。若锤头和砧子(钻具)的表面硬度足够高,即当作完全弹性体。则冲击锤头和砧子都可以恢复原来的形状,冲击锤头获得上弹速度Vc后,接触和变形终止；d)冲击锤头以速度Vc上返,砧子(钻具)以新的速度U1运动(如图1c所示)；e)冲击锤头与上部接触

11、,在F(t)作用下,改变速度方向,以V1开始第二次冲击。4技术关键点1)直线电机的研制。直线电机是电动冲击钻具中实现冲击的核心部件，由于实现的目的不同，现有直线电机，有些冲击功太低，有些则冲击频率不够。因此，要对现有线电机进行改进，研制出适合冲击器的直线电机。2)控制模块。必须能够可靠地接受脉冲信号编码，并进行解码，控制直线电机按照给定的指令运行，对直线电机进行保护；并对电池进行管理，实现稳压输 出、过流保护和过温保护等功能。5新型电动冲击回转钻具的优点1)由于直线电机、控制模块等都密封在内管中，因此，对冲洗液(包括含砂量)没有严格要求，钻具使用寿命长 ；2)钻进过程中，能够在地表轻易调节电动

12、冲击器的冲击频率和冲击功，遇到 软岩层还能控制冲击器停止工作 ；3）对井斜角没有特殊要求；4）使用方便、成本低。6室内初步试验室内对冲击器专用直线电机进行了简单测试。该直线电机可以带动10kg的冲锤以10Hz的频率运动，该直线电机的外径为65mm，设计用于91mm的小尺寸井眼中，由于限制了其径向尺寸，因此大大降低了其冲击功，其冲击功约为15J，对于相应尺寸的井眼也能显著提高机械钻速。研制适用于大尺寸井眼的冲击器，可以加大直线电机的外径，显著提高其冲击功室内地表试验也表明，控制模块能可靠地接受编码，并进行解码，控制直线电机按照给定的指令运行。7结束语液动、风动冲击器能够显著提高钻探效率、改善钻孔

13、质量和延长钻头寿命。电动冲击器不仅具有液动、风动冲击器的这些优点，同时对循环介质没有特殊要求，参数的调节简单方便，具有液动、风动冲击器无可比拟的优势。电动冲击器的成功研制在石油、地质等部门具有广泛的应用前景。参考文献 1 陶兴华冲击转钻进在石油钻井中的应用：J西部探矿工程，1996，8(2)：18-192 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):62-683王清岩,殷琨，彭枧明,等.液动射流冲击器计算机仿真技术的发展与应用J石油钻探技术,2008.36(1):45-49 4杨顺辉,陶兴华,殷琨,等.汁算流体动力学在冲击器设计和模拟中的应J石

14、油钻探技术，2008.36(5):l0-425陶兴华.液动射流式冲击器工作数学模型建立J.石油钻探技术，200533(1)：44-476曹丽平,雷明生,鲍远敦,等.油井液动冲击器的应用J石油矿场机械，2005.34(4)：100-l017 熊青山,王越之,殷琨,等.阀式液动射流冲击器的研制J石油钻探技术，2007.35(3):63658李国华.液动冲击器功率传递理论分析及应用研究J.石油钻探技术，2003，31(6):1-1 Study on A Percussive Rotary Drilling ToolLu Chunhua Lu Hongzhi Li FengfeiWang Suling

15、(Southwest petroleum university, chengdu, sichuan province, 610500)Abstract：In recent years, our country most drilling workload is done in hard rock and complex formation, need a lot of impact or percussion drilling technology.Impact rotary drilling is a kind of high efficiency and high quality dril

16、ling technology, the jar is good or bad directly decides the effect of impact rotary drilling.On the analysis of the traditional hydraulic, pneumatic impact in use process, on the basis of the deficiencies, the paper introduces a new type of electric design idea, structure, the working principle and technical advantages.The new electric shock for rechargeable battery power supply., through the surface drilling pump to adjust the frequency and