液动冲击器结构对能量传递的影响

液动冲击器结构对能量传递的影响

旋转冲钻孔是基于传统开挖的一种新的钻孔技术。其原理是在钻头顶部添加液体冲击装置（或销心桶）。在钻孔过程中，当钻头以一定的压力旋转时，它受到冲击装置的高频振动，并在旋转和磨损的同时破裂岩石。旋冲钻井技术近年来在石油钻井工程领域的应用取得了可喜进展。但液动冲击器功率传递机构不合理、能量传递效率不高的问题依然存在,由此制约了旋冲钻井破岩效率的提高。因此,运用波动理论分析液动冲击器功率传递机构设计的合理性、指导修正功率传递机构设计就显得十分必要。1数值试验验证依据波动理论,能量在一定介质中以波的形式进行传递,由于波可以迭加,可能使最终效果(受力和速度)减弱,也可能加强,但每个波仍然继续按各自的方向传播;波在介质密度、弹性模量或截面积有显著变化的界面上,都要发生反射和透射。对于冲击破岩而言,活塞及冲锤对传动短节(砧子及钻头)的撞击将产生突加的间歇载荷,由于活塞及冲锤与传动短节的形状、截面积、材质的不同,撞击的突加载荷在传动短节的不同截面上会形成不同的入射波。近似把射流式冲击器活塞及冲锤作为刚体,利用波动方程以牛顿惯性定律作为边界条件,便可以得到撞击过程中入射波的微分方程:p(t)=-M(dv/dt)(1)初始时刻,即t=0时,活塞具有冲击速度V冲,代入便可以得到式(1)的通解:p0=mV冲e-mt/M(2)当钻头齿钻入岩石时,反射波可看成由两部分组成,一部分是破岩工具作用在固定端,应力波成固定模式反射,另一部分反射波是由于工具端部以Vx=l的速度向前运动引起的,是一个逆波,总的反射波即为:qx-l=q1+q2=mV冲e-m(t-l/a)/M-mVx=l(3)依据波动理论计算液动冲击器功率传递效率的同时,进行液动冲击器传递效率模拟试验,落锤选择4kg和18kg两种,冲击模型结构及其尺寸(单位为mm)如图1和表1所示。利用大理石和花岗岩岩样,采用不同质量的落锤、落高和钻头齿间距分别进行分析计算和模拟试验,图2是部分依据模拟计算结果和实测结果绘制的曲线对比图,左侧为分析计算结果,右侧为实际测定曲线。所有图中纵坐标表示冲击力,单位104N,横坐标表示冲击力作用时间,单位ms。从图2可看出,分析计算结果与试验实测结果的曲线变化趋势和数值吻合得很好,在软硬不同的岩石中都能达到较好的一致,在冲击接触的各时刻,能清楚观察到应力波双峰“3”字波形,这是短杆撞击激发应力波的基本特征。2冲锤撞击钻头的复型系数从能量和动量传递的角度,系统的动量和能量冲击凿岩装置可简化为图3所示的冲锤—传动短节—岩石系统。冲锤以一定的末速度冲击传动短节,钻头获得一定动能后再冲击岩石。首先考虑冲锤和钻头之间的能量传递。从系统的能量和动量守恒可得到:m1V+m2U=m1v+m2u(4)m1V2/2+m2U2/2=m1v2/2+m2u2/2(5)式中,m1、m2分别是冲锤和传动短节的质量,V、U分别是碰撞后冲锤和钻头的速度,v、u分别是碰撞前冲锤和钻头的速度。由式(4)和(5)可解出V-v=-2m1(v-u)/(m1+m2)(6)U-u=-2m2(v-u)/(m1+m2)(7)利用式(6)、(7)可导出传递效率η为η=(m1V2/2)/(m2U2/2)=4k/(1+k)2(8)式中,k=m1/m2是冲锤与传动短节的质量之比。式(8)表明系统的传递效率与冲锤和砧子的质量比k有关。对式(8)求导得:dη/dk=4/(1+k)2-8k/(1+k)3(9)由式(9)可导出当k=1时系统获得最大的能量传递效率,即冲锤的能量全部传递给了钻头。在质量比k=1,碰撞前钻头静止的情况下,从式(6)、(7)可看出碰撞后冲锤静止,即V=0,而钻头获得了冲锤的速度,即U=v。但实际上系统在碰撞前后有能量损失,从物理学可知,碰撞系统能量的耗散与碰撞前后的速度变化有关,即有:V-U=e(v-u)(10)由式(10)、(3)和(4)可求出:V-v=-(1+e)(v-u)m1/(m1+m2)(11)U-u=-(1+e)(v-u)m2/(m1+m2)(12)式中,e是复型系数,也称抗冲击系数。求出系统的能量传递效率η为η=(1+e)2k/(1+k)2(13)可见,系统的能量传递效率既与质量比有关,又与复型系数e有关,对于碰撞系统复型系数e是常数。若具有动能的钻头再撞击地层,考虑到相对于活塞,地层的质量m3无限大,碰撞后地层的速度可视为零,且冲锤撞击钻头的复型系数为eR,则钻头动能的变化即反映了岩石得到的能量,则岩石得到的能量为wR=(1-eR)2wd(14)从冲锤到岩石的传递效率为η=(RU/2)/(m1V2/2)=[wR(1+e)2(1-eR)2/(m1V2/2)][4K/(1+K)2](15)式中,K为钻入系数,即冲锤—传动短节—岩石系统的撞击传递效率与质量比、复形系数e、eR有关。复形系数eR可由试验测出。式(15)反映的冲锤—钻头—岩石系统撞击的能量传递效率比实际的低。3齿间距与破碎岩的关系以花岗岩和大理石为试验研究对象,采用单齿、双齿、三齿和牙轮钻头进行了一系列测定试验,以研究不同齿数钻头及牙轮钻头在静载作用下的钻入特征,测定侵深曲线,即p-U曲线,计算比较静载条件下的钻入系数,并为动载(冲击)计算提供依据,同时寻求系统载荷侵深变化规律,以改善优化系统参数。对同一岩石不同钻头的试验结果进行分类统计,如表2、3所示。由表2、3可看出,单齿钻头较多齿钻头及牙轮钻头的最大钻入力要小得多,但它并不是按齿数成倍数关系,与齿距有一定的关系。软硬岩石有不同的破碎特征,较软岩石不会产生较大的颗粒及其破碎坑,齿间距相对较小时,才能形成多齿变形带相互影响以达到良好破岩效果;较硬岩石正好相反,破碎颗粒较大,从而形成的破碎坑体积较大,只有齿间距相应增加,才能弥合各齿单独破碎之间的相互作用。通过试验结果分析可得到如下结论:1)同一种钻头,随岩石硬度增加,最大钻入力增加,最大侵深减小,岩石上升段斜率(钻入系数)和下降段斜率(回弹系数)相应增大。2)同一钻头在同一岩石中,其各上升段大致平行,即钻入系数相差不大,回弹系数普遍比钻入系数大,一般而言,软地层中,回弹系数是钻入系数的3～10倍,较硬岩石中,回弹系数一般只有钻入系数的2倍左右。3)对于同一种岩石,单齿最大钻入力比多齿小得多,多齿之间相差不大;不过,pmax/Umax(即获得单位钻深所需要的钻入力)单齿比多齿稍大,进一步说明了多齿钻头(牙轮钻头)能获得较好的破岩效果。4)随齿间距增大,最大钻入力先增加后减小,较硬岩石中,钻入系数和回弹系数也呈先增后减趋势变化,再次证明了要获得最优钻入力,齿距非常重要,而软岩石中,钻入系数和回弹系数变化不大。5)对于牙轮钻头,其钻入系数和回弹系数比单齿钻头要高得多,说明牙轮钻头比单齿钻头单位侵深所需钻入力大。不过,它同时具有三个牙轮破碎岩石,如果侵深和破岩体积同时乘以3倍,其钻入特性则不是单齿多齿钻头可比拟的;软岩石和硬岩石统计比较,牙轮钻头的钻入系数和回弹系数以及pmax/Umax都较大。6)石油钻井常钻遇到的岩石的硬度等特征都介于试验用岩石之间,其钻入系数等数据可通过差分法在上述试验数据的基础上对应选择。4功率传递机构设计原设计液动冲击器功率传递机构最大的传递效率ηmax=0.5216。结合计算和冲击器结构设计空间的限制,对冲击器功率传递机构进行了改进设计。原设计功率传递机构有冲锤、方套、砧子、下接头四部分组成。改进后的传递机构减少了一个强度薄弱的NC40螺纹扣,将砧子与下接头设计为一体,减少了八方套的长度;在砧子上设计一个卡槽,用开口的档瓦起卡箍的作用。改进后冲击器的安全性和可靠性得到了提高,冲击能量通过砧子直接传到钻头,能量的传递效率可提高15%左右,能达到安全快速钻进的目的。5液体冲动检测器的改进5.1外管连接丝扣密封pa对功率传递机构改进后的YSC-178液动射流冲击器进行了台架试验及性能测试。性能参数测试结果为:冲击功(峰值/均值)200.15/180.47J,泵压2.95MPa,上腔压力(峰值/均值)21.08/16.41MPa,下腔压力(峰值/均值)8.45/7.07MPa,流量1048.32L/min,冲击频率9.75Hz,能量利用率5.60%。试验过程中,液动冲击器启动压力较低,一般为0.8MPa,可靠性好;工作压力低,最大流量时工作压力为3.5MPa,完全满足石油钻井实际要求;外管连接丝扣密封性能好,没有出现任何泄漏现象;工作稳定性好;在同样试验条件下,改进前,冲击器单次最高冲击功是130J,改进后的冲击器的冲击功较改进前提高了30%。5.2现场应用效果5.2.1试验1.4.4年8月10川合148井是一口深探井,设计井深4660m,试验井段为3473.77～3541.07m,岩性主要为页岩、砂岩及页岩夹砂岩,地层的抗压强度100～200MPa,地层可钻性4～6级,页岩居多。冲击器性能参数为:冲击功130～170J,冲击频率约16Hz。试验进尺67.3m(应用HJ517L钻头,水眼ue001φ18mm×2+ue001φ16mm),纯钻时51.4h,平均机械钻速1.32m/h。与2999.2～3049.5m井段相比,机械钻速提高57%;与3195.5～3272.1m井段(应用PDC钻头)相比,机械钻速提高13%;与3359.68～3420.39m井段(应用HJ517钻头)相比,机械钻速提高40%;与在3420.39～3473.77m井段(应用HJ517钻头)相比,机械钻速提高27%。5.2.2细粒砂岩带灰色细粒岩屑砂岩现场试验试验井段3727～3887m,地层岩性上部主要为棕褐色、紫褐色、深灰色泥岩,粉砂质泥岩夹灰色细粒岩屑砂岩,下部为浅灰绿色细粒石英砂岩、含砾细粒石英砂岩、灰色砂砾岩夹紫褐色泥岩。试验共进尺160m,纯钻时间113.2h,入井时间135h。试验井段平均机械钻速1.445m/h,与对比井段相比,平均机械钻速提高22%。6理论模型的验证1)运用波