液动射流冲击器的设计

液动射流冲击器的设计

在石油钻孔中，传统的牙轮钻钻孔不深，效率很低。随着井深的增加，岩石钻孔的难度增加，服务时间短而降低。由于玄武岩和其他坚硬岩石层的雕刻速度缓慢，无法钻孔。科学深钻在结晶岩中钻进,也存在钻速低、钻头寿命短等问题。采用液动冲击回转钻进技术可在一定程度上解决这个问题。液动射流冲击器在高压釜内的模拟试验显示出了极大的潜力,野外试验及生产中可大幅度提高钻进效率,但也出现了核心部件(射流元件)易损坏、寿命低等不足。主要是由于原有射流元件结构设计存在不足,如喷嘴尺寸。因此,在此基础上笔者提出了阀式液动射流冲击器的研制。1液动射流冲击器计算射流冲击器在深孔钻进时,由于射流元件被破坏往往无法长时间工作。而射流元件破坏与喷嘴处的流速、钻井液中的固相颗粒及其速度、空化、脉冲等因素有关。且各因素对元件的破坏程度又大多与进入喷嘴的流量大小有关,流量越大,元件的破坏程度越大。由于液动射流冲击器的冲击功与泵量成正比,即泵量越大,冲击功越大。就石油钻井而言,其泵量远远满足冲击器所需工作泵量,而这种大泵量,在带来大冲击功的同时,至少会带来以下两种不良后果:射流元件更易损坏和冲击器的压耗更大(冲击器的压耗与泵量有关,泵量越大,压耗越大),这可采取加大喷嘴过流断面面积、改变劈形等措施来解决。增大喷嘴过流断面面积,喷嘴处流速降低,射流对元件凹劈、侧壁等的作用力减小,射流中的固相颗粒对元件的作用力减弱,空蚀弱化,脉冲作用变小,与此同时,冲击器的压耗也大大减小,故研制的新型冲击器必须具备较大的喷嘴过流断面。2喷射流宏观控制流问题加大喷嘴过流断面,会使射流元件的其它一系列结构参数发生变化,从而对射流切换和射流元件对活塞上下运动的控制能力及整体的可行性产生影响。射流切换与劈形、劈的曲率半径、劈喷距、控制道宽度、排空道宽度、喷嘴宽度及深度等因素有关,如图1所示。图中,W为喷嘴宽度;D为位差;b1为控制道宽度;b2为输出道宽度;b3为排空道宽厚;L1为劈喷距;L0为导流段长度;L2为排喷距;α为张角;β为排侧角;γ为控平角;R为凹劈半径。成百组的模拟试验证明:加大喷嘴过流断面,调整相关结构参数,射流能够实现完全切换。加大喷嘴过流断面面积,若加大深度,亦即加大中板的厚度,势必会导致上、下盖板厚度的减小。为保证有足够的元件外排水断面,上、下盖板厚度不允许加大。于是,上、下盖板里与中板控制道相连通的信号道(轴向孔)无法加工。这样,两侧控制道变成盲孔,液体无法通过控制道作用于喷嘴处主射流。在元件内,射流切换有两种方式,水击压力切换和控制流切换,二者缺一不可。此时射流元件没有信号道,也就没有控制流及水击压力,显然射流无法切换。为解决该问题,将上、下盖板上与控制道相连的信号道(轴向孔)挪至中板,直接与控制道相贯通,径向控制流问题得到解决。由于上、下盖板上的信号道(轴向孔)设计至中板,原有中板上的排空道、排空孔无法加工,即活塞上、下运动时推动的流体无法排出,为此,将排空孔下移,加工一阀,问题得到解决。3阀式喷流发生器的工作原理和设计3.1下腔活检向角度垂直角度输出阀式射流冲击器工作原理按线路如图2所示。图2中,钻井泵输出的高压水经钻柱输入到阀式射流元件S,从射流元件喷嘴喷出,射流产生附壁作用。假设先附壁于右侧,高压水经右输出道输出,关闭右阀,打开左阀,再进入内缸的上腔,推动活塞下行,与活塞连接的冲锤便冲向砧子,砧子又通过螺纹与钻头连接,冲击力便传至钻头实现钻进;当活塞运行到下死点后,水击压力反馈信号经右信号道传至右控制道,在控制流的作用下,射流由右输出道切换到左输出道输出,与此同时,关闭左阀,打开右阀,流体经元件对应的受流口及缸体上的水道进入内缸的下腔,然后推动活塞向上作返回动作;同样,当活塞运行到上死点后,水击压力反馈信号经左信号道传到左控制道,在控制流作用下射流又切换到右输出道输出,如此往返实现冲回程动作。上下缸的回水,则通过左输出道或右输出道返到排空孔,再经与排空孔连接的水道、过水接头、砧子、钻头内孔道流入孔底,冲洗孔底后经钻杆与孔壁之间的环空间隙返回到地表。3.2冲锤、射流元件阀式射流冲击器设计包括射流元件、缸体、活塞、冲锤和砧子等。射流元件则主要包括喷嘴过流断面、控制道、排水道、排水孔、分流劈和控制劈等。除射流元件外,其它零部件设计与传统射流冲击器类似。4孔信号道的应用1)喷嘴具有较大的过流断面。显然,在流量一定时,大过流断面喷嘴处流速更低,压耗更小;就理论而言,元件破坏程度减弱,在实际施工中降低了对管线及钻井泵的要求,使施工更安全。2)信号道、控制道全部位于中板。由于其无须在上下盖板上加工径向孔和轴向孔(信号道),大大降低了加工难度,提高了元件加工的成功率,即提高了冲击器的加工成功率。3)排空孔合二为一。传统射流元件两排空孔加工于元件两侧,排空孔面积由于种种原因受到极大限制,导致其对应处外缸内壁受冲击破坏严重。而新设计元件排空孔下移,只有一个,但其过流断面面积不受限制。显然,该元件使回水更容易排出,减轻了元件内的憋压,更有利于保护外缸。4)增设了阀。阀的增加使高压水只能流向活塞粗端上或下腔,而不会流向排空孔,增大了流量利用率。与此同时,活塞运行至上、下死点时形成盲道,加之径向控制流作用,高压水别无选择地流向另一侧,实现切换。由此可知,该工况下的射流更容易实现切换。5)改变了劈形,使射流对劈的作用力减小,消除了凹劈漫流对侧壁的冲击力,且无脉冲作用,有助于提高射流元件的使用寿命,也有助于射流切换的实现。5阀式辐射流冲击器测试1井泵带高压胶管注浆BW-320型钻井泵,泵量分四档;GY-100型钻机;钻井泵附带高压胶管;ϕ50mm钻杆;1m×1m×1m水箱;量程为16MPa、6MPa压力表各一只;附件为微机、麦克风等。2冲击频率与压耗强度试验功能简化后的试验装置如图3所示,装置安装完毕开泵送水,驱动冲击器开始工作,待冲击器稳定后进行读压测频。3)试验结果与评价。试验测得的各项数据分别为:冲击频率3.6Hz左右;冲击功250J左右;压耗2.1~2.2MPa。与同规格传统射流冲击器的试验数据比较可知,在试验条件完全相同的情况下,冲击频率、冲击功都变化不大,但冲击器压耗降低了21.0%,分析其原因,主要是因为喷嘴过流断面面积增大了17.7%。6射流冲击器压耗1)与同规格传统射流冲击器相比,阀式液动射流冲击器的射流元件破坏程度减弱,即流量一定,过流断面增大,流速减小,对射流元件的作用力减小,其余连带破坏作用减小。2)喷嘴过流断面面积加大,冲