一种新型电动冲击器的设计

一种新型电动冲击器的设计

影响旋转钻孔的本质是在旋转钻孔的基础上重叠周期性影响荷载，并通过振动负荷和旋转剪切将影响岩石联合起来破坏岩石。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。1新型电磁干燥箱的设计1.1电动冲击钻具设计近年来,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。1.2冲击器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一定的轴向位移,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。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00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00和11二者之间。电池组为可充电式,一套电动冲击回转钻具配两套电池组,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。2直线电机的改良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,要对现有直线电机进行改进,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。3砂体对含砂量地层的需求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。4小尺寸井眼冲击器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ϕ65mm,设计用于ϕ91mm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。5电动冲击器的优势液动、风动冲击器能够显著提高钻探效率、改善钻孔质量