弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置设计测试

徐超+郝婷婷+徐海波

摘 要：经济的快速发展对于石油的需求不断地增加，做好石油的开采对于保障经济的发展有着极为重要的意义。旋转冲击钻井技术能够应用于深井和超深井中，并能够有效地在现有钻井工艺条件下有效提升机械钻井速度。通过利用旋转冲击这一原理采用短螺杆马达带动冲击锤的方式在钻井面上产生周期性的冲击载荷，设计了弹簧蓄能激发式的旋转冲击方式的钻井装置通过旋转和纯机械碰撞的方式在钻井的过程中产生持续的冲击载荷。本文在分析弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置结构特性的基础上对冲击效果进行了测试验证。

关键词：弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置；冲击性；效果

中图分类号：TE921 文献标识码：A

经济的快速发展使得对于石油这一化石能源的需求不断增加，石油资源通过多年的开采浅层的石油资源已经处于日益减少的窘境。为了获得更多的石油资源，现今的钻井正在向着更深层和超深层的方向发展。在深层和超深层的钻井方式中，旋转冲击被理论和实践证明是一种十分有效的高速钻井方式，通过应用旋转钻井技术能够有效地提升深井和超深井的机械钻速。旋转钻井方式的工作原理是利用安装在钻头上的冲击工具依靠冲击工具所产生的持续间歇性的冲击载荷来持续地推动钻头不断深入岩层，并通过利用冲击振动形成大体积的岩屑破碎和剪切力，从而有效地提升钻井速度。

1.旋转冲击钻井工具发展现状

在现今国内所使用的旋转冲击钻井装置中主要分为：阀式液动冲击、射流式液动冲击和自激震荡式旋转冲击和电动旋转冲击等方式。上述几种旋转冲击钻井方式应用于钻井过程中尽管能够有效地提升钻井的速度，但是其在应用的过程中也存在着一些不足，从而制约其在更大的范围内进行推广利用，其主要表现为：旋转冲击钻井工具在井下的使用寿命与所使用的单只钻头的有效工作时间并未形成良好的匹配，由于旋转冲击工具的使用寿命较低会增加起下钻的成本。此外，在旋转冲击工具的使用过程中由于其单次冲击的量能较小，无法对较大体积的岩石形成良好的有效的破碎效果。旋转冲击工具在使用的过程中对于冲击频率和冲击载荷的控制较为困难，无法满足钻井现场复杂的工况需求。因此，对于旋转冲击工具要求其具备良好的适应性、使用寿命和可靠性。通过研究发现，选用特殊设计的螺杆钻具能够提供特定的扭矩和转速，其冲击特性依靠凸轮机构产生，能够持续稳定地提供需要的冲击特性。选用弹簧蓄能激发式旋转冲击这一结构能够有效地满足上述要求。在完成弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置外形设计的基础上通过对其建立数学模型并通过仿真分析对弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置中的各部进行优化，以便使得弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置具有良好的使用特性。

2.弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置的结构分析

弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置其机械结构主要分析3个主要的部分：

（1）高转速短螺杆。

（2）传动部件。

（3）冲击部分。

其中，上部的高转速短螺杆主要由接头部分、拉杆等组成。弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置中的中部传动部分由连接万向轴、传动轴和一系列的轴承套所组成，用以实现对于力矩的传递和轴的扶正，中间部分是弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置中最为关键的部分之一。下部的冲击振套通过传动轴、冲击锤以及下接头等部分组成。弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置的结构图如图1所示。

在钻井过程中，弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置与钻头部分相连，常规钻井中所产生的钻压和扭矩通过装置中的上部接头-中间的传动部分-下接头的一系列的传递方式将其传递到钻头上。钻井液作为弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置的驱动力驱动短马达高速旋转以此来带动弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置中的传动轴和主轴进行高速旋转，主轴带动冲锤转动并使得冲锤下部的齿形与砧体的齿形进行转动啮合，在啮合的过程中，冲锤挤压弹簧在弹簧中积蓄量能，待到两者啮合时，弹簧中所积蓄的量能会加速冲锤下落时的冲击力，从而形成旋转冲击装置所需要的冲击载荷。这一冲击过程随着主轴的旋转冲击锤下部齿形与砧体齿形的不断变化啮合而不断重复形成周期性的冲击载荷。弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置所形成的冲击载荷与钻头在钻进过程中所施加的静压力相叠加将会有效地增强钻头的钻进效率。

在弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置的设计过程中齿形并未有特别的要求，仅要求冲锤和砧体上的齿形两者能够相互交错啮合即可。弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置的冲击频率为短螺杆转速与冲锤齿数的乘积。经过相关研究测算表明，钻头在钻进过程中每一圈的冲击间隔控制在30Hz～45Hz之間为宜，从钻井过程中材料强度、冷却等因素进行综合考虑，选定冲击频率控制在30Hz次为宜，为实现这一形式，弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置中对于短螺杆需要采用2/3头结构，在冲锤下部与砧体上设置6对齿形凸起。

3.采用弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置的技术优势

弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置中的冲击频率主要与短螺杆的转速和冲击锤上的齿形相关，因此通过改变短螺杆的转速就能够方便地对冲击频率进行调节。相较于液力、电机等的旋转冲击方式，弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置中所采用的机械接触冲击方式能够会产生极高的冲击载荷，且对于冲击载荷的大小可以通过调节预紧力的方式来进行调节，可操作性较强。弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置中结构简单，在弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置工作的过程中做好短螺杆和齿形的冷却和润滑将能够极大地延长旋转冲击装置的使用寿命，避免了频繁起钻、下钻所带来的问题。由于采用的是全机械接触的形式，因此对于钻井液并未有特殊的要求，便于操作。此外，此装置所采用的短螺杆的扭矩较小，因此能够适应各种类型的钻压和扭矩，能够在多数钻井现场中取得良好的应用。

4.弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置的冲击性测试

测试时采用交流电机带动此装置中主轴旋转并使用测力传感器来对此装置的冲击载荷进行记录测定的检测方式。电机转速为380r/min，当弹簧预紧力为2.4kN时能够形成37Hz的冲击频率，冲击载荷在29kN～33kN之间，满足设计要求。

结语

通过对钻井选择冲击装置的原理及需求进行分析完成了对于弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置的结构设计，并通过模拟测算完成对于装置的优化，确保此装置的可用性和适用性。

参考文献

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