高频液力扭力冲击器设计与试验研究

赵建军，崔晓杰，赵晨熙，胡 亮，尹慧博，马兰荣

（中国石化石油工程技术研究院，北京 100101）

随着油气开发的逐渐深入，陆地浅层油气资源开始逐渐枯竭，勘探目标逐渐转向深部地层，岩石硬度、抗压抗剪强度以及研磨性成倍增加，PDC钻头钻进过程中极易产生黏滑现象，导致机械钻速急剧下降[1，2]。为提高钻井效率，近年来国内外研究人员在优快钻井技术方面进行了大量研究[3-7]，查春青等提出一种复合冲击钻具[8]，并进行了现场试验；刘彪等利用扭力冲击器与PDC钻头配合使用，在顺北区块形成超深小井眼水平井优快钻井技术[9]；田家林、齐列锋和鄢光红等研究了扭力冲击器的运动特性[10-12]，扭力冲击器作为一种以钻井液为动力源，把液压能转化为机械能的容积式井下动力辅助钻具，配合PDC钻头使用，可对钻头施加周向往复的扭矩脉冲，当与钻柱稳态钻进扭矩相叠加时，能对钻头施加高效的破岩扭矩，大幅度减小或消除钻头的黏滑振动，在保证井身质量的同时提高机械钻速，延长钻头寿命。

但以上学者对扭力冲击器的理论建模分析较少，缺乏对冲击扭矩等关键参数的试验研究，为此，本文以高频液力扭力冲击器为研究对象，深入探究其内部结构及工作机理，基于流体传动与工程力学等相关知识，建立了扭力冲击器液压系统与动力学模型，并对该模型进行了必要简化及计算分析，得到关键零部件水力参数与扭转冲击性能的对应关系，并基于扭力冲击器地面性能测试试验台，完成高频液力扭力冲击器样机地面性能测试。在节流压差约为3 MPa时，冲击扭矩高达850 N·m，冲击频率约13 Hz，该扭矩冲击器能够为钻头提供额外的高频扭力冲击，辅助钻头破岩，提高破岩效率，大幅提高深层钻井机械钻速，缩短钻井周期，降低钻井成本，具有较好的市场应用前景。

1 液力扭力冲击器结构及工作原理

液力扭力冲击器总体结构（见图1），液力扭力冲击器主要由外壳和扭转冲击本体组成，二者通过防脱机构连接，扭转冲击本体从左到右依次由防砂套、导流套、碟簧、推力轴承、端盖、支撑套、座体、冲击锤、启动锤和喷嘴组成。此外，为了降低扭力冲击器内部动力部件运行摩阻和冲击扭矩损耗，在工具内部装有推力轴承和滚针轴承。

液力扭力冲击器通过内部流体驱动，一部分钻井液流经主流道节流喷嘴，产生节流压差，另一部分钻井液经防砂支撑套过滤后进入扭力冲击器内部液压腔，驱动启动锤和冲击锤扭转运动，从而产生冲击扭矩。具体工作机理（见图2），冲击锤作用面两侧对称分布有高、低压钻井液，在液压力的作用下，冲击锤带动启动锤逆时针转动，当冲击锤转动到终止位置时停止，完成第一阶段扭转冲击；而启动锤在自身惯性及其所受液压力的作用下，继续逆时针转动，直至完成冲击锤作用面两侧高、低压液腔切换，在液压力的作用下，冲击锤带动启动锤顺时针转动，当冲击锤转动到终止位置时停止，完成第二阶段扭转冲击，依次类推，最终产生连续、均匀、稳定的高频扭转冲击。

2 模型简化与分析

为便于液力扭力冲击器数学模型简化计算，对该模型提出以下假设条件：

图1 液力扭力冲击器总体结构图Fig.1 The overall structure drawing of hydraulic torsional impactor

图2 液力扭力冲击器工作机理Fig.2 The work mechanism of hydraulic torsional impactor

（1）忽略启动锤和冲击锤运动过程中的摩擦力；

（2）主流道和旁通流道节流口流量系数近似相等；

（3）冲击锤在压差作用下迅速加速之后以匀速运动，旁通流道流量保持稳定，此时，冲击锤两侧压力近似相等，有 pc≈p1。

基于此，泵入排量与主流道节流压差的关系可等效为：

通过计算得到主流道节流口不同直径时节流压差随泵入排量的变化曲线（见图3）。

主流道和旁通流道的平均流速为：

冲击锤的平均角速度为：

冲击锤撞击前的平均动能为：

冲击锤撞击及启动锤换向的总运动时间为：

根据能量守恒定律，储存在弹性体内的应变能U在数值上等于冲击锤撞击前的平均动能W，（忽略能量损失）即U=W。

图3 不同节流口直径时节流压差随泵入排量的变化曲线Fig.3 The variation curve of throttle pressure difference with pump flow at different diameter of orifice

其中：σr－撞击面产生的正应力，Pa；Fr－撞击面产生的冲击内力，N；Mr-撞击面产生的冲击扭矩，N·m；Δθ-撞击面产生的应变量；E-工具材料的弹性模量，Pa。

通过计算得到主流道节流口不同直径时冲击扭矩随泵入排量的变化曲线（见图4）。

由图3可知，在钻井液密度、节流口流量系数近似不变的情况下，主流道节流压差与泵入排量呈二次函数关系，主流道节流口直径越小，节流压差增长越快；由图4可知，在启动锤、冲击锤和节流口结构尺寸不变的情况下，冲击扭矩与泵入排量呈线性关系，主流道节流口直径越小，对应斜率越大，冲击扭矩增长越快。

3 试验研究

为了验证高频液力扭力冲击器数学模型的正确性，分析其地面扭转冲击特性，搭建了扭力冲击器地面性能评价试验平台，试验方案原理图及实物图（见图5，图6）。泥浆泵泵入钻井液驱动工具高频扭转冲击，可实现长时间不间断地循环测试，通过示波器可实时显示扭矩传感器所采集的冲击扭矩及其频率，通过压力表和流量计获取泵送排量及节流压差。

图4 不同节流口直径时冲击扭矩随泵入排量的变化曲线Fig.4 The variation curve of impact torque with pump flow at different diameter of orifice

图5 扭力冲击器地面试验方案原理图Fig.5 The ground test scheme of hydraulic torsional impactor

图6 扭力冲击器地面试验实物图Fig.6 The ground test picture of hydraulic torsional impactor

基于扭力冲击器地面性能试验平台，选取主流道节流口直径为16 mm，测量得到主流道节流压差随泵入排量的变化曲线，并与模型简化计算值进行了对比分析（见图7），理论计算值与实际测量值曲线相仿，最大偏差小于12%，初步验证了扭力冲击器数学模型的正确性。为进一步分析扭力冲击器的冲击特性，选取主流道节流口直径为12 mm，测量得到节流压差、冲击扭矩以及冲击频率随泵入排量的变化曲线（见图8），当泵入排量接近1.4 m3/min时，节流压差约为3 MPa，冲击频率约为13 Hz，冲击扭矩可达 850 N·m，与简化模型理论计算结果较为吻合，可有效抑制深部硬地层钻头黏滑振动，提高钻井效率，满足现场入井试验要求。

4 结论

（1）高频液力扭力冲击器可以提供附加冲击扭矩，有效抑制PDC钻头钻进时存在的黏滑现象，提高机械钻速，缩短钻井周期，在当前全世界油价低迷的形势下，降本增效的需求日益突出，我国进行钻井提速工具方面的研究显得尤为必要。

（2）分析了高频液力扭力冲击器的总体结构和工作原理，运用流体力学等相关知识建立了扭力冲击器数学模型，并基于假设条件进行了数学模型的简化和计算。

（3）搭建了高频液力扭力冲击器地面性能评价试验平台，测量分析了扭力冲击器节流压差、冲击扭矩以及冲击频率随泵入排量的变化曲线，验证了扭力冲击器数学模型的正确性。选取主流道节流口直径为12 mm，当泵入排量接近1.4 m3/min时，节流压差约为3 MPa，冲击频率约为13 Hz，冲击扭矩可达850 N·m，高频液力扭力冲击器可有效抑制深部硬地层钻头黏滑振动，提高钻井效率，具有广阔的市场应用前景。

图7 节流压差随泵入排量变化的对比分析图Fig.7 The contrast analysis diagram of pressure difference changes as a function of pump flow

图8 扭力冲击器冲击特性曲线Fig.8 The impact characteristic curves of hydraulic torsional impactor

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