新型阀式液动冲击器设计研究

何勇

【摘 要】当前，油气钻井领域可采用冲旋钻头作用于复杂难钻地层，但冲旋钻头因冲击切削齿易失效、能量利效率低等缺点而导致其破岩效率相对较低，其主要原因在于配套的冲击器设计或选型不当。本文开展了配套冲旋钻头工具（即新型阀式液动冲击器）结构设计研究，为提高钻井效率提供一定的参考。

【关键词】钻井；阀式；液动冲机器

一、引言

旋冲钻井技术是在常规钻井的基础上，将旋转和冲击结合起来的钻井方法，通过利用冲洗液驱动液动潜孔锤（简称液动冲击器）对破碎岩石的钻头施加一定频率的冲击能量，也就是钻头上带有冲击负荷的钻进，因此能有效提高深部地层硬岩的破岩效率，井身质量较高[1][2]。

液动冲击器是旋冲钻头的心脏部件，其质量优劣，直接影响着钻孔速度和钻孔成本。液动冲击器具有较强的应用性且使用方便、设备投入少、能量利用率高、寿命短等特点。对冲击器原理和结构的设计研究，将有益于提高难钻地层的钻井效率、降低钻井成本。液动冲击器是以液力为驱动介质，按照作用力方向分为周向冲击器和沿轴向冲击器。按照工作原理液动冲击器可分为阀式正作用、阀式反作用、射流式等形式。这些冲击器的主要结构包括换向机构及能量传递机构等。

二、新型阀式液动冲击器设计

1、整体方案设计

液动冲击器的设计应该满足要求为：①满足工作原理的前提条件下，结构简单，且加工、装拆、操作和维修方便；②工作性能稳定可靠，液流能量利用率高；③关键零部件有较长的使用寿命；④合理设计防空打机构等。设计方案如图3所示。

2、工作原理

新型阀式液动冲击器的工作原理可结合图1说明。钻进工作开始前，工具处于防空打状态；当钻头逐渐接触井底过程时，工具逐渐开始工作直至正常工作状态。液动冲击器工作伊始，上阀和冲锤在重力作用下均位于各自行程的最下端，钻井液能顺利流入井底，此时液动冲击器不工作相当于普通钻杆。当钻头接触井底后，冲头将推动传力杆、砧体和活塞（冲锤）上行，由于流体通道被封闭或节流环开始节流，则冲击器开始工作。钻井液从冲击器上端进入，经上阀流入冲锤内部通道，由于节流环的通孔面积很小，则钻井液在冲锤的下腔堆积，压力逐渐增大；由于上阀和冲锤下端有效承压面积均大于上端有效承压面积，所以在压力差的作用下，上阀和冲锤克服阻力上行，直至行程最上端。当冲锤上行与上阀接触瞬间，流体通道被阻斷而将产生水锤作用，此时水击压力迫使上阀和冲锤以较大的加速度向下冲击。当上阀受到限位弹簧作用而与冲锤分离，直至减速为零，在液体压力的作用下又返回至最上端等待冲锤的回程；而冲锤与上阀分离后，经过自由行程稍许的减速作用后，并以一定的速度冲击砧体，此时则完成一个工作循环。冲锤处于最下端，节流环的节流作用增大，冲锤在液体压力的作用下，又开始一下个循环，如此往复。

3、结构特点

冲击器内部冲锤运动的冲程和回程都是靠高压流体推动的。相比于其他结构形式的液动冲击器，本结构零部件少，原理可行；符合需求的冲击功不大，所以冲击器布置空间小，内部压耗低。此外，部分零件的结构及特点如下：

（1）“活动式”节流环

节流环固结在冲锤下端。工作过程中当冲锤与砧体接触时，节流环才起节流作用，所以钻井液能量在冲击器内部损失小（压降小），且钻进液大部分时间都处于导通状态，避免稍长时间断流而出现烧钻现象。

（2）碟簧和阀簧

如图5所示，结构中加入蝶形弹簧组和普通弹簧，具体为：碟簧轴向装配在上阀的上部，阀簧轴向装配在上阀中部的轴肩位置。

三、小结

射流式液动冲击器结构虽简单，但射流元件寿命短；内部流道多，钻井液压降大。在深部硬岩层钻进过程中，如果钻进液在冲击器中能量损失过大，则钻井液到达井底钻头液压较小，清洗钻头、运移岩屑的能力将下降。正作用和反作用式液动冲击器结构虽简单，零部件少，但存在易损的弹簧零件。在频繁的工作条件下，弹簧容易产生磨损和疲劳损坏[3][4][5]。因此，通过与其他阀式冲击器结构的对比，本文创新性提出的新型阀式液动冲击器，结构简单，安全可靠，能有效提高钻井效率，后续可制造加工出实物，开展相应试验研究。

【参考文献】

[1]袁新梅.孙起昱.王爱芳等.旋冲钻井技术及装备的发展现状和展望[J].石油矿场机械，2007，36（3）：7-10.

[2]贾涛.徐丙贵.李梅等.钻井用液动冲击器技术研究进展及应用对比[J].石油矿场机械，2012，41（12）：83-87.

[3]代常友.石永泉.李酉等.阀式正作用液压冲击器的冲击功和冲击频率[J].煤矿机械，2006，27（10）：35-38.

[4]赵洪激.董家梅.阀式反作用液动冲击器参数计算及性能分析[J]. 中国海上油气.工程，1995，03：21-26+5-7.

[5]杨顺辉.液动射流式冲击器的研究现状与发展方向[J].石油机械，2009，37（2）：73-76.