自循环水平往返冲击工作原理的研究

陈英杰，樊 军，董 平，刘福德

（新疆大学机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047）

1 引言

石油资源对经济发展和国家安全举足轻重，伴随着我国经济的快速发展，石油资源已经成为制约我国经济发展的瓶颈。随着对油井的开发，深井、超深井以及所遇到的硬质地层越来越多。钻头的破岩效率随着岩石强度的增加而不断的降低，此时常规冲旋钻井技术表现差强人意。为了解决上述的钻井问题，目前国内的主流解决办法是给钻头施加一个额外的垂直撞击作用，但是这种方法容易导致粘滑振动现象加剧。而粘滑振动是造成各种钻井问题（如：过度的钻头磨损、早期钻具失效及钻头破岩效率低下等）的一个主要原因。广大国内外科研人员针对这一问题开展了许多研究，如文献[1]借助计算机详细分析描述了钻杆在粘滑振动时的状态特征；文献[2]对钻头的工作过程进行了数字化建模，分析了钻头转速与钻头处扭矩之间的关系；文献[3-4]对钻杆在大位移井中的粘滑振动现象进行了研究；文献[5-6]对冲击地层中出现的粘滑失稳现象的原因进行了详细的分析，通过研究表明旋转和水平冲击相结合的钻井方法可有效地避免粘滑振动问题。Ulterra公司的TorkBuster冲击器可以实现旋转和水平冲击相结合的钻井方法，但是该冲击器的工作原理及运动特性尚未公开。因此对水平往返冲击的工作原理和运动特性的研究对于我国水平扭力冲击器的研究和设计有重大的意义。

文献[7]建立了液动射流式冲击器活塞运动过程的数学模型。文献[8]建立了液动锤内部动力学过程的数学模型并进行了仿真分析。文献[9]在建立动力学模型的基础之上研究了冲击器的工作状态。文献[10]运用流体力学理论建立了液动冲击器工作动力学模型。文献[11]对射流式液动锤高压腔内部液体动力过程进行研究文献[12]对冲旋钻井过程中波形与能量传递效率之间的关系进行了分析。近年来对钻井辅助装置的研究一直在持续进行，但是针对技术更为先进，钻井效率更高的水平扭力冲击装置所开展的研究比较少见。

提出了利用钻井液进行自循环水平往返冲击运动的工作原理。并在水平往返冲击运动的不同阶段，进行运动和受力分析，求出了自循环水平往返冲击运动的一般数学表达式，建立了启动与往返运动的动力学模型。基于该模型仿真计算得到了往返冲击模型各运动部件加速度、速度、位移在不同工作压力下随时间的变化曲线。通过建立室内实验环境进行室内冲击器试验，获得了压力与冲击部件速度、位移之间的关系数据，与计算仿真结果进行吻合较好，证明了研究的正确性和合理性，为改进和设计水平旋冲射流冲击器提供了理论根据。

2 结构及工作原理

自循环水平往返水平冲击的动力来自钻井液，其结构简图如图1所示射流孔与射流发生器（简图中没有显示）链接。模型运动可以作以下划分；假设模型初始状态，如图1所示。则工作介质经高压孔进入启动仓8右侧空腔，推动启动仓8向右运动，直至撞击液动锤7此时状态，如图1（b）所示，该阶段称为启动阶段。尔后启动仓8及液动锤7一起向右运动，行程末端挤压锤座右侧空腔内的钻井液，迫使钻井液进入射流元件，并使射流元件产生稳定的附壁，此时状态，如图1（c）所示，该阶段称为冲击阶段。由于射流元件的附壁效应，使其产生反方向的高压射流，迫使工作介质驱动液动锤反向运动，与此同时，通过高压孔的钻井液驱动启动仓8同步反向移动，此时状态，如图1（d）所示，该阶段称为撞击工作阶段。此时射流介入，继续运动重新回到图1（a）所示的状态。该工作模型除去液动块与启动仓外无其他运动部件，没有弹簧、配水阀等易损零件，充分保证该模型的使用寿命。

3 受力及动力学分析

3.1启动阶段

启动阶段的运动过程，如图2所示。启动仓右腔受到的工作压力p1沿程压力损失ΔP1表示为：

式中：p—泵压，Pa；Δp—压力损失（包含沿程压力损失与局部压力

式中：S1—高压入口横截面积，m2；A2—启动仓右腔受力面积，m2；γ—流体的重度，N/m3；g—重力加速度，N/kg；A1—为启动仓左腔受力面积，m2；S2—泄流道横截面积，m2；v1—启动仓瞬时速度，m/s；ζ—泄流道处的局部压力损失系数。摩擦阻力（仅计算的密封阻力其他省略）和粘性阻力分别为：

式中：A0—启动锤密封圈工作面积，m2；μ0—启动锤密封阻力系数；p0—启动锤密封圈工作压力，Pa；S0—启动锤密封面积，m2；μ—流体的绝对黏度，Pa·s；r—启动锤与启动仓之间的密封间隙，mm。

动力方程：

运动方程：

位移方程：

式中：m1—启动仓质量，kg。

若记v2为启动仓撞上液动锤瞬间的速度则由于下右空腔有高压流体的存在则启动仓与液动锤以共同的速度v3向右移动，则可以近似的根据动量守恒进行求解：

3.2 冲击阶段

在液动锤与启动仓二者以共速向右移过程中的受力分析如下：

摩擦阻力（仅考虑密封摩擦其他忽略）、水垫阻力和粘性阻力分别为：

式中：A1—液动锤密封圈工作面积，m2；μ1—液动锤密封圈摩擦系数；p1—液动锤密封圈工作压力，Pa；A4—液动锤右侧受力面积，m2；S3—射流入口水断流面积，m2；v4—液动锤的瞬时移动速度，m/s；ζ1—射流入口处的局部压力损失系数；S4—液动锤密封面积，m2；r1—液动锤与密封腔之间的间隙，mm。

动力方程：

运动方程：

位移方程：

式中：m2—液动锤质量，kg。

若记液动锤撞上锤座的瞬间的速度为v5，则撞上锤座立即回弹一般回弹时间只有零点几毫秒，对液动锤的撞击频率影响不大，可以省略。回弹速度的计算：

式中：m3—锤座质量，kg；k—回弹系数。

3.3 连续工作阶段

液动锤撞击锤座之后会有一股高压水进入射流发生器，入口压力p1的计算可以参考文献[8]该过程受力分析如下：

摩擦阻力：计算参考公式（11），水垫阻力：计算参考公式（12），粘性阻力：计算参考公式（13）。

动力方程：

运动方程：

位移方程：

4 仿真

imulink作为Matlab的最主要的模块之一，能够完成动态系统建模，仿真与分析。被广泛的运用于线性及非线性系统，数字控制及信号处理的建模和仿真中。

4.1 仿真假设

水平往返冲击模型是一个复杂的液压系统和机械系统，在建模仿真时作如下假设：（1）在水平往返冲击模块的各个工作阶段内，动力源能够提供稳定的油压；（2）油路的长度效应忽略不计；（3）忽略工作介质的工作过程中的粘度变化；（4）模型各部件间的相互移动关系，用开关量进行替换；（5）忽略冲击模块内部的工作介质的质量；（6）忽略冲击模块在工作过程中工作介质的泄露；（7）液压冲击器所有部件都是绝对刚体。设定参数如下：ρ—流体密度；d—管道内径；l—流程长度；Δ—管道粗糙度；v—流体运动粘性系数；S1—高压入口横截面积；A2—启动仓右腔受力面积；γ—流体的重度；g—重力加速度；A1—启动仓左腔受力面积；S2—泄流道横截面积；ζ—泄流道处的局部压力损失系数；A0—启动仓密封圈工作面积；μ0—启动仓密封阻力系数；p0—启动仓密封圈工作压力；S0—启动仓密封面积；μ—流体的绝对黏度；r—启动锤与启动仓之间的密封间隙；m1—启动仓质量；A1—液动锤密封圈工作面积；μ1—液动锤密封圈摩擦系数；A4—液动锤右侧受力面积；S3—射流入口水断流面积；ζ1—射流入口处的局部压力损失系数。

4.2 仿真思路

启动仓与液动锤的实际运动是变加速运动，但是在仿真步长内可以视为匀加速运动，计算机按照时间顺序计算逐个步长内液动锤与启动仓的动力学参数。从而求解出水平冲击模型的动力学方程。

5 实验

5.1 实验目的

为了验证了所建立的计算模型的正确性，故进行实验研究，建立了水平往返冲击模型的实验系统。

5.2 实验系统的组成

试验系统所用器材型号，如表1所示。该系统能够在不同系统供油压力条件下，实现冲击模型运动特征数据采集。

表1 实验器材型号Tab.1 Model of Experimental Equipment

5.3 实验方案

水平冲击模型高压腔的压力借助节流阀控制，系统的供油压力借助溢流阀控制，以满足水平冲击实验系统对不同的工作状态的要求。使用压电式加速度传感器对水平冲击模型液动锤横向振动信号进行采集，设定一定的采样频率。将采集的加速度数据经过处理可以得到速度信号及位移信号，探究水平冲击模型中液动锤与启动仓的运动特征。实验过程与实验模型，如图2所示。

图2 实验过程与实验模型Fig.2 Experimental Process and Experimental Model

5.4 实验与仿真结果对比

启动仓实验和仿真结果对比、液动锤实验和仿真结果对比，如图3、图4所示。

图3 启动仓实验和仿真结果对比Fig.3 Comparison of Experimental Results and Simulation Results of Starting Bin

图4 液动锤实验和仿真结果对比Fig.4 Comparison of Experimental Results and Simulation Results of Hydraulic Hammer

5.5 实验与仿真结果分析

实验获取的动力学曲线跳动明显，原因在于仿真过程无法模拟水击压力的多次反射及衰减过程、管长效应、液压泵的提供压力的随机波动及各种实验过程中的不可控因素对实验结果造成的影响，该现象目前尚无有效的解决办法。

6 结论

（1）通过液动锤动力学仿真结果与实验结果的对比发现二者总体变化趋势基本相同，验证了模型的可行性及计算模型可靠性。（2）实验过程中发现高压接口的输入压力与射流发生器的入口压力需要满足一定的比值范围模型才能正常工作，随着两个接口压力不断增加该比值范围也会随之变化，高压接口压力与启动仓及液动锤质量及二者的位移行程几个参数之间存在一定的匹配关系，该匹配关系及其最优解需要进一步的研究，进一步的模拟需要考虑水击现象、管长效应、工作介质泄露和多相流体介质等因素。（3）启动仓必不可少，只有接入启动仓的高压接口压力取值满足一定的条件才能为射流发生器产生稳定的附壁提供所需的初始压差，而在水平冲击模型正常的工作周期内，启动仓大多处于液压锤的被动驱动状态。并且启动仓的作用还在于为水平冲击模型由于某种未知原因出现“假死”现象时提供二次启动动力。