電動沖擊回轉(zhuǎn)鉆具的研究

1、機械工程學科技前沿研一期末作業(yè) 班 級： 碩2013級10班 專 業(yè)： 機械工程 姓 名： 王xx 學 號： 電動沖擊回轉(zhuǎn)鉆具的研究 王xx（西南石油大學，四川成都610500）摘要：近年來,我國鉆探工作量大部分是在硬巖和較復(fù)雜地層中進行的,需要大量采用沖擊回轉(zhuǎn)或回轉(zhuǎn)沖擊鉆進技術(shù)。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進是一種高效、優(yōu)質(zhì)的鉆探工藝，沖擊器的好壞直接決定著沖擊回轉(zhuǎn)鉆進的效果。在分析傳統(tǒng)液動、風動沖擊器使用過程中存在的不足的基礎(chǔ)上，介紹了一種新型電動沖擊器的設(shè)計思路、結(jié)構(gòu)、工作原理及其技術(shù)優(yōu)點。該新型電動沖擊器用可充電電池組供電。通過開、關(guān)地表鉆井泵來調(diào)節(jié)沖擊 器的沖擊頻率和中擊功。室內(nèi)試驗研究表明，該電動沖

2、擊器設(shè)計方案科學合理，技術(shù)優(yōu)點顯著，應(yīng)用前景廣泛 。 關(guān)鍵詞：沖擊回轉(zhuǎn)鉆進；電動沖擊器；工作原理；可充電電池組1引言1.1 研制新型電動沖擊回轉(zhuǎn)鉆具的目的和意義為彌補傳統(tǒng)液動和氣動沖擊器的不足，特引進了直線電動機、可充電動力電池技術(shù)，研制出結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便的新型電動沖擊鉆具，并應(yīng)用于沖擊回轉(zhuǎn)或回轉(zhuǎn)沖擊鉆進。由于電動沖擊鉆具的沖擊功和沖擊頻率可以單獨調(diào)整，互不影響；同時，電動沖擊鉆具的動力源來自于動力電池，摒棄了對泵 (空壓機)排量和壓力的依賴，從而不會影響正常鉆進對循環(huán)介質(zhì)參數(shù)的要求，對于復(fù)雜地層的鉆進更顯意義重大。1.2應(yīng)用前景沖擊回轉(zhuǎn)鉆進的實質(zhì)是在回轉(zhuǎn)鉆進的基礎(chǔ)上疊加一個周期性的沖擊載荷

3、，以沖擊載荷和回轉(zhuǎn)切削聯(lián)合作用破碎巖石的一種方法。理論分析和實踐表明，沖擊 回轉(zhuǎn)鉆進具有鉆進效率高、鉆頭壽命長、鉆具磨損小、防止井斜和減少井下事故 等一系列優(yōu)點，是現(xiàn)代鉆探的先進技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于石油、天然氣及固體礦 床勘探等領(lǐng)域。提供周期性沖擊功的關(guān)鍵設(shè)備是沖擊器。目前，沖擊器主要有兩種：一種是 液動沖擊器，另一種是風動沖擊器。國內(nèi)對這兩種沖擊器進行了大量研究，取得了顯著成果，但傳統(tǒng)液動和風動沖擊器在使用過程中仍存在一些不理想的地方，主要表現(xiàn)在以下幾個方面 ：1)對鉆井循環(huán)介質(zhì)要求高，適合于低固相或無固相的循環(huán)介質(zhì)，實際鉆進過程中很難滿足，巖屑總會混入循環(huán)介質(zhì)中，而這將大大降低沖擊器的使用

4、壽命 ； 2)沖擊器工作性能參數(shù)的調(diào)節(jié)比較復(fù)雜，現(xiàn)場不易操作，維護和保養(yǎng)的成本高 ；3)由于重力的影響，在大斜度井及水平井中使用受到一定的限制 ；4)需要的液體量或風量大，這不僅需要大設(shè)備，還可能會對井壁的穩(wěn)定性 帶來一定的負面影響。2新型電動沖擊鉆具的設(shè)計2.1設(shè)計思路近年來，直線電機和動力電池技術(shù)發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的眾多領(lǐng)域。針對傳統(tǒng)沖擊器使用過程中的不足，電動沖擊鉆具的設(shè)計思路是：把直線電機當作沖擊器，利用可充電的高容量電池組為直線電機供電，通過控制模塊調(diào) 節(jié)直線電機的運行速度從而達到調(diào)節(jié)沖擊器的沖擊功和沖擊頻率的目的。由于直 線電機和動力電池都完全密封在內(nèi)管中，因此直線電機對

5、沖洗介質(zhì)沒有特定的要求，且通過傳感觸發(fā)元件能夠較容易地調(diào)節(jié)沖擊器，對井斜角也無要求。2.2 新型電動沖擊鉆具的結(jié)構(gòu)與工作原理新型電動沖擊鉆具主要由上接頭、電池組、傳感觸發(fā)元件、控制模塊、外管、內(nèi)筒、直線電機、沖錘、鐵砧和巖心管接頭等部件組成，如圖1所示 。新型電動沖擊回轉(zhuǎn)鉆具按如下方式工作：電池組為控制模塊和直線電機供電，直線電機的動子(中心桿)通過球鉸帶動沖錘沖擊鐵砧，鐵砧與外管之間通過內(nèi)外六方套連接，并且鐵砧與外管之間允許有定的軸向位移，這樣沖錘的沖擊能量可 以盡可能地傳遞至巖心管接頭上，再通過巖心管傳遞在鉆頭上，提高碎巖效率。1上接頭；2電池組；3傳感觸發(fā)元件；4控制模塊 ；5外管；6過

6、水間隙；7直線電機；8內(nèi)管；9球鉸；1O沖錘；11鐵砧；12巖心管接頭圖1新型電動沖擊回轉(zhuǎn)鉆具結(jié)構(gòu)不同硬度的巖石需要疊加不同的沖擊功和沖擊頻率才能達到理想的鉆進效果，可以在地表輕易調(diào)節(jié)新型電動沖擊回轉(zhuǎn)鉆具的沖擊頻率和沖擊功，甚至遇到較軟的巖層，使電動沖擊鉆具停止工作，進行純回轉(zhuǎn)切削鉆進。電動沖擊器的啟動、停止和調(diào)頻主要是通過短時間內(nèi)不同次數(shù)地開關(guān)地表 鉆井泵來實現(xiàn)的。其控制機理是利用短時間開泵、關(guān)鉆井泵產(chǎn)生的水擊效應(yīng)，借助鉆井液將壓 力脈沖傳至井底，井底壓力傳感觸發(fā)元件感知鉆井液壓力的變化，控制模塊接收壓力脈沖信號并進行解碼，解碼后按預(yù)先編好的指令控制直線電機的運行速度，從而達到調(diào)頻的目的，也

7、即對沖擊器的沖擊頻率和沖擊功進行調(diào)節(jié)。 圖2為壓力脈沖信號編碼與時序。從圖2可以看出，除了開機、關(guān)機外，還 有00、01、10和11等4種調(diào)頻狀態(tài)，其中O0代表沖擊頻率和沖擊功最低的狀態(tài)，11代表沖擊頻率和沖擊功最高的狀態(tài)，01和10狀態(tài)的沖擊功和沖擊頻率介 于OO和11二者之間。圖2壓力脈沖信號編碼與時序電池組，一個回次結(jié)束后換下電池組進行充電，同時把另一套已經(jīng)充好電的電池組接上鉆具下入孔中繼續(xù)工作。3沖擊回轉(zhuǎn)鉆具的能量傳遞沖擊回轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)是鉆進硬巖層的有效方法,沖擊錘將沖擊載荷作用于鉆頭和鉆柱上,以促進對巖石的破碎作用。從沖擊作用的基本理論出發(fā)，對沖擊器對鉆頭和鉆柱的作用過程進行了分析。沖

8、擊回轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)是在鉆進中給鉆頭一定的鉆壓和旋轉(zhuǎn)運動, 同時周期性地向鉆頭施加一定的沖擊能量。這樣增加了對鉆頭的沖擊動載, 對巖石尤其是脆性巖石, 可使其強度大幅度降低,井底則由于被沖擊和回轉(zhuǎn)切削共同作用破碎巖石。因而機械鉆速會提高20%-60%,鉆井成本降低1 5%-20%,經(jīng)濟效益顯著。沖擊器是沖擊回轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)中的關(guān)鍵工具。它主要靠液體壓力(稱為液動沖擊器)、氣體壓力(稱為氣動沖擊器)和機械作用力(稱為機械作用式?jīng)_擊器)推動其內(nèi)的活塞即沖錘作上下往復(fù)運動而向鉆頭施加沖擊能量。沖擊器向鉆頭施加的沖擊力作用時間短, 巖石中的瞬時接觸應(yīng)力大。這樣有利于巖石中裂隙的擴展，并使巖石從薄弱的地方開始破碎

9、而形成較大的體積脆性破碎,從而提高破巖效率,增大機械鉆速。同時,在沖擊器上施加一定大小的鉆壓, 有利于沖擊功和沖擊應(yīng)力波傳遞到巖石,促進巖石破碎。此外,高頻沖擊器的沖擊作用迫使巖石內(nèi)部分子產(chǎn)生振蕩,使巖石產(chǎn)生疲勞破碎，降低其動載強度。沖擊器的活塞質(zhì)量m和間隔值L等因素是影響鉆具振幅 A、活塞沖擊頻率和活塞沖擊能量傳遞效率的主要因素。它是決定沖擊器能否高效工作的關(guān)鍵因素, 是設(shè)計者最關(guān)注的問題。本文為此作了初步的探討,希望能對沖擊器的設(shè)計和使用有一定的幫助。沖擊器,主要依靠錘頭在液(氣)壓力的作用下撞擊砧子(鉆具)而作功。如果碰撞過程是剛性對中式碰撞,其工作過程是:a)在液(氣)壓力F(t)的作

10、用下,沖擊錘m從離開砧子表面L高處以速度V0開始下落,砧子(鉆具)以速度U0運動著(如圖1a所示)；b)當沖擊錘頭與砧子接觸的瞬時,發(fā)生沖擊碰撞,沖擊錘頭由于慣性對砧子(鉆具)加速,由此產(chǎn)生的接觸力使錘頭和砧子(鉆具)具有同樣的速度 V 沖(即沖擊碰撞速度)(如圖b所示)；c)在慣性力的作用下使沖擊錘頭發(fā)生變形, 其速度降為零,動能全部轉(zhuǎn)變?yōu)樗鼈兊淖冃文芎蜔崮?。若錘頭和砧子(鉆具)的表面硬度足夠高,即當作完全彈性體。則沖擊錘頭和砧子都可以恢復(fù)原來的形狀,沖擊錘頭獲得上彈速度Vc后,接觸和變形終止；d)沖擊錘頭以速度Vc上返,砧子(鉆具)以新的速度U1運動(如圖1c所示)；e)沖擊錘頭與上部接觸

11、,在F(t)作用下,改變速度方向,以V1開始第二次沖擊。4技術(shù)關(guān)鍵點1)直線電機的研制。直線電機是電動沖擊鉆具中實現(xiàn)沖擊的核心部件，由于實現(xiàn)的目的不同，現(xiàn)有直線電機，有些沖擊功太低，有些則沖擊頻率不夠。因此，要對現(xiàn)有線電機進行改進，研制出適合沖擊器的直線電機。2)控制模塊。必須能夠可靠地接受脈沖信號編碼，并進行解碼，控制直線電機按照給定的指令運行，對直線電機進行保護；并對電池進行管理，實現(xiàn)穩(wěn)壓輸 出、過流保護和過溫保護等功能。5新型電動沖擊回轉(zhuǎn)鉆具的優(yōu)點1)由于直線電機、控制模塊等都密封在內(nèi)管中，因此，對沖洗液(包括含砂量)沒有嚴格要求，鉆具使用壽命長 ；2)鉆進過程中，能夠在地表輕易調(diào)節(jié)電動

12、沖擊器的沖擊頻率和沖擊功，遇到 軟巖層還能控制沖擊器停止工作 ；3）對井斜角沒有特殊要求；4）使用方便、成本低。6室內(nèi)初步試驗室內(nèi)對沖擊器專用直線電機進行了簡單測試。該直線電機可以帶動10kg的沖錘以10Hz的頻率運動，該直線電機的外徑為65mm，設(shè)計用于91mm的小尺寸井眼中，由于限制了其徑向尺寸，因此大大降低了其沖擊功，其沖擊功約為15J，對于相應(yīng)尺寸的井眼也能顯著提高機械鉆速。研制適用于大尺寸井眼的沖擊器，可以加大直線電機的外徑，顯著提高其沖擊功室內(nèi)地表試驗也表明，控制模塊能可靠地接受編碼，并進行解碼，控制直線電機按照給定的指令運行。7結(jié)束語液動、風動沖擊器能夠顯著提高鉆探效率、改善鉆孔

13、質(zhì)量和延長鉆頭壽命。電動沖擊器不僅具有液動、風動沖擊器的這些優(yōu)點，同時對循環(huán)介質(zhì)沒有特殊要求，參數(shù)的調(diào)節(jié)簡單方便，具有液動、風動沖擊器無可比擬的優(yōu)勢。電動沖擊器的成功研制在石油、地質(zhì)等部門具有廣泛的應(yīng)用前景。參考文獻 1 陶興華沖擊轉(zhuǎn)鉆進在石油鉆井中的應(yīng)用：J西部探礦工程，1996，8(2)：18-192 高建強,陳朝達.液動沖擊旋轉(zhuǎn)鉆具存在的問題及解決途徑J西安石油學院學報,1998,13(3):62-683王清巖,殷琨，彭枧明,等.液動射流沖擊器計算機仿真技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用J石油鉆探技術(shù),2008.36(1):45-49 4楊順輝,陶興華,殷琨,等.汁算流體動力學在沖擊器設(shè)計和模擬中的應(yīng)J石

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15、(Southwest petroleum university, chengdu, sichuan province, 610500)Abstract：In recent years, our country most drilling workload is done in hard rock and complex formation, need a lot of impact or percussion drilling technology.Impact rotary drilling is a kind of high efficiency and high quality dril

16、ling technology, the jar is good or bad directly decides the effect of impact rotary drilling.On the analysis of the traditional hydraulic, pneumatic impact in use process, on the basis of the deficiencies, the paper introduces a new type of electric design idea, structure, the working principle and technical advantages.The new electric shock for rechargeable battery power supply., through the surface drilling pump to adjust the frequency and