螺桿驅(qū)動(dòng)旋沖鉆井工具設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

螺桿驅(qū)動(dòng)旋沖鉆井工具設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

旋轉(zhuǎn)脈沖是有效提高巖石壓縮效率和機(jī)械干燥速度的一種巖石壓縮方法。目前，最常用的旋轉(zhuǎn)脈沖鉆工具主要分為液動(dòng)式、風(fēng)式和電式，這在巖石鉆探中得到了廣泛應(yīng)用。1旋轉(zhuǎn)四軸抗沖劑設(shè)計(jì)基于螺桿鉆具驅(qū)動(dòng)的機(jī)械式旋沖鉆井工具的下凸輪與沖擊器芯軸連接為一體,上凸輪套入芯軸、并與下凸輪形成嚙合機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖1)。芯軸上端通過(guò)花鍵連接螺桿轉(zhuǎn)子,提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力,下端接鉆頭,上凸輪上端連接螺桿定子及鉆柱。鉆井液驅(qū)動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),同時(shí)帶動(dòng)芯軸及鉆頭旋轉(zhuǎn),下凸輪推動(dòng)上凸輪及鉆柱等從動(dòng)件往復(fù)運(yùn)動(dòng)。從動(dòng)件在下行過(guò)程中,在鉆壓及自身重量的作用下沖擊下凸輪,將沖擊能傳遞給鉆頭,從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和沖擊聯(lián)合破巖,有效提高鉆井速度。旋沖的關(guān)鍵部件是凸輪機(jī)構(gòu),其主要功能是將螺桿鉆具傳遞給凸輪的扭矩轉(zhuǎn)換為從動(dòng)件沿凸輪軸線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。經(jīng)過(guò)研究對(duì)比,采取將等速運(yùn)動(dòng)和正弦加速運(yùn)動(dòng)相組合的方式,設(shè)計(jì)出改進(jìn)型等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律的凸輪輪廓設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案具有適中的動(dòng)力特征,并便于加工。以1周2個(gè)齒數(shù)的設(shè)計(jì)為例,將圓柱凸輪沿基圓展開(kāi),可以清楚地看到凸輪輪廓軌跡,為便于計(jì)算,在進(jìn)行參數(shù)計(jì)算時(shí)可將1個(gè)周期內(nèi)的凸輪面輪廓線簡(jiǎn)化為斜面(見(jiàn)圖2)。2計(jì)算兩者的影響功能和影響頻率沖擊功是旋沖鉆井工具的核心參數(shù)之一,單次沖擊功的大小可以衡量每次沖擊的強(qiáng)度,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)沖擊功計(jì)算模型進(jìn)行了深入研究2.1影響因素的計(jì)算2.1.1沖鉆井工具的應(yīng)用下凸輪將旋轉(zhuǎn)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為推動(dòng)上凸輪上行的推力,上部鉆柱受到壓縮發(fā)生形變,機(jī)械能轉(zhuǎn)化為鉆柱的勢(shì)能,當(dāng)將鉆柱推到最高點(diǎn)時(shí),鉆柱勢(shì)能突然釋放,沖擊下凸輪,形成沖擊力。當(dāng)旋沖鉆井工具用于下部鉆具組合進(jìn)行正常鉆進(jìn)的時(shí)候,鉆壓為p整個(gè)鉆柱簡(jiǎn)化為鉆桿和鉆鋌2部分,兩端均為固定約束。鉆柱在井眼中受到自重、液柱壓力、鉆壓和外力的作用式中:ΔL為軸向力引起的鉆柱軸向伸長(zhǎng),m;F為鉆柱底端所受的軸向力,N;A為鉆柱橫截面積,m鉆鋌在不同情況下的變形量為:式中:ΔL鉆桿在不同情況下的變形量為:式中:ΔL垂直井眼中,鉆柱的變形僅取決于有效軸向力引起的軸向變形,高點(diǎn)與低點(diǎn)時(shí),鉆柱總變形量的差(即凸輪推程h)為鉆桿和鉆鋌的變形量之和,即:式中:h為凸輪推程,m。由式(8)可得:2.1.2小和鉆壓相位在鉆柱推高過(guò)程中,凸輪斜面對(duì)鉆柱底端的推力(大小和鉆壓相等)由p則沖擊功的計(jì)算公式為:式中:W為單次沖擊功,J。由式(10)可以得出,在鉆柱結(jié)構(gòu)確定時(shí),單次沖擊功僅是推程和初始鉆壓的函數(shù)。2.2沖擊頻率的計(jì)算當(dāng)凸輪齒數(shù)為n個(gè)時(shí),螺桿鉆具帶動(dòng)凸輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一周就實(shí)現(xiàn)鉆柱往復(fù)運(yùn)動(dòng)n次,則沖擊頻率計(jì)算公式為:式中:f為旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率,Hz;n為圓柱凸輪齒數(shù);r為螺桿鉆具的轉(zhuǎn)速,r/min。3旋沖鉆井提速工具使用規(guī)律正常鉆進(jìn)某直井時(shí),鉆柱上部有若干根鉆桿,外徑127.0mm,內(nèi)徑112.0mm;鉆柱下部鉆鋌長(zhǎng)100m,外徑165.1mm,內(nèi)徑71.4mm。井眼直徑215.9mm,旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆壓0~200kN,凸輪推程為10mm,已知鉆柱鋼材的彈性模量為206GPa。當(dāng)井深不大于100m時(shí),鉆柱全部為鉆鋌,鉆壓差隨井深(約為鉆鋌長(zhǎng)度)的變化見(jiàn)表1。當(dāng)井深大于100m時(shí),鉆柱中鉆鋌長(zhǎng)度為100m,其余為鉆桿,鉆壓差隨鉆桿長(zhǎng)度的變化關(guān)系見(jiàn)表2。從表1和表2可以得出以下規(guī)律:1)井深為0~500m時(shí),鉆柱分別在高、低端時(shí)的鉆壓差隨著井深增加而迅速降低,井深大于500m后逐漸趨于0。2)井深在100m以內(nèi)時(shí),鉆柱全部為鉆鋌,鉆鋌剛性大,若使鉆鋌發(fā)生10mm變形,需要巨大推力。但因?yàn)殂@柱頂部并非固定端約束,實(shí)際最大鉆壓只是鉆鋌的浮重,且實(shí)際鉆井時(shí),井深100m以內(nèi)一般為表層鉆進(jìn),不會(huì)采用旋沖鉆進(jìn)方式,所以不會(huì)發(fā)生這種情況。3)井深大于100m時(shí),鉆柱下部為100m鉆鋌,上部為若干根鉆桿,鉆桿剛性相對(duì)較小,鉆柱發(fā)生10mm軸向變形所需要增加的推力隨著鉆桿長(zhǎng)度的增加而迅速下降。因此當(dāng)井深超過(guò)一定深度后,可以用鉆壓值乘以凸輪推程h,進(jìn)行沖擊功的簡(jiǎn)便計(jì)算。4)基于螺桿鉆具驅(qū)動(dòng)的新型機(jī)械式旋沖鉆井提速工具不適合采用全部由大剛性鉆鋌組成的鉆柱,至少需要加入長(zhǎng)度100m的ue788127.0mm鉆桿(或特定數(shù)量的其他型號(hào)鉆桿),因此可以滿足絕大部分直井的鉆井要求。不同鉆壓下沖擊功和鉆柱長(zhǎng)度(即井深)的關(guān)系如圖5所示。從圖5可以看出:1)在鉆柱加入剛性較小的鉆桿后,推程相同,沖擊功迅速下降;當(dāng)鉆柱中加入500m鉆桿后,即鉆柱長(zhǎng)度達(dá)到600m以后,沖擊功趨于穩(wěn)定。2)鉆柱中加入500m鉆桿后,推動(dòng)鉆柱上移所需要的推力基本等于鉆壓,沖擊功也近似等于鉆壓與推程的乘積,即與鉆壓成正比,鉆柱長(zhǎng)度對(duì)沖擊功的影響可以忽略,因此在實(shí)際應(yīng)用中,可以采用該方法簡(jiǎn)單計(jì)算沖擊功的大小。3)基于沖擊破巖理論研究結(jié)果,中硬地層破巖要求沖擊功為300~450J4沖擊測(cè)試方法及結(jié)果為了驗(yàn)證新型機(jī)械式旋沖鉆井工具的機(jī)理有效性和設(shè)計(jì)合理性,加工了一套工程樣機(jī),并在模擬試驗(yàn)井進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中,先將整個(gè)工具提離井底約100mm,開(kāi)泵提高排量至7L/s,待工作穩(wěn)定后下放鉆具并加鉆壓至40kN,記錄沖擊頻率、泵壓、沖擊力等參數(shù);然后將鉆壓依次降至35,30,25,20,15,10和5kN,并記錄以上參數(shù);加大排量至10L/s,進(jìn)行重復(fù)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。測(cè)試結(jié)果表明,該工具能夠?qū)⒙輻U的部分旋轉(zhuǎn)動(dòng)力轉(zhuǎn)化為往復(fù)沖擊力。裝置拆卸后,上、下凸輪面均有一定程度的磨損,其他保持完好,表明裝置結(jié)構(gòu)功能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。所測(cè)最大沖擊力與鉆壓成線性關(guān)系,不同排量下最大沖擊力基本不變;其他條件一定的情況下,最大沖擊力越大,沖擊功越大,間接驗(yàn)證了沖擊功計(jì)算模型的合理性。5沖擊功計(jì)算模型驗(yàn)證1)新型機(jī)械式旋沖鉆井工具以螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)為驅(qū)動(dòng)力,鉆頭能同時(shí)進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)與高頻沖擊,實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和沖擊聯(lián)合破巖,達(dá)到提高鉆速的目的。2)沖擊功計(jì)算結(jié)果表明,鉆柱結(jié)構(gòu)確定時(shí),單次沖擊功僅是推程和初始鉆壓的函數(shù),特別是當(dāng)鉆柱中存在足夠數(shù)量鉆桿時(shí),沖擊功與鉆壓值成正比,這一特性有助于在實(shí)際鉆井過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)整沖擊功。3)工程樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明,該工具能夠?qū)⒙輻U的部分旋轉(zhuǎn)動(dòng)力轉(zhuǎn)化為往