螺桿驅(qū)動旋沖鉆井工具設計與試驗研究

螺桿驅(qū)動旋沖鉆井工具設計與試驗研究

旋轉(zhuǎn)脈沖是有效提高巖石壓縮效率和機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式、風式和電式，這在巖石鉆探中得到了廣泛應用。1旋轉(zhuǎn)四軸抗沖劑設計基于螺桿鉆具驅(qū)動的機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構(gòu)(見圖1)。芯軸上端通過花鍵連接螺桿轉(zhuǎn)子,提供旋轉(zhuǎn)動力,下端接鉆頭,上凸輪上端連接螺桿定子及鉆柱。鉆井液驅(qū)動螺桿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,同時帶動芯軸及鉆頭旋轉(zhuǎn),下凸輪推動上凸輪及鉆柱等從動件往復運動。從動件在下行過程中,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)換為從動件沿凸輪軸線往復運動的動力。經(jīng)過研究對比,采取將等速運動和正弦加速運動相組合的方式,設計出改進型等速運動規(guī)律的凸輪輪廓設計方案。該設計方案具有適中的動力特征,并便于加工。以1周2個齒數(shù)的設計為例,將圓柱凸輪沿基圓展開,可以清楚地看到凸輪輪廓軌跡,為便于計算,在進行參數(shù)計算時可將1個周期內(nèi)的凸輪面輪廓線簡化為斜面(見圖2)。2計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度,國內(nèi)學者對沖擊功計算模型進行了深入研究2.1影響因素的計算2.1.1沖鉆井工具的應用下凸輪將旋轉(zhuǎn)動力轉(zhuǎn)換為推動上凸輪上行的推力,上部鉆柱受到壓縮發(fā)生形變,機械能轉(zhuǎn)化為鉆柱的勢能,當將鉆柱推到最高點時,鉆柱勢能突然釋放,沖擊下凸輪,形成沖擊力。當旋沖鉆井工具用于下部鉆具組合進行正常鉆進的時候,鉆壓為p整個鉆柱簡化為鉆桿和鉆鋌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,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,高點與低點時,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程中,凸輪斜面對鉆柱底端的推力(大小和鉆壓相等)由p則沖擊功的計算公式為: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,單次沖擊功僅是推程和初始鉆壓的函數(shù)。2.2沖擊頻率的計算當凸輪齒數(shù)為n個時,螺桿鉆具帶動凸輪每轉(zhuǎn)動一周就實現(xiàn)鉆柱往復運動n次,則沖擊頻率計算公式為:式中:f為旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具往復運動的頻率,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)律正常鉆進某直井時,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100m,外徑165.1mm,內(nèi)徑71.4mm。井眼直徑215.9mm,旋轉(zhuǎn)鉆進鉆壓0~200kN,凸輪推程為10mm,已知鉆柱鋼材的彈性模量為206GPa。當井深不大于100m時,鉆柱全部為鉆鋌,鉆壓差隨井深(約為鉆鋌長度)的變化見表1。當井深大于100m時,鉆柱中鉆鋌長度為100m,其余為鉆桿,鉆壓差隨鉆桿長度的變化關(guān)系見表2。從表1和表2可以得出以下規(guī)律:1)井深為0~500m時,鉆柱分別在高、低端時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,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。但因為鉆柱頂部并非固定端約束,實際最大鉆壓只是鉆鋌的浮重,且實際鉆井時,井深100m以內(nèi)一般為表層鉆進,不會采用旋沖鉆進方式,所以不會發(fā)生這種情況。3)井深大于100m時,鉆柱下部為100m鉆鋌,上部為若干根鉆桿,鉆桿剛性相對較小,鉆柱發(fā)生10mm軸向變形所需要增加的推力隨著鉆桿長度的增加而迅速下降。因此當井深超過一定深度后,可以用鉆壓值乘以凸輪推程h,進行沖擊功的簡便計算。4)基于螺桿鉆具驅(qū)動的新型機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,至少需要加入長度100m的ue788127.0mm鉆桿(或特定數(shù)量的其他型號鉆桿),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;當鉆柱中加入500m鉆桿后,即鉆柱長度達到600m以后,沖擊功趨于穩(wěn)定。2)鉆柱中加入500m鉆桿后,推動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,鉆柱長度對沖擊功的影響可以忽略,因此在實際應用中,可以采用該方法簡單計算沖擊功的大小。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沖擊測試方法及結(jié)果為了驗證新型機械式旋沖鉆井工具的機理有效性和設計合理性,加工了一套工程樣機,并在模擬試驗井進行了測試。測試過程中,先將整個工具提離井底約100mm,開泵提高排量至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,進行重復測試。測試結(jié)果如圖6所示。測試結(jié)果表明,該工具能夠?qū)⒙輻U的部分旋轉(zhuǎn)動力轉(zhuǎn)化為往復沖擊力。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)功能達到了設計要求。所測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,間接驗證了沖擊功計算模型的合理性。5沖擊功計算模型驗證1)新型機械式旋沖鉆井工具以螺桿轉(zhuǎn)動為驅(qū)動力,鉆頭能同時進行高速旋轉(zhuǎn)與高頻沖擊,實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和沖擊聯(lián)合破巖,達到提高鉆速的目的。2)沖擊功計算結(jié)果表明,鉆柱結(jié)構(gòu)確定時,單次沖擊功僅是推程和初始鉆壓的函數(shù),特別是當鉆柱中存在足夠數(shù)量鉆桿時,沖擊功與鉆壓值成正比,這一特性有助于在實際鉆井過程中實時調(diào)整沖擊功。3)工程樣機測試結(jié)果表明,該工具能夠?qū)⒙輻U的部分旋轉(zhuǎn)動力轉(zhuǎn)化為往