閥式雙作用液動沖擊器的研制與應(yīng)用

閥式雙作用液動沖擊器的研制與應(yīng)用

1外載作用的速度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響也就是說，根據(jù)普通旋轉(zhuǎn)鉆孔的基礎(chǔ)，增加了沖擊裝置。沖擊器是一種井底動力機械,一般是連接到井底鉆頭或巖芯管的上端,依靠鉆井液的能量推動其活塞沖錘上下運動,撞擊鉆頭。鉆頭在沖擊動載和靜壓旋轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用下破碎巖石。沖擊力不同于靜壓力,它是一種加載速度極大的動載荷,作用力在極短的時間內(nèi)變化幅度很大。由圖1知,沖擊力在幾十微秒內(nèi)由零上升至幾十千牛,再經(jīng)幾百微秒又重新下降至零。實踐證明,外載作用的速度對巖石力學(xué)性質(zhì)有較大的影響,特別是其對巖石的彈性及塑性的影響。根據(jù)固體力學(xué)理論,巖石變形與應(yīng)力之間的關(guān)系為σ=Ex+ηdxdt(1)σ=Ex+ηdxdt(1)式中,σ為應(yīng)力;E為彈性模量;x為形變;η為粘滯系數(shù);t為荷載作用時間。由前所述,沖擊動載作用時間極短,式(1)中第2部分增大,巖石應(yīng)力很快接近或超過強度極限,發(fā)生脆性變形?？梢?隨沖擊速度的增加,巖石的塑性降低,表現(xiàn)為塑性體向脆性體轉(zhuǎn)化的趨勢。沖擊動載的這種特性有利于巖石中裂隙的擴張,形成大體積的破碎,提高破碎巖石的速度。2國內(nèi)外發(fā)展2.1液動沖擊器的研制由于沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進能夠大幅度提高破巖效率,自從其誕生以來,發(fā)展速度很快,并很快應(yīng)用于礦山、采石、地質(zhì)勘探,水文水井、石油鉆井、地?zé)徙@井、工程施工及工程勘察等領(lǐng)域。20世紀初,俄國工程師B.沃爾斯基設(shè)計了石油鉆井的液動沖擊器,并開創(chuàng)了液動沖擊器的理論研究工作。此后,美國泛美石油公司研發(fā)了一種在石油鉆井中用的雙作用液動沖擊器,在2400m井深做過試驗,在石灰?guī)r中鉆進速度比普通鉆進方法提高效率96%~350%,主要參數(shù)如表1。德國克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)深鉆研究所也在開展液動沖擊器的工作理論試驗研究及微機仿真電算研究,在1993年設(shè)計了一套閥式正作用沖擊器,采用2個彈簧,其結(jié)構(gòu)如圖2。經(jīng)初步試驗,流量在33L/s左右,泵壓在3~4MPa,沖擊功達800~900J。2.2中國研究2.2.1沖擊器運行實驗YZX-127型液動沖擊器由國土資源部勘探技術(shù)研究所研制,其為一種閥式雙作用類型沖擊器。該沖擊器于1999-06在江蘇東?？茖W(xué)鉆探先導(dǎo)孔的實驗孔進行了鉆進實驗。鉆進地層為片麻巖,石英含量高,研磨性強,采用?158mm的固定式硬質(zhì)合金球齒鉆頭和?152mm的三牙輪鉆頭,平均鉆速達2.55m/h,且用牙輪鉆頭比球齒鉆頭的效果更好。2.2.2活塞環(huán)沖擊器XC型液力沖擊器由大慶油田石油鉆井研究所設(shè)計,結(jié)構(gòu)如圖3。該種沖擊器亦屬閥式雙作用類型,與國內(nèi)同類沖擊器的工作原理基本相同,其主要特點是采用活塞環(huán)密封,密封可靠,摩阻力小,壽命長;整個沖擊器只有8個零件,結(jié)構(gòu)簡單;單次沖擊能量較大。2.2.3雙閥沖水機機構(gòu)SYZJ液動沖擊器是為石油鉆井而設(shè)計的,為雙作用類型沖擊器,由石油大學(xué)研制。與一般雙作用沖擊器相比,其顯著特點是采用了一套雙閥配水機構(gòu),即活塞沖錘的沖程和回程是靠上下2個活閥的配水來完成的。其結(jié)構(gòu)如圖4。該沖擊器在2308~2351m井段進行了入井試驗,地層為泥巖及粉砂巖,采用311.1mmHJ517牙輪鉆頭。試驗結(jié)果表明,與純旋轉(zhuǎn)鉆井相比,在粉砂巖中鉆速提高63%,在泥巖中鉆速提高21%,并減少了井眼偏斜,獲得了很好的效果。2.2.4壓力位移綜合反饋該沖擊器由西安石油學(xué)院研制,結(jié)構(gòu)如圖5,是利用泥漿液流過噴嘴的卷吸作用,以及閥控液壓隨動系統(tǒng)的壓力位移綜合反饋關(guān)系,使閥和活塞產(chǎn)生交變壓力差,推動活塞往復(fù)運動。2.2.5沖擊器工作穩(wěn)定性受井深、圍壓的影響主要分為3個井區(qū)該沖擊器主要由吉林大學(xué)研究,結(jié)構(gòu)如圖6,依靠雙穩(wěn)的射流元件控制活塞沖錘的上下運動。沖擊器結(jié)構(gòu)簡單,運動部件少,除活塞沖錘外無其他運動零件,因而工作壽命長;沖擊器工作不受井深及圍壓的影響,可應(yīng)用于深井的石油鉆井;根據(jù)不同的地層、井深、鉆井工藝,沖擊器工作性能參數(shù)可以大幅度調(diào)整,而其工作的穩(wěn)定性不受影響;沖擊器的單次沖擊功可大幅度提高,可配套硬質(zhì)合金球齒鉆頭,實現(xiàn)全面的體積碎巖。3硬巖沖擊事件鉆井沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井的碎巖方式有別于傳統(tǒng)鉆井,從理論分析和試驗與應(yīng)用效果來看,它可以有效地提高硬巖鉆速,有效防止硬巖及復(fù)雜地層鉆井中的井斜問題,減緩鉆頭磨損,延長鉆頭壽命,減少鉆具損壞,降低鉆井成本,是一種很有發(fā)展前景的鉆井方式。近期的研究重點是:a)沖擊器的直徑由小到大,并形成系列化產(chǎn)品,全面解決石油鉆井硬巖鉆進難題。b)應(yīng)