一種新型震擊器的設(shè)計

一種新型震擊器的設(shè)計

1震擊器的應(yīng)用隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速增長，需求對能源和礦產(chǎn)的需求顯著增加。近年來鉆探的范圍逐年增加,而在鉆探中遇到的復(fù)雜地層也越來越多。因此鉆探過程中事故的發(fā)生頻率明顯增加。在所有的事故中,卡鉆是比較常見的事故之一。有資料顯示,在所有的鉆探事故中,卡鉆約占事故總數(shù)的50%。而每次處理卡鉆事故都將投入更多的人力物力,對鉆探工程造成時間和經(jīng)濟(jì)上的損失。根據(jù)卡鉆的類型不同有多種處理方案,在所有處理方案中,用震擊器解卡是比較常見的一種。在油氣鉆井領(lǐng)域中,震擊器能針對卡鉆事故取得良好效果,是由于震擊器對被卡鉆具施力大于巖石的卡緊力,從而使用絞車或千斤頂能夠起拔鉆具。但是在小口徑地質(zhì)鉆探中卻應(yīng)用不多。大量的工程實踐表明,大多數(shù)情況下震擊器下至事故孔段后并不能正常工作,其能力只發(fā)揮了30%~40%。其中80%的案例是由于泥漿中懸浮的細(xì)小巖屑無法順利流過震擊器,導(dǎo)致震擊器的液動機構(gòu)被巖屑堵塞而失效。除此之外,由于震擊器的活塞有多個螺紋連接的零件,配合尺寸的缺陷也是造成震擊器的失效的原因之一,這一類故障占其總量的10%~12%。因此,引進(jìn)或設(shè)計生產(chǎn)能夠應(yīng)用于地質(zhì)鉆探的震擊器很有必要。本文介紹了源自于烏克蘭鉆探工作者針對比較嚴(yán)重的卡鉆事故和比較容易發(fā)生卡鉆事故的地區(qū)兩種情況相對應(yīng)的新型震擊器設(shè)計。2非隨孔液動振動器設(shè)計2.1液動沖擊器在無巖心鉆機中的應(yīng)用非隨鉆式液動震擊器的設(shè)計目的在于處理比較嚴(yán)重的卡鉆事故。傳統(tǒng)液動震擊器工作時以單次震擊為主,進(jìn)行一次震擊后需要將震擊器復(fù)位才能進(jìn)行下一次震擊。在某些比較嚴(yán)重的卡鉆情況下需要的是持續(xù)的高頻震擊,傳統(tǒng)震擊器間隔時間較長的震擊效果并不明顯。在現(xiàn)有的鉆探工具中,液動沖擊器能提供持續(xù)的高頻震擊。研究表明,現(xiàn)有的液動沖擊器在結(jié)構(gòu)原理上并沒有明顯的缺陷。由于其在液動沖擊器排水口安裝了止逆閥,使沖擊器工作時泥漿與巖屑的混合物可以從中穿過而與缸體工作腔隔離。這樣的設(shè)計提高了液動沖擊器的可靠性,已經(jīng)使其成功的應(yīng)用于無巖心鉆探領(lǐng)域。因此,對于處理卡鉆事故的液動震擊器,也可以模仿液動沖擊器通過在活塞-沖錘中增加彈簧加壓式閥門、采用無螺紋單活塞等手段來提高震擊器在孔內(nèi)工作的可靠性。2.2沖錘沖擊技術(shù)烏克蘭頓涅茨克大學(xué)曾經(jīng)為液動震擊器選擇合適的頻率-能量參數(shù)進(jìn)行過相關(guān)研究,為了能使液動震擊器在鉆孔內(nèi)極端條件下正常工作,其最大的沖擊頻率至少應(yīng)該達(dá)到1900~2500次/min,相應(yīng)的沖擊能量必須使被卡鉆具克服位移阻力(表1)。除了原始力學(xué)參數(shù)外,為了使液動震擊器達(dá)到最大的沖擊功,還需要考慮能夠明顯影響其性能的技術(shù)參數(shù)。首先是頻率n和沖擊功E。在泥漿泵性能一定的情況下,可達(dá)到的最大沖擊功將取決于工作面積S與活塞-沖錘總行程S1的組合,以及在額定泵量和額定沖錘質(zhì)量前提下使沖錘以最大速度撞擊鐵砧時需要的閥門位移Sk。同時,為了防止液壓系統(tǒng)的壓力過高,一般選擇活塞上PE的壓力為0.275~0.35MPa。綜合考慮上述參數(shù),烏方設(shè)計者在設(shè)計適用于地質(zhì)鉆探的小口徑液動震擊器時,采用如表2的數(shù)據(jù)可使液動沖擊器向被卡鉆具有效地傳遞沖擊功。2.3沖錘沖擊下的下流系統(tǒng)如圖1所示,初始狀態(tài)下,活塞-沖錘12在自重作用下處于最下端。吸水閥7關(guān)閉,而排水閥8打開。來自泥漿泵的鉆井液沿鉆桿進(jìn)入上接頭1,經(jīng)過分流器2的通道進(jìn)入缸體10的下腔,使下腔產(chǎn)生穩(wěn)定的工作壓力P。在此工作壓力P的作用下,會對活塞產(chǎn)生提升力R:式中:f———活塞的工作面積,f=fn-fw;fn———活塞截面積;fw———活塞桿16的截面積。在提升力R的作用下,由活塞-沖錘12、銷釘11和活塞桿16組成的系統(tǒng)以很高的速度向上移動。沖錘對上鐵砧14施加一次向上的沖擊功?；钊戏降囊后w經(jīng)過閥體6側(cè)面的通道和止逆閥3進(jìn)入鉆孔排出震擊器。同時,由于在吸水閥7上仍有液體壓力,閥組將停留在初始位置,上升的活塞沖錘系統(tǒng)壓縮彈簧13。活塞-沖錘移動距離S后沖擊排水閥8。在沖擊功和彈簧彈力的作用下,排水閥8帶動吸水閥7向上位移。在位移過程中排水閥8移動距離Sk后接觸閥體6停止位移,關(guān)閉閥體側(cè)面的通道。吸水閥7在慣性作用下繼續(xù)向上位移打開液體通路使其進(jìn)入缸體10的上腔,積蓄壓力。由于缸體上腔的活塞面積大于缸體下腔活塞面積,在下壓力的作用下活塞-沖錘12急速下行,沖錘對下鐵砧17施加一次向下的沖擊功。此時排水閥8上也有水壓而逐漸下移。當(dāng)銷釘11抓住排水閥8的尾桿時,閥體回到初始狀態(tài),完成一次向上和向下的沖擊過程并積蓄壓力準(zhǔn)備下一次的沖擊。3鉆式機械振動器的設(shè)計3.1隨鉆補償時的解卡與液動式震擊器配合應(yīng)用隨鉆式機械震擊器設(shè)計使用于容易發(fā)生卡鉆事故的地區(qū)。在某些地區(qū)中由于地層破碎孔壁坍塌、地應(yīng)力異常造成的裸眼地層塑性流動擠壓、泥漿在地層礦物質(zhì)的影響下發(fā)生性質(zhì)改變,諸如此類的原因使得該地區(qū)極易發(fā)生卡鉆事故,終止鉆探施工的正常進(jìn)行。如果處理不及時,可能導(dǎo)致嚴(yán)重的鉆探事故。在卡鉆事故出現(xiàn)后能否及時采取措施進(jìn)行解卡工作以及解卡工作持續(xù)的時間都在很大程度上決定了能否成功的排除卡鉆事故。使用前文所述的液動式震擊器時,為了能把解卡器放到事故孔段,往往在提升和下放非事故鉆具時要消耗不少時間,這樣不可避免的增加了排除事故的難度。因此可以設(shè)計一種隨鉆機械式震擊器。其優(yōu)點在于可以和普通鉆具一起下入孔底進(jìn)行鉆探工作。一旦出現(xiàn)卡鉆事故,立即開始解卡工作,大大提高了其解卡成功的概率。另外,相對于液動式,機械式震擊器不需要復(fù)雜的密封結(jié)構(gòu)和材料,對泥漿的要求也不高。因此震擊器的壽命、適應(yīng)性和可靠性均得到了極大的提高。3.2沖錘機構(gòu)及其行程機械式震擊器的工作原理是一個動態(tài)循環(huán)的過程(圖2),包括儲能、釋放能量、撞擊解卡和復(fù)位4個階段。(1)儲能階段:操作手通過上提鉆桿,使被卡固定的鉆桿柱發(fā)生形變而儲存變形能;(2)釋放能量階段:當(dāng)震擊器被觸發(fā)開始工作后由于鉆桿柱變形能的釋放而猛烈地向上沖擊;(3)撞擊解卡階段:當(dāng)沖錘以很高的速度碰到鐵砧產(chǎn)生極大的沖擊功,與外殼固定的鐵砧將沖擊功通過外殼傳遞到鉆具被卡處,使其受到一次向上的沖擊而解卡;(4)復(fù)位階段:如果解卡成功,則將沖錘復(fù)位繼續(xù)正常的鉆進(jìn),如果沒有解卡成功,則沖錘復(fù)位時會對鉆具產(chǎn)生一個向下的沖擊功,循環(huán)繼續(xù)開始震擊器解卡整個階段。為了使震擊器能夠有效工作,最基本的要求是在被卡鉆桿上積累最大的變形能。經(jīng)烏方設(shè)計者理論計算,通過選擇沖錘合理的行程S6和一定軸向載荷下鉆桿柱可能的變形ΔL即可使鉆桿積累最大的變形能,一般情況下S6=(0.6~0.7)ΔL。當(dāng)然,對鉆桿柱施加的軸向載荷也不能超過其極限值,鉆桿柱的變形量與鉆桿柱的長度關(guān)系如圖3所示。3.3干鋼球6卡沖錘5沖擊功的恢復(fù)鋼球式機械震擊器適用于制造外徑73mm的樣機。在使用時該機構(gòu)固定在容易被卡鉆具的上方或接在取心鉆具上方作為粗徑鉆柱的一部分。如圖4所示,鉆具外殼由短外管4和短外管8兩部分組成,通過接頭10與被卡鉆具相連,而連桿(包括相互連接的桿2和沖錘5)經(jīng)過接頭1與鉆桿柱相連。桿2和鐵砧3通過開槽來相互連接用以傳遞扭矩。正常工作時彈簧9將活塞7頂在高位,活塞7將若干鋼球6卡在連桿下端沖錘5的凹槽中。通過這種連接方式將連桿固定用以承受加在鉆柱上的拉力,當(dāng)鉆柱被拉長時,管材的彈性變形將為解卡器工作需要的沖擊脈沖提供能量。當(dāng)卡鉆事故發(fā)生需要解卡器工作時,向鉆桿中投入鋼球11堵住活塞7上的通孔。在高壓泥漿作用下,活塞7壓縮彈簧9向下位移,各鋼球6從沖錘5的環(huán)形槽中脫出,解除了沖錘5與短外管8的嚙合狀態(tài)。由于積累了變形能,被拉長的鉆桿帶動連桿和沖錘以很大的速度向上移動沖擊鐵砧3。這種向上的沖擊功與鉆柱的變形能、沖錘的質(zhì)量及其位移和速度成比例。向上沖擊后如果仍未排除事故,可再次向孔中快速下入鉆桿柱,使沖錘5的下表面和短外管8的臺肩產(chǎn)生向下的沖擊功。這樣雙向的沖擊功能以足夠的頻率和力量經(jīng)過外殼傳到被卡鉆具上。如果需要重復(fù)產(chǎn)生沖擊作用,可以關(guān)閉水泵,將鉆桿柱和連桿一起下入孔內(nèi),這時沖錘5的環(huán)形槽將與鋼球6嚙合,從而借助彈簧9的彈力推動活塞7卡住鋼球6使沖錘與短外管8恢復(fù)初始的剛性連接狀態(tài),繼續(xù)向被卡鉆具施加向上和向下的沖擊功。在整套鋼球式解卡鉆具體系中可靠性最差的元件是鋼球鎖緊裝置。經(jīng)烏克蘭設(shè)計者測試,在孔內(nèi)使用外徑89mm的樣機時,使用15~18次之后鋼球就會變形失效,如果需要繼續(xù)使用該鉆具則需進(jìn)行維修或更換沖錘5。3.4上提鉆桿沖擊正常工作時鉆井液通過鉆桿內(nèi)部向孔底流動時,在活塞-鐵砧2的上部由于過流通道直徑變小而形成水壓,給鉆頭增加附加載荷。當(dāng)下部鉆具被卡時,操作者上提鉆桿拉緊整個鉆桿柱。此時,上桿5、下桿8和開槽主軸12被卡住的鉆具固定,而未卡住的外殼部分隨上部鉆桿拉長可能出現(xiàn)拉伸變形。當(dāng)外殼的變形量使臺階6從與上桿5的凸臺配合中脫離時,由于鉆桿柱的彈性作用,將使臺階6帶動沖錘4給活塞-鐵砧2施加一次沖擊作用。由于活塞-鐵砧2通過活塞桿和主軸12與被卡鉆具剛性的連接在一起,因此沖擊功即可傳遞給被卡鉆具。當(dāng)機構(gòu)完成沖擊動作后,可下放外殼并重復(fù)上述過程,達(dá)到重復(fù)沖擊的目的。4機械-機械震擊器通過對比分析烏克蘭地質(zhì)工作者針對兩種不同情況分別進(jìn)行的新型震擊器的設(shè)計之后可以得出以下結(jié)論。(1)針對比較嚴(yán)重的卡鉆事故而設(shè)計的新型液動震擊器,能通過高頻的震擊力提高解卡工作的效率;加裝的彈簧加壓式閥門也能增加震擊器工作的可靠性。(2)針對易卡鉆地區(qū)設(shè)計的隨鉆式震擊器,能夠在卡鉆發(fā)生的第一時間內(nèi)進(jìn)行解卡工作,能夠有效避免卡鉆事故的進(jìn)一步惡化,節(jié)省處理事故的時間。(3)機械式震擊器利用鉆桿柱的彈性勢能產(chǎn)生單次沖擊進(jìn)行解卡,相對于液動震擊器結(jié)構(gòu)簡單,加工精度低,強度大,更加適合于被設(shè)計