馬廣軍, 王甲昌， 張海平

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院，山東青島 266580；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101)

?

螺桿驅(qū)動旋沖鉆井工具設(shè)計及試驗研究

馬廣軍1,2, 王甲昌2， 張海平2

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院，山東青島 266580；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101)

為提高石油鉆井破巖效率，將螺桿高速旋轉(zhuǎn)與沖擊器高頻沖擊相結(jié)合，設(shè)計了一種螺桿鉆具驅(qū)動的新型機械式旋沖鉆井工具。在設(shè)計旋沖鉆井工具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立了直井中單次沖擊功、沖擊頻率等關(guān)鍵參數(shù)的計算模型，并進行了實例計算分析。計算結(jié)果表明，直井中單次沖擊功僅是凸輪推程和鉆壓的函數(shù)，當鉆柱結(jié)構(gòu)確定且存在一定長度(大于500 m)的φ127.0 mm鉆桿時，單次沖擊功與鉆壓成正比關(guān)系，改變鉆壓可實時調(diào)整沖擊功。工程樣機測試表明，該工具結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能夠?qū)崿F(xiàn)螺桿驅(qū)動鉆頭高速旋轉(zhuǎn)和高頻沖擊，進一步提高工具的耐磨性能后具有良好的應(yīng)用前景。

沖擊器；螺桿鉆具；旋沖鉆井；參數(shù)設(shè)計；沖擊功；沖擊頻率

旋轉(zhuǎn)沖擊是一種有效提高破巖效率和機械鉆速的破巖方式，目前常見的旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具主要分為液動式、風動式和電動式等，在巖土鉆鑿工程中得到廣泛應(yīng)用[1-4]。在石油鉆井中，特別是在中深井鉆井中井下工況惡劣，只有依靠鉆井液水力驅(qū)動的液動式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具得到一定應(yīng)用，但存在深井水功率不足和工具的穩(wěn)定性問題，制約了其進一步推廣。目前，螺桿鉆具具有高效和技術(shù)成熟的特點，螺桿鉆具復合鉆井技術(shù)也廣泛應(yīng)用于深井鉆井提速?；诼輻U復合鉆井技術(shù)與沖擊鉆井技術(shù)相結(jié)合的思路，筆者設(shè)計了一種基于螺桿鉆具驅(qū)動、適合深井鉆井提速的機械式旋沖鉆井工具，建立了沖擊功和沖擊頻率的計算模型，并對關(guān)鍵參數(shù)進行了計算和優(yōu)化。

1 工具基本結(jié)構(gòu)

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。

圖1 旋沖鉆井工具基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of the rotary percussion drilling tool

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(shè)計出改進型等速運動規(guī)律的凸輪輪廓設(shè)計方案。該設(shè)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(shè)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)。

圖2 圓柱凸輪沿基圓展開的輪廓線(2個周期)Fig.2 Expanded outline of the cylindrical cam along the base circle (two cycles)

2 沖擊功與沖擊頻率的計算

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[5-7]，筆者重點研究了旋沖鉆井工具在直井中的單次沖擊功計算模型及其規(guī)律。

2.1 沖擊功的計算

2.1.1 鉆柱軸向形變計算模型

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p1，鉆柱下端被下面旋轉(zhuǎn)凸輪的斜面推動，由最低點上升至最高點時，位移為一個推程h，此時鉆壓增大到p2，整個鉆柱(主要為鉆鋌和鉆桿組成)的整體長度被壓縮ΔL，設(shè)井底為剛性，則ΔL=h(見圖3)。分析該過程中的能量轉(zhuǎn)換可知：

圖3 直井鉆柱受力變形示意Fig.3 Schematic diagram of the deformation of the drill string under stresses in vertical wells

正常鉆井情況下，整個鉆柱均為彈性變形，在鉆柱被上推的過程中，反作用在鉆柱底端的鉆壓由p1增大到p2，鉆柱被壓縮ΔL，機械能轉(zhuǎn)換為鉆柱的勢能，當壓縮被釋放時，該勢能轉(zhuǎn)化鉆頭沖擊地層的沖擊功。為了計算旋沖鉆井工具單次產(chǎn)生的沖擊功，以整個鉆柱為研究對象建立力學模型。

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[8]，由此會在鉆柱內(nèi)部引起內(nèi)應(yīng)力。黃根爐等人[9]對鉆柱在鉆進中的載荷與變形規(guī)律的研究結(jié)果表明：鉆柱軸向變形包括鉆柱有效軸向力、三向等值液壓共同引起的軸向變形和鉆柱失穩(wěn)產(chǎn)生螺旋屈曲時的鉆柱軸向長度變化。鉆柱軸向伸長計算較為復雜，因沖擊器絕大多數(shù)在垂直井中應(yīng)用，筆者僅以二維直井為例討論在鉆柱內(nèi)外液壓相等(均為靜水柱壓力)情況下的復合鉆柱軸向變形問題。由文獻[9]可知，垂直井段由三向等值液壓引起的軸向變形與鉆壓無關(guān)，且正常鉆壓一般不會超過螺旋屈曲臨界壓力，此時螺旋屈曲鉆柱變形為0，因此不需要考慮這2種情況，只需計算直井中鉆柱有效軸向力引起的軸向變形：

(1)

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，m2；E為鉆柱的彈性模量，Pa；L為該段鉆柱長度，m；q為鉆柱在鉆井液中的線重，N/m。

鉆鋌在不同情況下的變形量為：

(2)

(3)

(4)

式中：ΔLc1為鉆鋌位于低端時的壓縮量,m；ΔLc2為鉆鋌位于高端時的壓縮量,m；ΔLc為高、低點鉆鋌變形量之差，m；Ec為鉆鋌的彈性模量,Pa；qc為鉆鋌在鉆井液中的線重,N/m；Ac為鉆鋌橫截面積，m2；Hc為鉆鋌長度，m；Δp為鉆鋌分別在高、低端時的鉆壓差，N。

鉆桿在不同情況下的變形量為：

(5)

(6)

式中：ΔLp1為鉆桿位于低端時的壓縮量,m；ΔLp2為鉆桿位于高端時的壓縮量,m；Ep為鉆桿的彈性模量,Pa；Ap為鉆鋌橫截面積，m2；ΔLp為高、低點鉆桿變形量之差,m。

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：

(8)

式中：h為凸輪推程,m。

由式(8)可得：

(9)

2.1.2 沖擊功計算模型

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p1增加到p2，鉆柱的變形量差值等于鉆柱底端位移差h，這一過程中鉆柱的彈性勢能增加，過最高點后彈性勢能釋放，沖擊凸輪并傳遞給鉆頭及巖石，因此沖錘所釋放的沖擊功可以看成鉆柱壓縮所獲得的動能，也等于推力在鉆柱推高過程中所做的功W(如圖4所示，W等于圖中梯形的面積)。

圖4 沖擊功計算方法示意Fig.4 Schematic diagram for the calculation of percussion power

則沖擊功的計算公式為：

(10)

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：

(11)

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 實例計算及分析

正常鉆進某直井時，鉆柱上部有若干根鉆桿，外徑127.0 mm，內(nèi)徑112.0 mm；鉆柱下部鉆鋌長100 m，外徑165.1 mm，內(nèi)徑71.4 mm。井眼直徑215.9 mm，旋轉(zhuǎn)鉆進鉆壓0～200 kN，凸輪推程為10 mm，已知鉆柱鋼材的彈性模量為206 GPa。

當井深不大于100 m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。

表1 鉆柱全部為鉆鋌時鉆壓差隨井深的變化

Table 1 Changes of Δpwith changes of the well depths suppose the drill collar as the whole drill string

井深/m鉆壓差/kN井深/m鉆壓差/kN103584．460597．4201792．270512．1301194．880448．140896．190398．350716．9100358．4

當井深大于100 m時，鉆柱中鉆鋌長度為100 m，其余為鉆桿，鉆壓差隨鉆桿長度的變化關(guān)系見表2。

表2 鉆柱中鉆鋌長度為100 m時鉆壓差隨井深的變化

Table 2 Changes of Δpwith changes of the well depths when the length of drill collar is 100m

井深/m鉆桿長度/m鉆壓差/kN井深/m鉆桿長度/m鉆壓差/kN11010221．530020026．812020160．340030018．313030125．660050011．214040103．28006008．11505087．610009006．31606076．1120011005．21707067．3140012004．41808060．3160015003．81909054．6180017003．420010049．9200019003．0

從表1和表2可以得出以下規(guī)律：

1) 井深為0～500 m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500 m后逐漸趨于0。

2) 井深在100 m以內(nèi)時，鉆柱全部為鉆鋌，鉆鋌剛性大，若使鉆鋌發(fā)生10 mm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100 m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100 m時，鉆柱下部為100 m鉆鋌，上部為若干根鉆桿，鉆桿剛性相對較小，鉆柱發(fā)生10 mm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100 m的φ127.0 mm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。

圖5 不同鉆壓下沖擊功與鉆柱長度的關(guān)系Fig.5 The relationship between percussion power and the length of drill string under different WOB

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500 m鉆桿后，即鉆柱長度達到600 m以后，沖擊功趨于穩(wěn)定。2)鉆柱中加入500 m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(yīng)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300～450 J[10]。當推程為10 mm、實際鉆壓為40～60 kN時，新型機械式旋沖鉆井工具的沖擊功為400～600 J，完全可以滿足中硬地層破巖需要。

4 樣機測試

為了驗證新型機械式旋沖鉆井工具的機理有效性和設(shè)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100 mm，開泵提高排量至7 L/s,待工作穩(wěn)定后下放鉆具并加鉆壓至40 kN，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5 kN，并記錄以上參數(shù)；加大排量至10 L/s，進行重復測試。測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同排量下最大沖擊力與鉆壓的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between the maximum impact force and WOB at different flow rates

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(shè)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 結(jié) 論

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)化為往復沖擊力，最大沖擊力與鉆壓成線性關(guān)系，間接驗證了沖擊功計算模型的合理性。

4) 建立的沖擊功計算模型適用于螺桿轉(zhuǎn)速不高和直井鉆井的情況，當轉(zhuǎn)速較高時，鉆柱縱向振動特性將影響沖擊功的大??；另外，定向井及水平井中摩阻、扭矩也不能忽略，需要進一步研究這2種情況下的沖擊功計算模型。

[1] 黃仁山.油氣工業(yè)可借鑒的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù),1996,24(4):18-20，64.

HUANG Renshan.The percussion rotary drilling technique that can be learned by oil and gas industry[J].Petroleum Drilling Techniques，1996，24(4)：18-20，64.

[2] 付加勝，李根生，田守嶒，等.液動沖擊鉆井技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].石油機械，2014，42(6)：1-6.

FU Jiasheng，LI Gensheng，TIAN Shouceng，et al.The current development and application of hydraulic percussion drilling technology[J].China Petroleum Machinery，2014，42(6):1-6.

[3] 李廣國，索忠偉，王甲昌，等.射流沖擊器配合PDC鉆頭在超深井中的應(yīng)用[J].石油機械，2013，41(4)：31-34.

LI Guangguo，SUO Zhongwei，WANG Jiachang，et al.Application of jet hammer and PDC bit in superdeep well[J].China Petroleum Machinery，2013，41(4)：31-34.

[4] 劉天科.自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具在勝利油田的應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2012，34(4)：54-56.

LIU Tianke.Application of self-oscillating rotary percussion drilling tools in Shengli Oilfield[J].Oil Drilling & Production Technology，2012，34(4)：54-56.

[5] 蔣宏偉，劉永勝，翟應(yīng)虎，等.旋沖鉆井破巖力學模型的研究[J].石油鉆探技術(shù)，2006，34(1):13-16.JIANG Hongwei，LIU Yongsheng，ZHAI Yinghu，et al．Research on rock-crushing mechanics model in rotary and percussive drilling[J].Petroleum Drilling Techniques，2006，34(1)：13-16.

[6] 閆鐵，李瑋，畢雪亮，等.一種基于破碎比功的巖石破碎效率評價新方法[J].石油學報，2009，30(2)：291-294.

YAN Tie，LI Wei，BI Xueliang，et al.A new evaluation method for rock-crushing efficiency based on crushing work ratio[J].Acta Petrolei Sinica，2009，30(2)：291-294.

[7] 陶興華.液動射流式?jīng)_擊器工作數(shù)學模型的建立[J].石油鉆探技術(shù)，2005，33(1)：44-47.

TAO Xinghua.A mathematic model of hydraulic percussion tool[J].Petroleum Drilling Techniques，2005，33(1):44-47.

[8] 韓志勇.垂直井眼內(nèi)鉆柱的軸向力計算及強度校核[J].石油鉆探技術(shù)，1995，23(增刊1)：8-13，84.

HAN Zhiyong．Study on axial force calculating and strength testing for drilling in vertical holes[J].Petroleum Drilling Techniques，1995，23(supplement 1)：8-13，84.

[9] 黃根爐，韓志勇.設(shè)計井眼中鉆柱軸向變形分析與計算[J].石油鉆探技術(shù)，1999，27(6):4-5.

HUANG Genlu，HAN Zhiyong.Analysis and calculations of axial deformation of drill string in borehole plan[J].Petroleum Drilling Techniques，1999，27(6)：4-5.

[10] 李國華，鮑洪志，陶興華.旋沖鉆井參數(shù)對破巖效率的影響研究[J].石油鉆探技術(shù)，2004，32(2)：4-7.

LI Guohua，BAO Hongzhi，TAO Xinghua.Effects of drilling conditions on crushing rocks while rotary percussion drilling [J].Petroleum Drilling Techniques，2004，32(2)：4-7.

[編輯 滕春鳴]

The Design and Experimental Study of PDM Driven Rotary Percussion Drilling Tool

MA Guangjun1,2,WANG Jiachang2,ZHANG Haiping2

(1.School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (Huadong), Qingdao, Shandong, 266580, China; 2. Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing, 100101, China)

In order to improve the efficiency of rock-breaking in drilling operation, a new type of mechanical rotary percussion drilling tool driven by PDM has been designed, which combined high-speed PDM with high-frequency percussion device. On basis of structural design, a calculation model with single-time percussion power, percussion frequency and other key parameters has been established for vertical wells, and converted into a model calculation and analysis. Calculation results showed that single-time percussion power is only a function of cam stroke and WOB. When the drill string assembly is determined and has a certain length of greater than 500 m, and is composed of drill pipe with the size ofφ127.0 mm, a single percussion power is positively proportional to the WOB, thus the percussion power can be adjusted by changing the WOB. The engineering prototype testing showed that the newly developed tools had a suitable structure, which can make high-speed rotation and high-frequency percussion to the bit that driven by the PDM, it has the potential to further improve its wear resistance.

percussion tool; PDM; rotary percussion drilling; parameter design; percussion power; percussion frequency

2016-03-10；改回日期：2016-05-10。

馬廣軍(1975—)，男，河南新蔡人，1998年畢業(yè)于鄭州工業(yè)大學化工過程機械專業(yè)，2004年獲石油大學(華東)油氣井工程專業(yè)碩士學位，油氣井工程專業(yè)在讀博士研究生，高級工程師，主要從事鉆井工藝技術(shù)方面的研究工作。E-mail：magj.sripe@ sinopec.com。

國家科技重大專項“海相碳酸鹽巖油氣井井筒關(guān)鍵技術(shù)”(編號：2011ZX-05005-006)部分研究內(nèi)容。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201603009

TE242

A

1001-0890(2016)03-0050-05