陳英杰，樊 軍，董 平，劉福德

（新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830047）

1 引言

石油資源對經(jīng)濟發(fā)展和國家安全舉足輕重，伴隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，石油資源已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。隨著對油井的開發(fā)，深井、超深井以及所遇到的硬質(zhì)地層越來越多。鉆頭的破巖效率隨著巖石強度的增加而不斷的降低，此時常規(guī)沖旋鉆井技術(shù)表現(xiàn)差強人意。為了解決上述的鉆井問題，目前國內(nèi)的主流解決辦法是給鉆頭施加一個額外的垂直撞擊作用，但是這種方法容易導致粘滑振動現(xiàn)象加劇。而粘滑振動是造成各種鉆井問題（如：過度的鉆頭磨損、早期鉆具失效及鉆頭破巖效率低下等）的一個主要原因。廣大國內(nèi)外科研人員針對這一問題開展了許多研究，如文獻[1]借助計算機詳細分析描述了鉆桿在粘滑振動時的狀態(tài)特征；文獻[2]對鉆頭的工作過程進行了數(shù)字化建模，分析了鉆頭轉(zhuǎn)速與鉆頭處扭矩之間的關(guān)系；文獻[3-4]對鉆桿在大位移井中的粘滑振動現(xiàn)象進行了研究；文獻[5-6]對沖擊地層中出現(xiàn)的粘滑失穩(wěn)現(xiàn)象的原因進行了詳細的分析，通過研究表明旋轉(zhuǎn)和水平?jīng)_擊相結(jié)合的鉆井方法可有效地避免粘滑振動問題。Ulterra公司的TorkBuster沖擊器可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和水平?jīng)_擊相結(jié)合的鉆井方法，但是該沖擊器的工作原理及運動特性尚未公開。因此對水平往返沖擊的工作原理和運動特性的研究對于我國水平扭力沖擊器的研究和設(shè)計有重大的意義。

文獻[7]建立了液動射流式?jīng)_擊器活塞運動過程的數(shù)學模型。文獻[8]建立了液動錘內(nèi)部動力學過程的數(shù)學模型并進行了仿真分析。文獻[9]在建立動力學模型的基礎(chǔ)之上研究了沖擊器的工作狀態(tài)。文獻[10]運用流體力學理論建立了液動沖擊器工作動力學模型。文獻[11]對射流式液動錘高壓腔內(nèi)部液體動力過程進行研究文獻[12]對沖旋鉆井過程中波形與能量傳遞效率之間的關(guān)系進行了分析。近年來對鉆井輔助裝置的研究一直在持續(xù)進行，但是針對技術(shù)更為先進，鉆井效率更高的水平扭力沖擊裝置所開展的研究比較少見。

提出了利用鉆井液進行自循環(huán)水平往返沖擊運動的工作原理。并在水平往返沖擊運動的不同階段，進行運動和受力分析，求出了自循環(huán)水平往返沖擊運動的一般數(shù)學表達式，建立了啟動與往返運動的動力學模型?；谠撃Ｐ头抡嬗嬎愕玫搅送禌_擊模型各運動部件加速度、速度、位移在不同工作壓力下隨時間的變化曲線。通過建立室內(nèi)實驗環(huán)境進行室內(nèi)沖擊器試驗，獲得了壓力與沖擊部件速度、位移之間的關(guān)系數(shù)據(jù)，與計算仿真結(jié)果進行吻合較好，證明了研究的正確性和合理性，為改進和設(shè)計水平旋沖射流沖擊器提供了理論根據(jù)。

2 結(jié)構(gòu)及工作原理

自循環(huán)水平往返水平?jīng)_擊的動力來自鉆井液，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示射流孔與射流發(fā)生器（簡圖中沒有顯示）鏈接。模型運動可以作以下劃分；假設(shè)模型初始狀態(tài)，如圖1所示。則工作介質(zhì)經(jīng)高壓孔進入啟動倉8右側(cè)空腔，推動啟動倉8向右運動，直至撞擊液動錘7此時狀態(tài)，如圖1（b）所示，該階段稱為啟動階段。爾后啟動倉8及液動錘7一起向右運動，行程末端擠壓錘座右側(cè)空腔內(nèi)的鉆井液，迫使鉆井液進入射流元件，并使射流元件產(chǎn)生穩(wěn)定的附壁，此時狀態(tài)，如圖1（c）所示，該階段稱為沖擊階段。由于射流元件的附壁效應，使其產(chǎn)生反方向的高壓射流，迫使工作介質(zhì)驅(qū)動液動錘反向運動，與此同時，通過高壓孔的鉆井液驅(qū)動啟動倉8同步反向移動，此時狀態(tài)，如圖1（d）所示，該階段稱為撞擊工作階段。此時射流介入，繼續(xù)運動重新回到圖1（a）所示的狀態(tài)。該工作模型除去液動塊與啟動倉外無其他運動部件，沒有彈簧、配水閥等易損零件，充分保證該模型的使用壽命。

3 受力及動力學分析

3.1啟動階段

啟動階段的運動過程，如圖2所示。啟動倉右腔受到的工作壓力p1沿程壓力損失ΔP1表示為：

式中：p—泵壓，Pa；Δp—壓力損失（包含沿程壓力損失與局部壓力

式中：S1—高壓入口橫截面積，m2；A2—啟動倉右腔受力面積，m2；γ—流體的重度，N/m3；g—重力加速度，N/kg；A1—為啟動倉左腔受力面積，m2；S2—泄流道橫截面積，m2；v1—啟動倉瞬時速度，m/s；ζ—泄流道處的局部壓力損失系數(shù)。摩擦阻力（僅計算的密封阻力其他省略）和粘性阻力分別為：

式中：A0—啟動錘密封圈工作面積，m2；μ0—啟動錘密封阻力系數(shù)；p0—啟動錘密封圈工作壓力，Pa；S0—啟動錘密封面積，m2；μ—流體的絕對黏度，Pa·s；r—啟動錘與啟動倉之間的密封間隙，mm。

動力方程：

運動方程：

位移方程：

式中：m1—啟動倉質(zhì)量，kg。

若記v2為啟動倉撞上液動錘瞬間的速度則由于下右空腔有高壓流體的存在則啟動倉與液動錘以共同的速度v3向右移動，則可以近似的根據(jù)動量守恒進行求解：

3.2 沖擊階段

在液動錘與啟動倉二者以共速向右移過程中的受力分析如下：

摩擦阻力（僅考慮密封摩擦其他忽略）、水墊阻力和粘性阻力分別為：

式中：A1—液動錘密封圈工作面積，m2；μ1—液動錘密封圈摩擦系數(shù)；p1—液動錘密封圈工作壓力，Pa；A4—液動錘右側(cè)受力面積，m2；S3—射流入口水斷流面積，m2；v4—液動錘的瞬時移動速度，m/s；ζ1—射流入口處的局部壓力損失系數(shù)；S4—液動錘密封面積，m2；r1—液動錘與密封腔之間的間隙，mm。

動力方程：

運動方程：

位移方程：

式中：m2—液動錘質(zhì)量，kg。

若記液動錘撞上錘座的瞬間的速度為v5，則撞上錘座立即回彈一般回彈時間只有零點幾毫秒，對液動錘的撞擊頻率影響不大，可以省略。回彈速度的計算：

式中：m3—錘座質(zhì)量，kg；k—回彈系數(shù)。

3.3 連續(xù)工作階段

液動錘撞擊錘座之后會有一股高壓水進入射流發(fā)生器，入口壓力p1的計算可以參考文獻[8]該過程受力分析如下：

摩擦阻力：計算參考公式（11），水墊阻力：計算參考公式（12），粘性阻力：計算參考公式（13）。

動力方程：

運動方程：

位移方程：

4 仿真

imulink作為Matlab的最主要的模塊之一，能夠完成動態(tài)系統(tǒng)建模，仿真與分析。被廣泛的運用于線性及非線性系統(tǒng)，數(shù)字控制及信號處理的建模和仿真中。

4.1 仿真假設(shè)

水平往返沖擊模型是一個復雜的液壓系統(tǒng)和機械系統(tǒng)，在建模仿真時作如下假設(shè)：（1）在水平往返沖擊模塊的各個工作階段內(nèi)，動力源能夠提供穩(wěn)定的油壓；（2）油路的長度效應忽略不計；（3）忽略工作介質(zhì)的工作過程中的粘度變化；（4）模型各部件間的相互移動關(guān)系，用開關(guān)量進行替換；（5）忽略沖擊模塊內(nèi)部的工作介質(zhì)的質(zhì)量；（6）忽略沖擊模塊在工作過程中工作介質(zhì)的泄露；（7）液壓沖擊器所有部件都是絕對剛體。設(shè)定參數(shù)如下：ρ—流體密度；d—管道內(nèi)徑；l—流程長度；Δ—管道粗糙度；v—流體運動粘性系數(shù)；S1—高壓入口橫截面積；A2—啟動倉右腔受力面積；γ—流體的重度；g—重力加速度；A1—啟動倉左腔受力面積；S2—泄流道橫截面積；ζ—泄流道處的局部壓力損失系數(shù)；A0—啟動倉密封圈工作面積；μ0—啟動倉密封阻力系數(shù)；p0—啟動倉密封圈工作壓力；S0—啟動倉密封面積；μ—流體的絕對黏度；r—啟動錘與啟動倉之間的密封間隙；m1—啟動倉質(zhì)量；A1—液動錘密封圈工作面積；μ1—液動錘密封圈摩擦系數(shù)；A4—液動錘右側(cè)受力面積；S3—射流入口水斷流面積；ζ1—射流入口處的局部壓力損失系數(shù)。

4.2 仿真思路

啟動倉與液動錘的實際運動是變加速運動，但是在仿真步長內(nèi)可以視為勻加速運動，計算機按照時間順序計算逐個步長內(nèi)液動錘與啟動倉的動力學參數(shù)。從而求解出水平?jīng)_擊模型的動力學方程。

5 實驗

5.1 實驗目的

為了驗證了所建立的計算模型的正確性，故進行實驗研究，建立了水平往返沖擊模型的實驗系統(tǒng)。

5.2 實驗系統(tǒng)的組成

試驗系統(tǒng)所用器材型號，如表1所示。該系統(tǒng)能夠在不同系統(tǒng)供油壓力條件下，實現(xiàn)沖擊模型運動特征數(shù)據(jù)采集。

表1 實驗器材型號Tab.1 Model of Experimental Equipment

5.3 實驗方案

水平?jīng)_擊模型高壓腔的壓力借助節(jié)流閥控制，系統(tǒng)的供油壓力借助溢流閥控制，以滿足水平?jīng)_擊實驗系統(tǒng)對不同的工作狀態(tài)的要求。使用壓電式加速度傳感器對水平?jīng)_擊模型液動錘橫向振動信號進行采集，設(shè)定一定的采樣頻率。將采集的加速度數(shù)據(jù)經(jīng)過處理可以得到速度信號及位移信號，探究水平?jīng)_擊模型中液動錘與啟動倉的運動特征。實驗過程與實驗模型，如圖2所示。

圖2 實驗過程與實驗模型Fig.2 Experimental Process and Experimental Model

5.4 實驗與仿真結(jié)果對比

啟動倉實驗和仿真結(jié)果對比、液動錘實驗和仿真結(jié)果對比，如圖3、圖4所示。

圖3 啟動倉實驗和仿真結(jié)果對比Fig.3 Comparison of Experimental Results and Simulation Results of Starting Bin

圖4 液動錘實驗和仿真結(jié)果對比Fig.4 Comparison of Experimental Results and Simulation Results of Hydraulic Hammer

5.5 實驗與仿真結(jié)果分析

實驗獲取的動力學曲線跳動明顯，原因在于仿真過程無法模擬水擊壓力的多次反射及衰減過程、管長效應、液壓泵的提供壓力的隨機波動及各種實驗過程中的不可控因素對實驗結(jié)果造成的影響，該現(xiàn)象目前尚無有效的解決辦法。

6 結(jié)論

（1）通過液動錘動力學仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)二者總體變化趨勢基本相同，驗證了模型的可行性及計算模型可靠性。（2）實驗過程中發(fā)現(xiàn)高壓接口的輸入壓力與射流發(fā)生器的入口壓力需要滿足一定的比值范圍模型才能正常工作，隨著兩個接口壓力不斷增加該比值范圍也會隨之變化，高壓接口壓力與啟動倉及液動錘質(zhì)量及二者的位移行程幾個參數(shù)之間存在一定的匹配關(guān)系，該匹配關(guān)系及其最優(yōu)解需要進一步的研究，進一步的模擬需要考慮水擊現(xiàn)象、管長效應、工作介質(zhì)泄露和多相流體介質(zhì)等因素。（3）啟動倉必不可少，只有接入啟動倉的高壓接口壓力取值滿足一定的條件才能為射流發(fā)生器產(chǎn)生穩(wěn)定的附壁提供所需的初始壓差，而在水平?jīng)_擊模型正常的工作周期內(nèi)，啟動倉大多處于液壓錘的被動驅(qū)動狀態(tài)。并且啟動倉的作用還在于為水平?jīng)_擊模型由于某種未知原因出現(xiàn)“假死”現(xiàn)象時提供二次啟動動力。