應用于螺桿鉆具的軸向振動沖擊裝置研制

陳勇吳仲華聶云飛陳忠帥曹小娟李愛星

1.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院；2.中石油華北油田公司

應用于螺桿鉆具的軸向振動沖擊裝置研制

陳勇1吳仲華1聶云飛1陳忠帥1曹小娟2李愛星2

1.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院；2.中石油華北油田公司

基于推力軸承滾動體在特制起伏軌道上滾動產生軸向振動的特性，研制了一種軸向振動沖擊裝置，通過與螺桿馬達集成使用，具有旋沖鉆井和螺桿+轉盤雙驅復合鉆井的技術優點。裝置的推力軸承結構由滾輪、滾輪支架和滾輪軌道組成，該結構分整個鉆柱為軸向振動沖擊部分和受沖擊部分；滾輪軌道上端面均布凸輪齒（齒高9～17 mm），滾輪沿凸輪齒上升面滾動時，抬升鉆柱振動沖擊部分蓄能；滾輪沿凸輪齒下降時，振動沖擊部分鉆柱在鉆壓和自重作用下，由螺桿輸出軸與沖擊傳動軸在接觸面上產生沖擊，兩軸端面間距為沖程（比凸輪齒高度小4 mm）。以3 000 m中深井應用為基本條件，采用彈性桿模擬鉆柱的方法，分析了裝置沖擊功和蓄能扭矩與鉆壓及沖程的關系，給出了沖程和鉆壓的取值范圍，據此試制的樣機，在沖擊性能測試中，沖擊力峰值達到鉆壓的2.2倍，在鉆壓20 kN，泵排量30 L/s條件下，裝置壽命達到80 h。軸向沖擊裝置的研制達到了設計要求，初步具備工程應用的條件。

沖擊器；旋沖鉆井；螺桿馬達；沖擊鉆井系統；轉盤雙驅復合鉆井；沖擊功

隨著油氣資源勘探開發向深部地層的發展，深井和超深井鉆井提速越來越成為現場亟待解決的技術難題［1］。實踐證明，在當前鉆井工藝條件下，旋沖鉆井和螺桿+轉盤雙驅復合鉆井是提高深井和超深井機械鉆速的有效途徑［2-5］。螺桿+轉盤雙驅復合鉆井技術通過優選大功率螺桿和高效PDC鉆頭，采用合理的鉆井參數，以提高井底鉆頭的機械破巖能量和水力能量，從而提高鉆井速度；在旋沖鉆井中，鉆壓保持切削齒與巖石緊密接觸，沖擊載荷使巖石接觸應力瞬時升至極高而產生脆性破壞，沖擊形成的裂隙也有助于巖石進一步被壓碎和旋轉剪切破碎，從而提高破巖效率。為了提高深井和超深井機械鉆速，國內已研發了多種沖擊鉆井工具，有鉆井液水力驅動的脈沖式、射流式和自激振蕩式沖擊器［6-8］等，在深井和超深井鉆進過程中，在良好的機泵條件和鉆具質量條件下都能顯著提高機械鉆速，但是在通常情況下，由于鉆柱屈曲，井眼摩阻大，導致鉆壓加載困難，同時由于水功率不足，均存在單次沖擊功偏小及沖擊性能不穩定等不足，因而在深井和超深井石油鉆井中沒有得到有效的應用。由動力鉆具驅動的彈簧蓄能激發式［9］以及凸輪激發式沖擊鉆井工具［10］，在深井和超深井鉆井過程中能夠有效提高鉆速，但沖擊裝置關鍵部件一直以滑動摩擦方式重載荷運轉，存在部件壽命不長等不足。

基于推力軸承滾動體在特制起伏軌道上滾動產生軸向振動的特性，筆者設計了一種凸輪推力軸承式軸向振動沖擊裝置，通過與特制大扭矩螺桿馬達集成運用，兼具旋沖鉆井和螺桿+轉盤雙驅復合鉆井的技術優點，對裝置的單次沖擊功和蓄能扭矩進行了分析，計算并得出了裝置樣機技術參數，設計組建了沖擊測試裝置，并對樣機進行了沖擊性能測試。

1 技術分析

Technical analysis

1.1 結構特征

Structural characteristics

軸向振動沖擊裝置結構如圖1所示，主要由沖擊旋轉傳輸部分和推力軸承式結構兩部分組成。

圖1 軸向沖擊裝置結構Fig.1 Structure of axial impact device

沖擊旋轉傳輸部分由螺桿輸出軸、沖擊傳動軸、鉆頭接頭等組成，螺桿輸出軸下部是外六方結構，沖擊傳動軸上部中央是內六方結構，兩者滑動套合連接，傳遞螺桿馬達到鉆頭的旋轉動力，螺桿輸出軸下端面與沖擊傳動軸六方孔內端面是沖擊接觸面，其間距為沖程（H=5～13 mm）。

推力軸承式結構部分由凸輪軌道體、滾輪、滾輪支架等組成。凸輪軌道體上端面均布3個連續的凸輪齒，如圖2所示，分抬升工作面和跌落工作面，齒高度為E（9～17 mm），其下端面是牙嵌連接結構，與沖擊傳動軸和鉆頭固定連接；滾輪支架下端面均布3個半圓凹槽，用于保持和支撐3個滾輪，上端面通過牙嵌與推力軸承座及馬達外殼體固定連接；滾輪支架保持3個滾輪在凸輪軌道體上端面滾動，形成能夠軸向往復振動的推力軸承結構。

圖2 軸向沖擊裝置推力軸承式結構及齒形Fig.2 Thrust bearing structure and tooth shape of axial impact device

1.2 工作原理

Operating principle

軸向振動沖擊裝置上端與螺桿馬達的外殼和萬向軸連接，下端與鉆頭連接，與螺桿馬達共同組成具有旋轉振動沖擊功能的動力鉆具。在鉆頭受鉆壓作用時，推動沖擊傳動軸和凸輪軌道體上行，使滾輪與凸輪軌道體緊密接觸，由螺桿輸出軸六方結構輸入的旋轉動力，驅動沖擊傳動軸和凸輪軌道體一起轉動，滾輪在滾輪支架的約束下沿凸輪軌道體上端面滾動。

裝置的推力軸承式結構以滾輪為界，分整個鉆柱為能夠相對運動的振動沖擊部分（圖1中淺紅色）和受沖擊組合（圖1中淺藍色）兩部分，受沖擊鉆柱部分包括沖擊傳動軸、鉆頭接頭和鉆頭，鉆柱其余為振動沖擊部分。當滾輪沿凸輪齒抬升工作面滾動時，抬升整個振動沖擊部分的鉆柱上升，實現沖擊蓄能；當滾輪沿凸輪齒跌落面滾動時，因為沖程比凸輪齒的高度?。? mm），整個振動沖擊部分的鉆柱在鉆壓及自重作用下，在螺桿輸出軸下端面與沖擊傳動軸六方孔內端面接觸處產生沖擊，沖擊經沖擊鉆柱部分加載到地層巖石。當鉆頭所受鉆壓為0時，鉆頭、沖擊傳動軸和滾輪軌道體因重力相對下行，滾輪與凸輪軌道面脫離接觸，在下行距離大于凸輪齒高度的狀況下，沖擊裝置處于防空打狀態。當滾輪、凸輪齒和滾輪支架因摩擦損耗引起尺寸減小，軸向沖擊裝置的蓄能大小和沖擊載荷會隨之衰減，當損耗尺寸大于沖程時，螺桿輸出軸下端面與沖擊傳動軸六方孔內端面始終接觸，此種狀態時，軸向振動沖擊裝置失去振動沖擊功效，但螺桿馬達可繼續使用。

2 技術參數設計

Technical parameter design

2.1 基本條件

Basic conditions

軸向振動沖擊裝置樣機以?215.9 mm井眼3 000 m中深井應用為基本條件，鉆柱組合包括?114.3 mm鉆桿2 800 m，?177.8 mm鉆鋌200 m，配套使用的螺桿馬達頭數為7∶8，排量18.9～37.8 L/ s，工作扭矩為3.8～7.8 kN·m。

2.2 沖擊功與鉆壓計算

Calculation of impact power and weight on bit

軸向振動沖擊裝置在振動沖擊過程中，鉆桿和鉆鋌所組成的鉆柱始終處于彈性范圍，鉆柱振動沖擊部分受力比較復雜，在直井情況下，鉆柱軸向主要受到自重、鉆壓、浮力和循環鉆井液壓耗引起的軸向拉力等力的綜合作用。研究表明，鉆井液浮力和壓耗引起的軸向力對鉆柱軸向力的綜合影響結果，相當于使鉆柱的線重產生變化。因為鉆井液浮力和壓耗引起的軸向力對鉆柱軸向力的綜合影響較小，計算比較復雜，此處只考慮自重和鉆壓對鉆柱振動沖擊的影響。鉆柱振動沖擊部分簡化為一個彈性桿件，模型如圖3所示，圖中K1和K2分別表示鉆桿和鉆鋌的剛度，K表示整個鉆柱的剛度，c位置為鉆柱在重力作用下自然伸長，b位置為鉆柱在重力和鉆壓雙重作用下的伸長位置，a位置為鉆柱在b位置基礎上抬升一個沖程高度后的位置。

圖3 彈性桿模擬鉆柱模型Fig.3 A model simulating drilling strings with elastic beams

根據胡克定律，鉆桿和鉆鋌及鉆柱綜合彈性系數為［11］

式中，K1、K2分別為鉆桿和鉆鋌彈性系數，N/m；E1、E2分別為鉆桿和鉆鋌彈性模量，約為2 .06×1011Pa；A1、A2分別為是鉆桿和鉆鋌截面積，m2；L1、L2分別為鉆桿和鉆鋌長度，m；K為鉆柱綜合彈性系數，N/m。

在模型中，裝置克服鉆壓抬升鉆柱振動沖擊部分一個沖程H所蓄積的能量，等同于單次沖擊所產生的能量大小，即沖擊功。對彈性力和沖程乘積積分，得到沖擊裝置軸向沖擊功［11］

式中，F為鉆柱彈性力，N；&2為鉆柱在鉆壓G作用下的縮短量（b，c位置間距），m；&1為鉆壓和沖程共同導致的縮短量（a，c位置間距），m；r為鉆柱受力狀態下的長度，m；l0為鉆柱自然伸長長度，m。

由式（3），在沖擊功大小和沖程為定值時，對應的鉆壓為

由式（4）計算，在沖擊功和沖程為定值時，在較大井深時（500 m以上）不同井深理論計算的鉆壓變化微小，取不同井深鉆壓的算術平均值作為與沖擊功和沖程對應的鉆壓，得到鉆壓取值與沖擊功和沖程關系，如圖4。

圖4 鉆壓取值與沖擊功和沖程的關系Fig.4 The relationship between weight on bit value &impact power and stroke

2.3 蓄能扭矩計算

Calculation of energy storage torque

軸向沖擊裝置蓄能扭矩用于驅動滾輪沿滾輪軌道體爬升，抬升鉆柱振動沖擊部分一個沖程H，扭矩值大小與鉆壓和沖程相關，該扭矩占用馬達產生的總扭矩，對馬達工作的平順性有直接影響，也是選用馬達和評價沖擊裝置性能的重要參數。滾輪在沿滾輪軌道體爬升過程中，存在滾動和滑動情況，在滑動情況下，滑動摩擦產生的阻力較大，因此，裝置蓄能扭矩的計算采用物體在斜面上滑的模型（圖5）。沖擊裝置蓄能扭矩為

圖5 蓄能扭矩計算模型Fig.5 Energy storage torque calculation model

式中，FX為沖擊裝置扭轉力，N；d為滾輪軌道體工作面平均直徑，取0.125 m；μ為鋼對鋼滑動摩擦系數，取0.15；θ為軌道體工作面螺旋升角，rad；G為鉆壓，N。

由式（5）計算，在沖程和鉆壓一定時，不同井深（井深大于500 m）需要的蓄能扭矩變化微小，取不同井深蓄能扭矩的算術平均值作為與沖程和鉆壓對應的蓄能扭矩，得到沖擊裝置蓄能扭矩取值與鉆壓和沖程關系，如圖6。

圖6 蓄能扭矩取值與鉆壓和沖程的關系Fig.6 The relationship between energy storage torque value &impact power and stroke

2.4 鉆壓和沖程的確定

Determination of weight on bit and stroke

軸向振動沖擊裝置樣機的外徑由所鉆井眼尺寸確定，沖程和鉆壓取值根據計算得到的圖4和圖6選擇得出，選擇方法是根據沖擊功要求確定鉆壓和沖程的取值范圍，再根據蓄能扭矩的限制，具體確定鉆壓和沖程大小。取值原則是在沖擊功一定的條件下盡量選取較小的鉆壓，同時裝置的蓄能扭矩不得超過螺桿工作扭矩的15%。在裝置單次沖擊功約300 J以及蓄能扭矩不超過螺桿工作扭矩的15%的條件下，確定軸向振動沖擊裝置樣機沖程H=13 mm，工作鉆壓20 kN。

3 測試試驗

Testing

3.1 測試裝置

Testing equipments

軸向沖擊裝置測試系統如圖7所示，測試所用鉆井泵額定排量35 L/s，額定泵壓12 MPa，鉆井泵用介質是清水。在模擬井筒內，工具組合從下到上依次為：旋轉接頭+軸向振動沖擊裝置+螺桿馬達+減震器+井口密封及頂驅組合。數據采集系統數據采集頻率為120 Hz。

3.2 測試結果及分析

Testing results and analysis

測試時，緩慢下放鉆具至井底加鉆壓，在泵排量逐步提升到30 L/s后，分別記錄鉆壓在15、20、25 kN時，沖擊裝置產生的沖擊力數據、泵壓變化和馬達運轉情況，并根據數據采集系統繪制的沖擊力曲線，確定沖擊頻率和螺桿轉速，所得試驗數據如表1。

圖7 沖擊測試裝置系統圖Fig.7 Impact testing equipment system

表1 沖擊力測試數據Table 1 Impact testing datas

表1數據表明，不同鉆壓條件下產生的沖擊力大約是鉆壓的2.2倍左右；泵壓在沖擊過程中有一定的波動范圍，隨著鉆壓的升高，泵壓值也有一定程度的提高，這是由于在工作過程中，蓄能扭矩在0到最大值之間變化，占用螺桿馬達的工作扭矩也在0到最大值之間變化，并且隨著鉆壓的升高，蓄能扭矩最大值也有相應增加，導致泵壓升高；螺桿馬達在鉆壓較低時（15 kN、20 kN）運轉平穩，轉速正常，試驗中鉆具組合表現為周向輕微振動，在鉆壓達到25 kN時，馬達轉速低于正常工作范圍，試驗中鉆具組合表現為周向頓挫，工具振動沖擊不平穩。

圖8所示為在鉆壓20 kN和排量30 L/s條件下數據采集系統繪制的沖擊力曲線，圖中縱坐標為沖擊力大小，橫坐標為采集數據順序（每秒120個數據）。由沖擊力曲線可知，軸向沖擊裝置以穩定的頻率產生沖擊，表明振動沖擊裝置工作平穩，沖擊力峰值達到鉆壓的2.2倍左右，并且單次沖擊力峰值呈正弦曲線規律變化，這是由于試驗工具串中減震器剛度偏小所致，在實際應用中，鉆桿剛度遠大于此，沖擊力峰值波動微小。

圖8 鉆壓20 kN、排量30 L/s下的沖擊力曲線Fig.8 Impact curve in the conditions of weight on bit of 20 kN and pumping rate of 30 L/s

壽命測試是在鉆壓20 kN和排量30 L/s條件下，連續開泵直到沖擊力衰減到最大沖擊力20%以下，軸向沖擊裝置壽命達到80 h，在振動沖擊裝置不再振動后，對沖擊裝置拆解檢查，發現裝置的滾輪軌道體凸輪齒全部磨平，滾輪直徑磨損15%，其他零部件正常。

測試結果表明，軸向振動沖擊裝置的沖擊機理合理，樣機的技術參數正確有效，裝置的性能達到了設計的要求，基本具備工程應用的條件。

4 結論與建議

Conclusionsand suggestions

（1）基于推力軸承滾動體在特制起伏軌道上滾動產生軸向振動的特性，研制了凸輪推力軸承式軸向振動沖擊裝置，通過與螺桿馬達集成，組成具有旋轉振動沖擊功能的鉆井工具，為深井超深井鉆井提速提供了新的技術選擇。

（2）通過對裝置樣機的測試，驗證了軸向沖擊裝置工作機理的有效性和樣機技術參數設計的合理性，裝置的研制達到了設計的要求，初步具備工程應用條件。

（3）軸向振動沖擊裝置的抗磨損能力和使用壽命要進一步改善，在推力軸承式結構的材質選用和加工處理方面需要加強研究，以提高其抗磨和抗沖擊性能，以取得更好的沖擊性能和更長的使用壽命。

References:

［1］喬領良.“NEW-DRILL”提速新工具在元壩氣田的應用［J］.石油鉆采工藝，2016，38（1）：15-17.QIAO Lingliang.Application of new accelerating tool NEW-DRILL in Yuanba Gas Field［J］.Oil Drilling &Production Technology,2016,38 （1）: 15-17.

［2］張金成，張東清，張新軍.元壩地區超深井鉆井提速難點與技術對策［J］.石油鉆探技術，2011，39（6）：7-9.ZHANG Jincheng,ZHANG Dongqing,ZHANG Xinjun.Difficulties of improving rate of penetration and its technical solutions in Yuanba area［J］.Petroleum Drilling Techniques,2011,39（6）: 7-9.

［3］王海濤，張偉，王國斌，甘仁忠，李君，張雪飛.準噶爾盆地環瑪湖凹陷鉆井提速技術［J］.石油鉆采工藝，2014，36（4）：31-33.WANG Haitao,ZHANG Wei,WANG Guobin,GAN Renzhpng,LI Jun,ZHANG Xuefei.ROP enhancing technology for circum-mahu lake depression in Junggar Basin［J］.Oil Drilling &Production Technology,2014,36（4）: 31-33

［4］索忠偉，王甲昌，張海平，李廣國，張仁龍，敬輝陽.旋沖鉆井在塔河工區超深井段的應用［J］.石油鉆采工藝，2013，35（4）：45-46.SUO Zhongwei,WANG Jiachang,ZHANG Haiping,LI Guangguo,ZHANG Renlong,JING Huiyang.Application of rotary percussion drilling on the super deep section in Tahe Field［J］.Oil Drilling &Production Technology,2013,35（4）: 45-46.

［5］秦曉慶，劉偉，李麗，王超，潘登雷.旋沖鉆井技術在川西硬地層的應用［J］.斷塊油氣田，2013，20（4）：506-507.QIN Xiaoqing,LIU wei,LI Li,WANG Chao,PAN Denglei.Application of rotary percussion drilling technology in hard formation of Western Sichuan［J］.Fault-Block Oil &Gas Field,2013,20 （4）: 506-507.

［6］雷鵬，倪紅堅，王瑞和，蔣金寶，宋維強.自激振蕩式旋沖工具在深井超深井中的試驗應用［J］.石油鉆探技術，2013，41（6）：41-43.LEI Peng,NI Hongjian,WANG Ruihe,JIANG Jinbao,SONG Weiqiang.Field test of self-excited vibration rotary percussion drilling tool in deep and ultra-deep wells［J］.Production Oil Drilling &Technology,2013,41（6）: 41-43.

［7］李廣國，索忠偉，王甲昌，高長斌，張仁龍.射流沖擊器配合PDC鉆頭在超深井中的應用［J］.石油機械，2013，41（4）：31-34.LI Guangguo,SUO Zhongwei,WANG Jiachang,GAO Changbin,ZHANG Renlong.Application of jet hammer and pdc bit in superdeep well［J］.China Petroleum Machinery,2013,41 （4）: 31-34.

［8］李瑋，紀照生，王琪琪，趙增偉，劉婉瑩.NPJ-1型高效破巖脈沖射流軸向沖擊器研制［J］.石油礦場機械，2015，44（8）：53-55.LI Wei,JI Zhaosheng,WANG Qiqi,ZHAO Zengwei,LIU Wanying.Development of efficient pulse jet axia impactor［J］.Oil Field Equipment,2015,44 （8）: 53-55.

［9］玄令超，管志川，張會增，劉永旺.彈簧蓄能激發式旋轉沖擊鉆井裝置的研制［J］.石油機械，2015，43（11）：18-20.XUAN Lingchao,GUAN Zhichuan,ZHANG Huizeng,LIU Yongwang.Percussive-rotary drilling tool with spring accumulating collision［J］.China Petroleum Machinery,2015,43 （11）: 18-20.

［10］馬廣軍，張海平，王甲昌.螺桿驅動旋沖鉆井工具設計及實驗研究［J］.石油鉆探技術，2016，44（3）：51-54.MA Guangjun,ZHANG Haiping,WANG Jiachang.The design and experimental study of pdm driven rotary percussion drilling tool［J］.Petroleum Drilling Techniques,2016,44 （3）: 51-54.

［11］劉鴻文.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，1993.LIU Hongwen.Mechanics of materials［M］.Beijing: Higher Education Press,1993.

（修改稿收到日期 2016-12-17）

〔編輯 朱 偉〕

Development of axial vibration impact device used for screw drill

CHEN Yong1,WU Zhonghua1,NIE Yunfei1,CHEN Zhongshuai1,CAO Xiaojuan2,LI Aixing2
1.Drilling Technology Research Institute,SINOPEC Shengli Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Dongying257000,Shandong,China
2.CNPC Huabei Oilfield Company,Renqiu062552,Hebei,China

Axial vibration will occur when a rolling element of thrust bearing rolls on a purpose-built relief track.Based on this property,a kind of axial vibration impact device was developed in this paper.When it is integrated with a screw motor,the technical characteristics of rotary percussion drilling and screw drill + double-table-drive composite drilling are presented.Its thrust bearing is structurally composed of roller,roller bracket and roller track,and this structure divides the whole drilling string into two parts,i.e.,axial vibration impact and part and target part.Cam teeth (tooth height 9-17 mm) are distributed uniformly on the upper end face of roller track.When a roller rolls along the ascending surfaces of cam teeth,energy is stored at the vibration impact areas of ascending string.When the roller falls along cam teeth,impact is generated at the contact surface by the vibration impact area of drilling string via a screw output shaft and an impact drive shaft due to the effect of weight on bit and its self-weight,and the spacing between two end faces of shaft is defined as the stroke (4 mm shorter than the height of cam tooth).Based on the basic application conditions of 3 000 m mid-deep wells,the relationships of the impact power and energy storage torque of the device vs.weight on bit and stroke were analyzed by simulating drilling strings with elastic beams,and the ranges of stroke and weight on bit were provided.And accordingly,a prototype was experimentally developed and its impact property was tested.It is shown that when the peak impact is 2.2 times the weight on bit,the service life of this device can reach 80 h in the conditions of weight on bit of 20 kN and pumping rate of 30 L/s.It is indicated that the development of this axial impact device meets the design requirements and preliminarily satisfies the engineering application conditions.

impactor;rotary percussion drilling;screw motor;percussion drilling system;double-table-drive composite drilling;impact energy

陳勇，吳仲華，聶云飛，陳忠帥，曹小娟，李愛星.應用于螺桿鉆具的軸向振動沖擊裝置研制［J］.石油鉆采工藝，2017，39（2）：212-217.

TE921.2

：B

1000-7393（2017）02-0212-06

10.13639/j.odpt.2017.02.016

: CHEN Yong,WU Zhonghua,NIE Yunfei,CHEN Zhongshuai,CAO Xiaojuan,LI Aixing.Development of axial vibration impact device used for screw drill［J］.Oil Drilling &Production Technology,2017,39(2): 212-217.

國家科技重大專項 “準噶爾盆地碎屑巖層系油氣富集規律與勘探評價”（編號：2016ZX05002-002）。

陳勇（1976-），1998年畢業于西安石油學院機械設計及制造專業，現從事鉆井工具方面的研究工作。通訊地址：（257000）山東省東營市東營區北一路827號。E-mail：chenyong705.slyt@sinopec.com