沖擊螺桿鉆具結構設計與參數優化

姜華 李軍 張鵬翔 汪偉 查春青

為了高效鉆進硬巖地層，將螺桿鉆具的大扭矩與軸向沖擊工具的高頻低幅沖擊特性相結合，研制了一種沖擊螺桿鉆具。在工具結構原理討論的基礎上，建立了軸向沖擊短節的沖錘運動控制方程，分析了沖錘的運動特性，并以工具沖擊功和最大能量利用率為評價指標，采用正交試驗方法對主要工具結構參數進行了優化研究。研究結果表明：沖錘往復運動過程為加速度逐漸減小的非線性加速運動，節流噴嘴直徑和沖錘運動行程是影響沖擊功的主要因素，而沖錘質量、承壓面積和腔體通孔面積是次要因素。節流噴嘴直徑和沖錘承壓面積是影響最大能量利用率的主要因素；而沖錘運動行程、沖錘質量和腔體通孔面積是次要因素。所得結論可為對沖擊螺桿鉆具的進一步優化設計和現場應用提供參考。

沖擊螺桿鉆具；運動特性；正交試驗；沖擊功；最大能量利用率

Structural Design and Parameter Optimization of Percussion PDM Drill

In order to efficiently drill into hard rock formations，a percussion PDM drill was developed by combining the high torque of PDM drill with the high frequency and low amplitude impact property of axial percussion tool.On the basis of discussing the principle of tool structure，a motion control equation for the demolition hammer of axial percussion pup joint was established to analyze the motion characteristics of the demolition hammer.Then，taking the ballistic work and maximum energy utilization ratio as evaluation indicators，the orthogonal test method was used to conduct optimization research on the main tool structure parameters.The research results show that the reciprocation of the demolition hammer is a nonlinear accelerated motion with gradually decreasing acceleration.The diameter of the throttle nozzle and the stroke of the demolition hammer motion are the main factors affecting the ballistic work，while the mass and bearing area of the demolition hammer and the through-hole area of the cavity are minor factors.The diameter of the throttle nozzle and the bearing area of the demolition hammer are the main factors affecting the maximum energy utilization ratio，while the stroke of the demolition hammer motion，the mass of the demolition hammer and the through-hole of the cavity are minor factors.The conclusions provide reference for further optimization design and field application of percussion PDM drill.

percussion PDM drill tool；motion characteristic；orthogonal test；ballistic work；maximum energy utilization ratio

0 引 言

深層油氣藏是我國油氣勘探開發的重要接續區，然而，由于深部地層巖石強度較高、可鉆性較差，導致深層鉆井巖石破碎效率和機械鉆速均大幅降低［1-3］。如何提高深部地層的機械鉆速、降低鉆井成本成為目前技術攻關的重難點。工程實踐表明，在當前鉆井工藝水平下，井下動力鉆具與沖擊鉆井技術相結合是深部地層提速的有效途徑［4-5］。螺桿馬達具有功率大、性能穩定、工作壽命長的特點，廣泛應用于鉆井作業［6-7］。沖擊鉆井技術能夠為鉆頭提供額外的沖擊能量，是提高硬地層破巖效率的有效方法之一［8-9］。將大功率螺桿馬達與沖擊鉆具相配合，能夠同時為鉆頭提供大扭矩和沖擊動載，降低巖石抵抗破碎能力，有助于巖石被旋轉剪切破碎，從而有效提高深部地層的機械鉆速［10］?，F場應用也表明沖擊螺桿鉆具在深井硬地層中具有明顯提速效果［11-12］。張海平［12］、甘心等［13］提出，機械式旋沖螺桿通過凸輪與滾輪相配合，依靠鉆柱重力勢能產生沖擊載荷，能夠提供低頻高幅的軸線沖擊載荷。王四一等［14］、王勇軍等［15］設計的沖擊螺桿采用凸輪沖錘與彈簧相配合，依靠彈簧蓄能推動沖錘產生沖擊載荷，能夠提供穩定的沖擊力。但以上沖擊螺桿工具存在結構復雜、凸輪沖擊機構易磨損、工具壽命較短的問題。于洋等［16］應用的旋沖螺桿鉆具采用自激振蕩腔產生軸向沖擊載荷，但該工具的軸向壓力波動對鉆井液性質要求較高。

針對目前存在的技術問題，筆者設計了一種新型沖擊螺桿鉆具，利用高壓鉆井液推動沖錘產生軸向沖擊載荷。該工具兼具螺桿馬達和沖擊鉆井工具的優點，在螺桿+轉盤復合鉆井的同時，為鉆頭提供高頻低幅的沖擊載荷，以提高破巖效率。通過對工具結構的優化設計和性能參數的計算分析，以期為深部硬地層增速提效提供有效的技術手段。

1 技術分析

1.1 工具結構

沖擊螺桿鉆具是在螺桿傳動軸下端增加軸向沖擊短節形成的一種井下提速工具，其結構示意圖如圖1所示。

由圖1可知，軸向沖擊短節主要由葉輪轉筒、換向筒、軸向沖錘、節流噴嘴以及下接頭組成。軸向沖擊短節安裝在在螺桿鉆具傳動軸內部，下接頭與鉆頭相連接。

1.2 工作原理

鉆進過程中，螺桿傳動軸中心孔內的高壓鉆井液流入軸向沖擊短節，驅動葉輪轉筒連續轉動。葉輪轉筒的連續轉動使得沖錘上、下腔體與工具內部的高、低壓流道交替連通，周期性改變作用在沖錘端面的壓差力方向，驅動沖錘沿軸向往復運動。在正向沖擊階段產生的沖擊載荷傳遞至鉆頭，輔助提高鉆頭破巖效率。軸向沖擊短節利用葉輪旋轉配流以實現沖錘換向動作，沖擊頻率可通過改變葉輪轉速調節。工具整體結構簡單，沖擊短節長度較短，對螺桿鉆具的定向作業影響較小。

1.3 主要技術參數

設計的沖擊螺桿鉆具的主要技術參數如表1所示。

2 沖錘運動特性分析

2.1 沖錘運動控制方程

沖錘往復運動與鉆頭座碰撞產生周期性沖擊載荷，分析沖錘的運動特性能夠為工具結構參數和沖擊性能的優化設計提供依據。由于沖錘流道為對稱結構設計，沖錘在正向與反向沖擊階段的鉆井液流動過程一致，以換向筒單側沖錘回程運動階段的鉆井液流動過程為例進行分析。圖2為沖錘回程階段的鉆井液流動示意圖。

由圖2可知，總流量為Q1的高壓鉆井液進入工具的中心流道后，一部分通過換向筒側壁上腔體通孔進入沖錘一側的高壓腔，剩余部分經由工具內部的節流噴嘴產生壓降。鉆井液作用在沖錘端面的壓差Δpc為：

Δpc=pH-pL=Δpp-2Δpk（1）

式中：pH為沖錘高壓腔壓力，Pa；pL為沖錘低壓腔壓力，Pa；Δpp和Δpk分別為鉆井液流經節流噴嘴和腔體通孔形成的壓差，Pa。

鉆井液通過節流噴嘴和腔體通孔處形成的壓差一般計算表達式為：

式中：ρ為鉆井液密度，kg/m3；Q2和Q3分別為進入節流噴嘴和高壓腔的流量，L/s；Ap和Ak分別為節流噴嘴和腔體通孔面積，m2；ξ為壓耗系數，一般取0.8～1.1。

進入高壓腔的流量與沖錘運動速度相關，其表達式為：

Q3=vcAc（4）

式中：vc為沖錘運動速度，m/s；Ac為沖錘端面承壓面積，m2。

由牛頓第二定律，綜合式（1）～式（4），得到正向沖擊階段和反向復位階段內沖錘的運動方程：

式中：Mc為沖錘質量，kg；ac為沖錘的瞬時加速度，m/s2。

2.2 沖錘運動規律分析

根據式（5）的沖錘運動數學模型，基于有限差分原理，利用Matlab編制模擬計算程序，對所設計的軸向沖擊工具進行沖錘運動的迭代計算。分析采用的工具結構參數為：節流噴嘴直徑20 mm，沖錘運動行程40 mm，沖錘質量20 kg，承壓面外徑115 mm，承壓面內徑95 mm，腔體通孔面積400 mm2。水力參數為：鉆井液排量30 L/s，鉆井液密度1.2 g/cm3。計算得到在正向沖擊階段，沖錘速度隨位移的變化曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，沖錘速度隨運動時間的延長而升高，但曲線斜率逐漸減小，沖錘運動為加速度減小的非線性加速運動。沖錘加速度減小的主要原因是隨著沖錘運動速度升高，進入腔體的高壓鉆井液瞬時流量Q3增大，葉輪轉筒內流經節流噴嘴處的流量Q2減小，從而導致鉆井液流經噴嘴時形成的壓差降低。與此同時，腔體通孔產生的壓降隨瞬時流量的增大而增大，導致作用在沖錘兩端的壓差力逐漸減小。

3 參數優化設計

3.1 工具沖擊參數

在水力參數、工具結構參數給定條件下，根據沖錘運動特性的分析，得到沖錘在正向沖擊階段的末速度和運動時間，進而計算用于評價軸向沖擊鉆井工具性能的沖擊參數，主要包括沖錘沖擊功和最大能量利用率，具體表達式為：

式中：Ec為沖錘沖擊功，J；ve為沖擊末速度，m/s；η為最大能量利用率；fc為固有沖擊頻率，Hz；Ptotal為總輸入功率，W。

3.2 結構參數對沖擊性能的影響

從沖錘運動特性分析可知，影響沖擊性能的結構參數涉及節流噴嘴直徑、運動行程、沖錘質量、承壓面積和腔體通孔面積5個單因素。其中承壓面積與承壓面內外徑尺寸相關，分析時保持承壓面內徑尺寸不變，僅改變承壓面外徑尺寸。計算得到各結構參數對工具沖擊性能的影響規律如圖4所示。

由圖4可知：隨著節流噴嘴直徑的增加，工具沖擊功和最大能量利用效率均會逐漸減??；隨著沖錘質量、腔體通孔面積的增加，工具沖擊功和最大能量利用效率逐漸增大;當節流噴嘴直徑增加、腔體通孔面積的減小時，噴嘴產生的節流增壓效果減弱，流經通孔產生的壓力損失增大，導致鉆井液作用在沖錘端面的壓差力減小，從而引起沖擊功的減小，最大能量利用率隨之減小。在相同作用壓差和運動行程條件下，沖錘沖擊速度和沖擊頻率均隨質量的增大而減小;但在較小的沖錘質量變化范圍內，沖錘沖擊速度和頻率的減小幅度小于沖錘質量的增大幅度，因此沖擊功和最大能量利用效率仍隨沖錘質量的增大而增大。

隨著運動行程的增大，工具沖擊功逐漸增大，而最大能量利用效率則呈現相反的變化規律。在相同作用壓差條件下，沖錘受鉆井液驅動的作用時間隨運動行程的增大而延長，沖錘的沖擊速度隨之增加，從而提高工具沖擊功；隨著沖錘運動時間的延長，鉆井液流經換向筒上腔體通孔的能量損耗也相應增大，導致最大能量利用率降低。

隨著沖錘承壓面外徑的增大，工具沖擊功和最大能量利用效率均呈先增大后減小的變化趨勢，即承壓面積存在最優值。當沖錘承壓面面積在一定范圍增大時，能夠增大鉆井液作用在沖錘端面的壓差力，從而增大沖擊功和最大能量利用率；隨著沖錘承壓面面積的繼續增大，進入高壓腔的流量增大，流入節流噴嘴的流量隨之減小，導致噴嘴產生的節流增壓效果減弱，從而會對沖擊功和最大能量利用率產生負面影響。

3.3 多因素變化對沖擊性能的影響

單因素分析能夠研究各結構參數對工具沖擊性能的影響規律，但還存在各因素之間的相互作用，從而對工具的沖擊性能產生額外影響。正交試驗能夠分析多個結構參數間的相互作用對工具性能的影響效果，并篩選最優工具結構參數組合。設計L16（45）正交試驗表格，將5個因素依次編號為A（節流噴嘴直徑）、B（沖錘行程）、C（沖錘質量）、D（承壓面外徑）、E（腔體通孔面積），并計算得到不同參數組合下的單次沖擊功和最大能量利用率。計算過程中鉆井液排量取30 L/s，密度為1.2 g/cm3，沖錘承壓面內徑固定為95 mm。其方案及計算結果如表2所示。

以沖錘沖擊功和最大能量利用率作為評價指標，通過方差分析和直觀分析研究各因素的主次關系，并確定最佳因素水平組合。以沖錘沖擊功為評價指標時，計算得到各因素方差分析和平均值變化趨勢如表3和圖5所示。

以最大能量利用率為評價指標時，計算得到各因素方差分析和平均值變化趨勢如表4和圖6所示。

對比表3數據中F值的大小，可以得出5個結構參數中，對沖錘沖擊功的影響重要程度排序如下：節流噴嘴直徑（A）>運動行程（B）>沖錘質量（C）>承壓面外徑（D）>腔體通孔面積（E）。其中節流噴嘴直徑和運動行程是影響沖擊功的主要因素，而沖錘質量、承壓面外徑和腔體通孔面積是次要因素。由圖5可尋求以沖錘沖擊功為評價指標的各結構參數最佳組合方式，最佳組合取各因素較大的平均數對應的水平值。由圖5可知，沖擊功達到最佳的工具結構參數組合：節流噴嘴直徑為18 mm，運動行程為50 mm，沖錘質量為30 kg，承壓面內徑為110 mm，腔體通孔面積為600 mm2。該結構參數組合下的沖擊功達到352.9 J，相比算例分析中原結構的166.24 J，提高了112.3%。值得注意的是，在實際應用中不能一味追求高沖擊功，工具節流噴嘴直徑的選擇通常還需綜合考慮現場鉆井液排量和密度，防止工具壓降過高。

對比表4數據中F值的大小，可以得出各因素對工具最大能量利用率的影響重要程度排序如下：節流噴嘴直徑（A）>承壓面外徑（D）>沖錘質量（C）>腔體通孔面積（E）>運動行程（B）。其中節流噴嘴直徑和沖錘承壓面外徑是影響最大能量利用率的主要因素，而沖錘質量、腔體通孔面積和運動行程是次要因素。由圖6可知，能量利用率達到最優的工具結構參數組合：節流噴嘴直徑為18 mm，運動行程為30 mm，沖錘質量為20 kg，承壓面內徑為115 mm，腔體通孔面積為600 mm2。與高沖擊功下的最優參數組合類似，節流噴嘴直徑越小，工具最大能量利用率越高。因此，在實際應用時仍需根據現場工況進行節流噴嘴尺寸的優選。

4 結 論

（1）為提高硬地層機械鉆速，將大功率螺桿與軸向沖擊鉆具相結合，研制了一種沖擊螺桿鉆具，能夠同時為鉆頭提供大扭矩和高頻低幅沖擊載荷。

（2）沖錘運動特性分析表明：沖錘運動過程中，進入高壓腔的流量增大，流入節流噴嘴的流量減小，噴嘴產生的節流增壓效果減弱，沖錘做加速度減小的非線性加速運動。

（3）工具結構參數優化結果表明：節流噴嘴直徑和運動行程是影響沖擊功的主要因素，而沖錘質量、承壓面積和和腔體通孔面積是次要因素；節流噴嘴直徑和沖錘承壓面積是影響最大能量利用率的主要因素，而運動行程、沖錘質量和腔體通孔面積是次要因素。

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