新型液力衡扭旋冲提速工具的研制与应用
自激振荡式旋转冲击钻井工具在深井钻井中的应用_刘景涛
25近年来，基于黏滑振动理论，旋冲钻井技术应用于 PDC 钻头取得了突破性进展，实现 PDC 钻头提速及提高进尺。
自激振荡式旋转冲击钻井工具也在试验中取得了较好的效果。
1 工具介绍1.1 工作原理旋冲钻井技术是在旋转钻井的基础上，增加一个自激振荡式旋转冲击钻井工具（旋冲短节）产生的高频冲击作用，使钻头承受周期性的冲击载荷辅助破岩。
旋冲短节的核心部件是自激振荡器和冲击传递杆，辅助破岩主要有两种方式（图1）。
图1 旋冲短节工作原理示意图（1）机械冲击：钻头可以直接与旋冲短节相连，钻井液高速流经内部的自激振荡器，形成水力脉冲作用于冲击传递杆，产生低幅高频机械冲击力传递至钻头，对钻头施加5~20kN、40Hz左右的冲击力，提高钻头破岩效果。
（2）水力脉冲：钻井液高速流经自激振荡器所产生的水力脉冲再向下传递，经钻头水眼喷出，形成脉冲射流作用于井底，强化井底清洗，改善井底岩石的受力状况，降低岩石破坏强度。
1.2 性能参数旋冲短节采用自激振荡腔作为水力振荡元件，为保证工具正常工作，钻井过程中必须达到一定的排量；同时为使工具在开泵后能够将冲击振动有效传递至钻头，钻井过程中所施加的钻压必须超过“闭合钻压”。
常见工具的性能参数如表1所示。
表1 旋冲短节性能参数表型号长度 mm 外径 mm 壁厚mm 压力损耗 MPa 使用时间h 耐温℃排量L/s 闭合钻压 t ZJXC-178123018020.51-2≥200200≥32 2.32ZJXC-2031320203252-3≥200200≥42 4.31ZJXC-2301460230323-4≥200200≥506.861.3 工具特点自激振荡式旋转冲击钻井工具在深井钻井中的应用刘景涛１ 李斐１ 孙振２1. 中石化西北油田分公司 新疆 乌鲁木齐 8300002. 中石化江苏油田工程技术研究院 江苏 扬州 225100摘要：为进一步提高塔河工区深井、超深井的机械钻速，在该区块试验了旋冲钻井技术。
新型冲击式水轮机的设计和实验验证
新型冲击式水轮机的设计和实验验证一、引言水能是一种可再生的能源资源，全球各国都在寻求开发和利用水能资源的方法。
水轮机作为将水能转化为机械能的设备，一直以来都扮演着重要的角色。
然而，传统的水轮机存在效率低、造价高和环境污染等问题。
因此，研发新型冲击式水轮机成为了提高水能利用效率和可持续发展的重要途径。
二、新型冲击式水轮机的设计1. 内部构造新型冲击式水轮机的设计灵感来自于水击式瞬时加热器。
它采用了冲击式设计，即利用水流的冲击力来驱动转子旋转。
水流在进入水轮机时经过喷嘴加速，然后以高速撞击转子叶片，使转子叶片产生力矩，从而驱动转子旋转。
与传统水轮机的叶轮相比，新型冲击式水轮机的叶片更加简单和易于制造。
2. 转子材料选择为了保证冲击式水轮机的稳定性和耐用性，转子材料的选择至关重要。
一般情况下，高强度和耐腐蚀性的材料是首选。
比如，钛合金、不锈钢和镍基合金都是常用的转子材料。
此外，可以通过表面处理技术，如涂覆陶瓷材料或增加耐磨层，来提高转子的耐磨性能。
3. 涡轮设计涡轮是新型冲击式水轮机的核心部件。
其设计需要综合考虑转子的旋转速度、流量、叶片形状等因素。
一般来说，设计涡轮时应遵循流体动力学理论，以确保水流在涡轮叶片上的冲击充分转化为机械转动力。
此外，采用可调节叶片角度的设计有助于提高水轮机的效率。
三、新型冲击式水轮机的实验验证1. 实验装置为了验证新型冲击式水轮机的性能和效率，需要搭建相应的实验装置。
实验装置包括供水系统、水轮机、负载系统、测量传感器和数据采集系统等。
供水系统用于提供水流，水轮机将水流转化为机械能，负载系统模拟实际使用情况，测量传感器用于监测各项参数，数据采集系统用于记录实验数据。
2. 实验过程在实验过程中，需要调整流量、压力和转速等参数，以及记录水轮机的转速、扭矩和输出功率等信息。
通过改变水流条件以及水轮机的设计参数，可以获取不同工况下的性能曲线和效率曲线。
此外，还可以进行一些特殊的试验，如冷启动试验、部分负载试验和自适应调整试验，以评估新型冲击式水轮机的工作性能。
新型液动冲击器液固两相流冲蚀数值模拟
第２６卷第１期２０１９年２月工程设计学报C h i n e s e J o u r n a l o fE n g i n e e r i n gD e s i gn V o l ．２６N o ．１F e b ．２０１９收稿日期:２０１８Ｇ０１Ｇ１２本刊网址 在线期刊:h t t p ://w w w．z j u j o u r n a l s ．c o m /g c s jx b 基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１６７４２１４);四川省青年科技创新团队项目(２０１７T D ００１４)作者简介:祝效华(１９７８ ),男,山东曹县人,教授,博士,从事油气井管柱力学㊁岩石破碎学和井下工具等研究,E Ｇm a i l:z x h t h １１３＠１６３．c o m ,h t t p s ://o r c i d ．o r g/００００Ｇ０００２Ｇ０５０７Ｇ３７７３d o i :１０．３７８５/j．i s s n ．１００６Ｇ７５４X．２０１９．０１．０１２新型液动冲击器液固两相流冲蚀数值模拟祝效华,范㊀诚,刘㊀上(西南石油大学机电工程学院,四川成都６１０５００)摘㊀要:针对液动冲击器在泥浆钻进过程中因冲蚀严重而无法实现工业化应用的问题,从结构创新角度设计了一种抗冲蚀的新型液动冲击器.以液固两相流动力学和冲蚀理论为基础,建立液动冲击器冲蚀模型,采用拉格朗日粒子追踪算法计算固相颗粒运动轨迹,基于液动冲击器内部流场分析预测冲击器冲蚀区域分布㊁颗粒冲击速度对主要零件(冲锤㊁上套筒和外壳)冲蚀的影响及其工作寿命.由数值模拟结果可知:冲蚀区域主要集中在冲锤上腔的底面㊁冲锤边角处㊁流道孔进口壁面㊁上套筒呼吸孔进口处以及上部壁面;冲锤㊁上套筒和外壳的平均冲蚀率与冲击速度呈幂函数关系,速度因子在１~４之间;根据对比分析可知,新型冲击器关键零部件的耐冲蚀寿命与现有冲击器射流元件相比有明显提升.研究工作对推动新型液动冲击器工业化应用有较为重要的参考价值.关键词:钻井;液动冲击器;冲蚀;流场分析中图分类号:T E９２１㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀㊀文章编号:１００６Ｇ７５４X (２０１９)０１Ｇ００８７Ｇ０８L i q u i d Ｇs o l i d t w o Ｇph a s e f l o we r o s i o nn u m e r i c a l s i m u l a t i o no f n e o Ｇt y p e h y d r a u l i c i m pa c t o r Z HU X i a o Ｇh u a ,F A NC h e n g ,L I US h a n g(S c h o o l o fM e c h a t r o n i cE n g i n e e r i n g ,S o u t h w e s tP e t r o l e u m U n i v e r s i t y ,C h e n gd u６１０５００,C h i n a )A b s t r a c t :A i m i n g a t t he p r o b l e mt h a t t h eh y d r a u l i c i m pa c t o r c a n n o tb e i n d u s t r i a l i z e db ec a u s eo f s e r i o u s e r o s i o nd u r i n g m u dd r i l l i n g ,ane o Ｇt y p eh y d r a u l i c i m p a c t o rf o r a n t i Ｇe r o s i o nw a sd e s ig n e d f r o mth e p oi n t o f s t r u c t u r a l i n n o v a t i o n ．B a s e do n t h e l i q u i d Ｇs o l i d t w o Ｇp h a s e f l o wd yn a m i c s a n d e Ｇr o s i o n t h e o r y ,t h e h y d r a u l i c i m p a c t o r e r o s i o nm o d e lw a s e s t a b l i s h e d ．T h eL a g r a n g e t r a c i n g a l go Ｇr i t h m w a s a p p l i e d t o c a l c u l a t e t h em o v e m e n t t r a j e c t o r y of s o l i d p a r t i c l e s ,a n d t h ed i s t r i b u t i o no f e r o s i o na r e a ,t h e i n f l u e n c eo f p a r t i c l e i m p a c tv e l o c i t y o ne r o s i o no f t h e m a i n w o r k i ng e l e m e n t s (i m p a c th a mm e r ,u p p e r s l e e v e a n d s h e l l )a n d t h ei rw o r k i n gl i f ew e r e p r e d i c t e d b a s e d o n t h e i n n e r v e l o c i t y d i s t r i b u t i o na n a l y s i so fn e o Ｇt y p eh y d r a u l i c i m p a c t o r ．A c c o r d i n g t on u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e s u l t s ,t h e e r o s i o na r e aw a sc o n c e n t r a t e do nt h eb o t t o m o fu p p e rc h a m b e ro fh a mm e r ,i m p a c t h a mm e r c o r n e r ,i n l e tw a l l o f t h e o r i f i c e ,i n l e t o f t h e f l o wc h a n n e l h o l e i n p i s t o n u p p e r c h a m b e r a n d u p p e rw a l l i nu p p e r s l e e v e ．P o w e r f u n c t i o nr e l a t i o n s h i p w a s i d e n t i f i e dw i t ht o o l a v e r a g ee r o s i o n r a t e a n d i m p a c t v e l o c i t y w i t hv e l o c i t y f a c t o r o f １４．T h e o r e t i c a l a n t i Ｇe r o s i o n l i f eo f k e y w o r k i n g e l e m e n t s o f n e o Ｇt y p e i m p a c t o r h a d a n o b v i o u s i m p r o v e m e n t u n d e r c o m p a r a t i v e a n a l y s i s o f e x i s t i n gi m p a c t o r ．T h e r e s e a r c hw o r kh a s i m p o r t a n t r e f e r e n c ev a l u e f o r p r o m o t i n g t h e i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o no f t h e n e o Ｇt y p e h y d r a u l i c i m pa c t o r ．K e y wo r d s :d r i l l i n g ;h y d r a u l i c i m p a c t o r ;e r o s i o n ;f l o wf i e l d a n a l y s i s ㊀㊀随着石油天然气行业不断发展,硬地层㊁易斜地层和深部地层开采数量不断增多,提高钻井效率成为关键问题.由此研制出以液动冲击器为核心的旋转冲击钻井工具,其工作原理是将液动冲击器的单次冲击破岩和钻具旋转的连续破岩相结合,改善井底流场状况,提高破岩效率,同时通过轴向振动减少钻具和井壁的摩擦因素,有效传递钻压.常见的钻井用液动冲击器有液动射流冲击器㊁阀式双作用液动冲击器和射吸式液动冲击器.液动射流冲击器是利用双稳射流元件的附壁性和切换性,控制钻井液从不同流道进入活塞上腔和下腔,推动活塞冲锤上下往复运动,如Y S C Ｇ１７８型液动射流冲击器[１];阀式双作用液动冲击器是通过流体上下作用面积差产生压力差,辅以上阀上腔产生的水击作用,使得冲锤活塞往复循环进行冲击,如Y Z X 型双作用液动冲击器[２];射吸式液动冲击器是利用标准喷嘴对高速流体的射流卷吸作用形成压力差,结合冲锤和阀瞬间关闭时产生的水击作用,推动冲锤周期性冲击下部铁砧,如文献[３]介绍的射吸式液动冲击器.在钻进过程中,液动冲击器以泥浆为动力介质,由于黏度较大,泥浆中的固相颗粒不易分离,导致工具冲蚀严重,据现场实测,射流冲击器的射流元件在高排量泥浆钻进过程中的寿命仅为５０h 左右[４],冲蚀失效导致寿命不长是液动冲击器无法实现工业化应用的主要原因.泥浆钻进冲蚀是一个复杂过程,在冲蚀过程中不仅伴随着腐蚀发生,泥浆还会产生绕流,影响固相粒子的运动和分布,尤其在高流速下,粒子和动力介质速度不同,影响更为明显.李伟涛[５]从微观和宏观角度考虑,建立了液动射流冲击器射流元件受泥浆冲蚀的数学模型,并结合分析结果在射流元件冲蚀严重的内表面运用离子注入和爆炸喷涂的方式进行处理,结果表明该处理方式有一定防冲蚀效果.张春艳[６]应用工程仿生研究,找出了提高液动冲击锤活塞及缸套耐冲蚀磨损性能的方法,并研究了与仿生液动冲击锤活塞相关的加工制备工艺.蔺刚等[７]设计出防空打分流结构,有效减缓冲击器在高排量下出现的磨蚀㊁冲蚀等问题.刘志刚[８]运用摩擦学㊁泥浆冲蚀等理论,结合１４０h 的冲蚀试验,探究了延长正作用型液动冲击器寿命的有效解决方案.彭枧明等[９]应用C F D (c o m p u t a t i o n a l f l u i dd yn a m i c s ,计算流体动力学)动态技术,分析不同尺寸和形状分流孔的Y S C １７８A 型液动锤的内部速度流场,探究射流元件底盖板外壁出现冲蚀坑的原因,并提出预防出现显著冲蚀坑的措施.研究地面管汇㊁阀件和石油钻柱冲蚀的文献较多,如:Z h a n g 等[１０]通过电子显微成像技术和室内试验研究了水力压裂液对石油高压管道的冲蚀作用,并利用C F D 软件建立管道冲蚀模型,进行求解分析;S h a h 等[１１]利用C F D 仿真和试验对压裂泥浆作用下的连续油管进行冲蚀影响因素分析;祝效华等[１２]针对气体钻井岩屑造成钻柱严重冲蚀的问题,建立环空岩屑运移模型,研究了钻杆偏心率㊁井径等对钻柱冲蚀率的影响;王国荣等[１３]运用欧拉拉格朗日法和离散相模型,预测了节流阀内部粒子运动轨迹和分布规律,并利用半经验冲蚀模型求解了颗粒对阀芯的冲蚀率.由上述研究可知,针对液动冲击器在泥浆钻进过程中的防冲蚀问题尚未有切实有效的解决方案,且液动冲击器本身结构设计和工作原理的复杂性也制约了其研究进展.本文从结构创新的角度提出了一种新型液动冲击器,将切换流道整合于冲锤外壁面,由上下腔室压差推动作用,完成冲击功能.本文利用商用C F D 分析软件F l u e n t 建立新型液动冲击器离散相冲蚀模型,预测液动冲击器冲蚀区域分布㊁颗粒冲击速度对冲击器主要零件的影响以及主要零件工作寿命,以期延长液动冲击器使用寿命,也为评估其抗冲蚀性能提供参考.１㊀液动冲击器冲蚀理论基础１．１㊀液动冲击器工作原理如图１所示,笔者设计的新型液动冲击器[１４]全长约为１．５m ,外径为１８０mm ,适用于直径为２１５．９mm 的井眼.该冲击器通过花键套连接在钻头上部,它主要由上接头㊁上套筒㊁冲锤㊁外壳㊁活塞套筒㊁花键套及钻头等构成.图１㊀新型液动冲击器结构示意图F i g ．１㊀S t r u c t u r e d i a g r a mo f n e o Ｇt y p eh y d r a u l i c i m pa c t o r ８８ 工㊀程㊀设㊀计㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀第２６卷㊀㊀新型液动冲击器工作原理如图２所示.假设冲锤在初始状态处于下止点,钻井液从上接头进入液动冲击器后,通过上套筒的呼吸孔和冲锤的外流道分别进入冲击器的上部和下部区域,由于下部区域存在活塞套筒的阻塞作用,冲锤上下区域产生方向向上的压力差,冲锤回程;当冲锤上腔流道孔被上套筒瞬间关闭时,发生水击作用,压力差方向反向,致使冲锤从上止点开始冲程,此过程中一部分钻井液能转化为冲锤动能,冲锤以一定速度撞击铁砧,将轴向力向下传递给钻头,同时冲锤反弹进入下一周期.图２㊀新型液动冲击器工作原理F i g．２㊀O p e r a t i n gp r i n c i p l e o f n e oＧt y p eh y d r a u l i c i m p a c t o r１．２㊀粒子追踪模型采用拉格朗日粒子追踪算法研究固相颗粒冲蚀,其原理是对流域内大量固相颗粒运动轨迹的计算,且确保每一颗粒子的受力平衡.在拉格朗日坐标系下,固相颗粒在流场中的受力方程为[１５]:d v pd t＝F D(v f－v p)＋gρp－ρfρp＋F x(１)其中:F D＝１８μρp D２pC D R e２４(２)R e＝ρf|v f－v p|D pμ(３)C D＝a１＋a２R e＋a３R e２(４)d xd t＝v p(５)式中:F D为颗粒单位质量上的曳力,N/k g;v f和v p分别为连续相和离散相颗粒的速度,m/s;g为重力加速度,m/s２;ρp和ρf分别为离散相和连续相的颗粒密度,k g/m３;F x为颗粒单位质量上所受作用力,N/k g;μ为流体动力黏度,P a s;D p为颗粒直径,m;C D为曳力系数,无量纲;a１㊁a２㊁a３为两相流系数,无量纲;R e为相对雷诺数,无量纲.对式(１)进行积分可得粒子速度,再对粒子速度进行积分可求出粒子轨迹[１６].将式(１)化成一般形式,如式(６):d v pd t＝v f－v pτp＋a(６)关联式(１)和式(６),再对这一组微分方程进行积分,可得粒子在下一位置的速度与坐标,如式(７)与式(８):v n＋１p＝v n f＋eΔtτp(v n p－v n f)－aτp(eΔtτp－１)(７)x n＋１p＝x n p＋Δt(v n f＋aτp)＋τp(１－eΔtτp)(v n p－v n f－aτp)(８)式中:a为除曳力外的所有力产生的加速度;v f㊁τp和a均为常数.１．３㊀液动冲击器冲蚀模型冲蚀与流体的物理和化学性质关系密切,流体中固相颗粒的冲击角度和冲击速度对冲击器冲蚀有很大影响[１０].本文采用C F D软件F l u e n t对液动冲击器进行冲蚀仿真,结合颗粒冲击角度㊁冲击速度等主要影响因素,建立的液动冲击器冲蚀模型如下:R＝ N p i＝１m p C(d p)F(α)v n iA(９)式中:R为冲蚀率,k g/m２ s;N p为作用在冲击表面的固相颗粒数量;m p为钻井液质量流量,k g/s;C(d p)为固相颗粒直径函数,冲锤设置为塑性,该函数取常数１．８ˑ１０－９;F(α)为冲击角度函数,其值在０~１之间;v i为冲击速度,m/s;n为速度因子,取决于固相颗粒和冲击表面材料,通常n＝２~３;A为单位冲击表面积,m２.１．４㊀液动冲击器冲蚀失效计算对液动冲击器的冲蚀失效计算主要是结合泥浆冲蚀等宏观影响因素,预测冲击器理论工作时间,计算公式如下[５]:㊀t＝m１m２d０．６１６g v n g c v０．５８２H１H２æèçöø÷ˑ２．６４８ˑ１０－５(１０)其中:９８㊀第１期㊀㊀㊀㊀祝效华,等:新型液动冲击器液固两相流冲蚀数值模拟c v ＝ρ－ρfρp－ρf (１１)式中:t 为工作时间,s ;m １为磨损质量,k g ;m ２为泥浆中固相颗粒质量,k g;d 为固相颗粒粒径,m ;v 为泥浆流速,m /s ;c v 为泥浆浓度系数;ρ为泥浆密度,k g/m ３;H １㊁H ２为固相颗粒与靶材的莫氏硬度,无量纲.２㊀液动冲击器冲蚀数值模拟F l u e n t 软件预测粒子冲蚀特性所采用的是离散相模型(d i s c r e t e p h a s em o d e l ,D P M ),给定离散相粒子的初始位置㊁初始速度㊁尺寸㊁质量流量等条件,结合输入材料的物理特性,进行粒子轨迹和能量传递的计算[１１].此外,在F l u e n t 提供的湍流模型中,标准k Ｇε模型是在湍流动能k 方程的基础上,引入关于湍流耗散率ε的方程,该方程计算速度快以及精度较高,已经广泛应用于工业流场计算和热传递仿真分析中[１７].本文通过选用标准k Ｇε模型,并激活壁面函数方程处理近壁面流体流动,以提高计算精度.２．１㊀液动冲击器模型建立液动冲击器的工作过程涉及水击作用和高频往复运动,因此采用动网格技术对液动冲击器工作过程进行瞬态分析.通过截取不同时刻液动冲击器内部流场分布云图,如图３和图４所示,分析冲击器速度和压力在整个工作过程中的变化.由图３和图４可知:t ＝０．００２５s 时冲锤上腔流体发生水击作用,在上腔底部附近区域速度最小,而压力骤然上升到最大;随着冲锤继续向上运动,到达上止点后向下运动,冲锤上腔以及冲击器下部区域的压力呈交替变大和变小,结果表明冲击器内部流场分布趋于较均匀状态.图３㊀不同时刻新型液动冲击器内部速度分布云图F i g ．３㊀I n n e r v e l o c i t y d i s t r i b u t i o nn e p h o g r a mo f n e o Ｇt y p eh y d r a u l i c i m pa c t o r a t d i f f e r e n t t i m es 图４㊀不同时刻新型液动冲击器内部压力分布云图F i g ．４㊀I n n e r p r e s s u r e d i s t r i b u t i o nn e p h o g r a mo f n e o Ｇt y p eh y d r a u l i c i m pa c t o r a t d i f f e r e n t t i m e s ㊀㊀由于利用C F D 仿真真实工况下液动冲击器整个工作过程中的冲蚀问题时计算量较大,本文基于液动冲击器工作原理,选取压力等流场特性参数变化梯度较大的时刻,确定冲锤相对位置,合理简化计算模型,分析流场变化.用I C E M ＧC F D 进行网格划分,新型液动冲击器流体域对称面网格划分如图５所示.为保证流体在流道中不被完全堵塞,上套筒和冲锤上腔㊁冲锤和外壳内表面㊁冲锤和活塞套内表０９ 工㊀程㊀设㊀计㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀第２６卷面均存在间隙,因冲锤设有排液通道,这些间隙的存在对流场影响不大.由流体流过液动冲击器的区域构成流体域,具体仿真参数设置见表１.图５㊀新型液动冲击器流体域对称面网格划分F i g ．５㊀S y mm e t r i c a lm e s h i n g o fn e o Ｇt y p eh yd r a u l i c i m Ｇpa c t o r f l u i dd o m a i n 表１㊀液动冲击器冲蚀仿真参数设置T a b l e１㊀E r o s i o ns i m u l a t i o n p a r a m e t e r s e t t i n g f o rh yd r a u l i c i m Ｇpa c t o r 参数钻井液流速/(m /s )颗粒平均粒径/mm颗粒密度/(k g /m ３)数值１２０１２５００参数流体介质黏度/P a s流体介质密度/(k g/m ３)数值０．０２７１２００边界条件设置如下:进口边界为速度入口,用于定义流动速度以及流动入口的流动属性等相关标量;出口边界为质量出口,假设除压力外所有的流动参数法向变化梯度为０,且保证流动是充分的;上套筒壁面㊁外壳内壁面和冲锤壁面设为非滑移壁面.２．２㊀液动冲击器冲蚀数值模拟结果分析２．２．１㊀流场特性分析如图６所示,固相颗粒随着钻井液从上套筒中心流道孔进入冲锤上腔,由于壁面阻挡,流体迅速改变方向且呈发散状.由于流道环空间隙较小,一部分流体顺着环空间隙反向流动,另一部分流体在上套筒和上腔底部壁面的阻挡作用下沿圆周切线方向回到发散中心区域,形成二次流[１８],与后泵入的主液体混合.另外,固相颗粒在上套筒呼吸孔周边壁面和冲锤流道孔进口壁面附近呈较大冲击角度,易发生严重冲蚀.二次流对新型液动冲击器内部流场分布有显著影响,如图７所示,冲击器内部压力㊁流速以及湍流动能变化明显的区域集中在上套筒和冲锤上腔,而这正是二次流发生的主要区域.在冲锤上腔底部区域出现压力峰值,特别是圆心区域和边角处有较大面积的高压分布(图７(a ));在上套筒中心孔流道出现速度较大值,由于流动方向与流道轴线平行,高速区域基本没有受到干扰(图７(b ));在冲锤上腔底部圆心区域出现湍流动能峰值,同时在上腔流道孔转角处和上套筒呼吸孔周边区域有一定湍流能量聚集(图７(c)).由图８所示的冲锤和上套筒冲蚀率分布较集图６㊀钻井液固相颗粒速度矢量图F i g ．６㊀V e l o c i t y v e c t o rd i a gr a m o fs o l i d p h a s e p a r t i c l e s i nd r i l l i n g fl u id 图７㊀二次流影响下新型液动冲击器内部流场分布F i g ．７㊀I n ne rf l o w Ｇf i e l dd i s t r i b u t i o n o f n e o Ｇt y p e h yd r a u l i c i m Ｇp a c t o r u n de r t h e i nf l u e n c e o f s e c o n d a r yf l o w 中,即冲蚀严重区域的截图可知,冲蚀区域基本分布在高压力㊁高流速和高湍流动能的区域上,主要是在冲锤上腔的底面㊁冲锤边角处㊁流道孔进口壁面㊁上套筒呼吸孔进口处以及上部壁面,其中冲锤上腔底面冲蚀最为严重.在实际工况下,钻井液对液动１９ ㊀第１期㊀㊀㊀㊀祝效华,等:新型液动冲击器液固两相流冲蚀数值模拟冲击图８㊀新型液动冲击器冲蚀严重区域仿真结果F i g ．８㊀S e r i o u s e r o s i o na r e a s i m u l a t i o n r e s u l t s o f n e o Ｇt y p eh y d r a u l i c i m pa c t o r 器的冲蚀会在其表面产生冲蚀坑,冲蚀坑的尺寸和数量会影响冲击器内部流场分布,导致实际冲蚀区域和数值分析的有所差异,但C F D 仿真对工具冲蚀区域的预测仍有很大的指导意义.２．２．２㊀冲击速度对冲蚀的影响固相颗粒冲击速度不仅影响冲击器的冲蚀率,还会制约其使用寿命.固相颗粒的冲击速度存在一个临界值,低于此数值时不产生冲蚀磨损,只会发生弹性变形[１９].如图９所示,通过F l u e n t 软件仿真得到的冲击器主要零件冲蚀率与冲蚀速度的关系可知:钻井液从上接头进入液动冲击器时,冲击速度高于临界值,对上套筒㊁冲锤和外壳均有冲蚀;３个主要工作零件的平均冲蚀率和冲击速度呈幂函数关系,速度因子在１~４之间;随着钻井液中固相颗粒冲击速度的增大,冲锤㊁上套筒和外壳的平均冲蚀率也逐渐升高;固相颗粒冲击速度越大,撞击壁面时湍流动能越大,即冲击力越大,造成的冲蚀也越严重.当冲击速度小于５１m /s 时,上套筒的冲蚀率比冲锤大,当冲击速度大于５１m /s 时,冲锤的冲蚀率比上套筒大,而在冲击速度变化过程中,外壳的冲蚀率始终最小.图９㊀冲锤㊁上套筒和外壳平均冲蚀率随冲击速度的变化曲线F i g ．９㊀V a r i a t i o n c u r v e s o fa v e r a ge e r o s i o n r a t e of i m p a c th a mm e r ,u p p e rs l e e v ea n ds h e l lw i t h i m p a c t v e l o c i t y２．２．３㊀冲蚀失效分析目前可应用于深井的大尺寸液动冲击器主要有射流式和双作用式两种,但它们均处于试验阶段,尚未大规模应用[２０].液动冲击器寿命短是导致它无法实现工业化应用的重要原因.参照江苏东海科钻一井的液动射流冲击器[５],在不同颗粒粒径和泥浆流速的工况下,对比新型液动冲击器主要零件与现有液动射流冲击器射流元件的使用寿命,为评估工具抗冲蚀性能提供参考.如图１０所示,当冲击器内部泥浆流速为８０m /s时,冲锤㊁上套筒和外壳的理论工作时间均大于射流元件,在颗粒粒径为２０μm 时有最大增幅,分别为５７６．７％,６９８．３％和１０３．３％,在颗粒粒径为５０μm 时有最小增幅,分别为５６０．０％,６８０．０％和９７．１％.在液动冲击器工作过程中,理论工作寿命由长到短的工作零件分别为上套筒㊁冲锤㊁外壳.同理,如图１１所示,当冲击器内部泥浆流速为１２０m /s 时,冲锤㊁上套筒和外壳在颗粒粒径为７４μm 时相对射流元件的使用寿命有最大增幅,分别为６００％,１０８７．５％和６２．５％,在颗粒粒径为６０μm 时有最小增幅,分别为图１０㊀冲击器内部泥浆流速为８０m /s 时冲锤㊁上套筒和外壳工作时间与射流元件对比F i g ．１０㊀W o r k i n g h o u r so f i m p a c th a m m e r ,u p pe rs l e e v e a n d s h e l l c o m p a r e dw i t ht h a tof je t a tm u df l o w r a t e i n i m pa c t o r o f ８０m /s ２９ 工㊀程㊀设㊀计㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀第２６卷图１１㊀冲击器内部泥浆流速为１２０m/s时冲锤㊁上套筒和外壳工作时间与射流元件对比F i g．１１㊀W o r k i n g h o u r so f i m p a c th a mm e r,u p p e rs l e e v e a n ds h e l l c o m p a r e dw i t ht h a to f j e ta tm u d f l o wr a t e i n i m p a c t o r o f１２０m/s ５４０．０％,９８０．０％和５０．０％,依然是上套筒使用寿命最长,外壳使用寿命最短.尽管冲击器实际使用寿命除受控于冲蚀这个主要因素外,还受控于磨损甚至可能存在的腐蚀,但上文关于冲蚀的计算分析表明本文从结构改进的角度来降低冲蚀从而延长液动冲击器的工作寿命是一个较为可行的技术思路,这对推动液动锤的产业化是有积极作用的.３㊀结㊀论１)新型液动冲击器冲蚀区域主要集中在内部高压力㊁高流速和高湍流动能区域,即冲锤上腔的底面㊁冲锤边角处㊁流道孔进口壁面㊁上套筒呼吸孔进口处以及上部壁面,其中冲锤上腔底面冲蚀最为严重.２)固相颗粒的冲击速度对冲击器的冲蚀率有显著影响,冲锤㊁上套筒和外壳的平均冲蚀率与冲击速度呈幂函数关系,速度因子在１~４之间.且当冲击速度小于５１m/s时,上套筒的冲蚀率比冲锤大,当冲击速度大于５１m/s时,冲锤的冲蚀率比上套筒大,外壳的冲蚀率始终最小.３)在泥浆流速为８０m/s和１２０m/s的工况下,随着颗粒粒径从２０μm增大到７４μm,新型液动冲击器的冲锤㊁上套筒和外壳的理论使用寿命始终大于现有液动射流冲击器射流元件,增幅最小为５０％,最大达到１０８７％,尽管冲击器实际使用寿命还可能受到磨损甚至可能存在的腐蚀的影响,但分析结果表明从结构改进的角度来降低冲蚀从而延长液动冲击器的工作寿命是一个较为可行的技术思路,对评估工具抗冲蚀性能以及推动液动锤的工业化应用有积极作用.参考文献:[１]沈建中,贺庆,韦忠良,等．Y S CＧ１７８型液动射流冲击器在旋冲钻井中的应用[J]．石油机械,２０１１,３９(６):５２Ｇ５４．S H E NJ i a nＧz h o n g,H E Q i n g,W E IZ h o n gＧl i a n g,e ta l．A p p l i c a t i o no fY S CＧ１７８h y d r a u l i c j e t i m p a c t o r i nr o t a r y p e r c u s s i o n d r i l l i n g[J]．C h i n a P e t r o l e u m M a c h i n e r y,２０１１,３９(６):５２Ｇ５４．[２]李博．阀式双作用液动冲击器的仿真[D]．北京:中国地质大学工程技术学院,２０１３:１９Ｇ２０．L IB o．T h es i m u l a t i o no fd o u b l eＧa c t i n g i m p a c t o r s[D]．B e i j i n g:C h i n aU n i v e r s i t y o fG e o s c i e n c e s,S c h o o l o fE nＧg i n e e r i n g a n dT e c h n o l o g y,２０１３:１９Ｇ２０．[３]刘国经,朱乃正,王有群．射吸式冲击器:C N１００５７８５B [P]．１９８９Ｇ１１Ｇ１５．L I U G u oＧj i n g,Z HU N a iＧz h e n g,WA N G Y o uＧq u n．J e tＧs u c k i m p a c t o r:C N１００５７８５B[P]．１９８９Ｇ１１Ｇ１５．[４]丁代坡．石油钻井冲击器关键零部件工作寿命的研究[D]．长春:吉林大学建设工程学院,２００８:６３．D I N G D a iＧp o．R e s e a r c h o n t h ew o r k i n g l i f e o f k e y a c c e sＧs o r y o f o i ld r i l l i n g i m p a c t i n g m a c h i n e[D]．C h a n g c h u n: J i l i n U n i v e r s i t y,C o l l e g eo fC o n s t r u c t i o nE n g i n e e r i n g,２００８:６３．[５]李伟涛．液动锤射流元件工作寿命试验研究[D]．长春:吉林大学建设工程学院,２００４:３５Ｇ４７．L IW e iＧt a o．T h e e x p e r i m e n t a n d r e s e a r c h o n t h ew o r k i n g l i f e o f t h e l i q u i d j e ta m p l i f i e ro f t h eh y d r a u l i ch a mm e r [D]．C h a n g c h u n:J i l i nU n i v e r s i t y,C o l l e g eo fC o n s t r u cＧt i o nE n g i n e e r i n g,２００４:３５Ｇ４７．[６]张春艳．液动冲击锤活塞缸套仿生耐冲蚀磨损研究[D]．长春:吉林大学生物与农业工程学院,２０１３:３５Ｇ６２．Z HA N GC h u nＧy a n．R e s e a r c ho ne r o s i o n a b r a s i o n r e s i s tＧa n c e p r o p e r t i e s o f h y d r a u l i c i m p a c t h a mm e r p i s t o nＧl i n e rb y b i oＧi n s p i r e d m e t h o d[D]．C h a n gc h u n:J i l i n U n i v e r s i t y,C o l l e g e o fB i o l o g i c a l a n dA g r i c u l t u r a lE n g iＧn e e r i n g,２０１３:３５Ｇ６２．[７]蔺刚,殷琨,徐克里．钻井用射流式液动冲击器防空打机构改型设计[J]．石油机械,２００７,３５(５):２３Ｇ２４．L I N G a n g,Y I N K u n,X U K eＧl i．A n t iＧi n e f f e c t i v e n e s s o p e r a t i n g m o d e lc h a n g ef o r h y d r a u l i c j e ti m p a c t o ri n d r i l l i n g[J]．C h i n aP e t r o l e u m M a c h i n e r y,２００７,３５(５):２３Ｇ２４．[８]刘志刚．正作用型液动冲击器寿命的研究[J]．地质与勘探,１９９３,２９(６):５４Ｇ５８．L I U Z h iＧg a n g．T h e l i f e t i m eo f p o s i t i v ea c t i o nt y p eh yＧd r a u l i c p e r c u s s i v ed e v i c e[J]．G e o l o g y a n dE x p l o r a t i o 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扭力冲击器在大庆油田肇深17井的试验应用
Ｔ ｏ ｒ ｋ Ｂ ｕ ｓ ｔ ｅ ｒ 扭力 冲击器 ， 取得了新进展 ， 获得了较高的机械钻速 。扭力冲击器工作井段平均机械钻速达到 ４ ｍ ／ ｈ ， 最
高达 ８ ｍ ／ ｈ ， 相 同井段 同比常规钻井节省起 下钻 至少 ５趟 以上 ， 节省周期 １ ３天 。与 同区块肇深井 比较 ， 钻速有较 大
近 年来 ， 大 庆 油 田开 展 了钻 井 提速 提效 专 项技 术 攻关 ， 随着 空气 钻井 、 复合 钻 进 、 钻 头优 选 和 防斜 打快 等技 术 的不 断完 善 ， 钻 井 速 度逐 年 提 高 。对 于 深井 ， 由于下 部 地 层 岩 石 的 硬 度 和 强 度 大 ， 可钻 性
的提升 。扭力冲击器在肇 深 １ ７井 的试验成功 ， 为大庆油田营城组及 以下地层钻井提速提供了新途径。
关键词 ： 扭力 冲击器 ； 钻井提速 ； Ｐ Ｄ Ｃ钻头 ； 大庆油 田 ； 肇深 １ ７井
中 图分 类号 ： Ｔ Ｅ ２ ４ ２ ． ７ 文 献标 识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ２— ７ ４ ２ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４— ０ ０ ４ ４— ０ ４
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探 矿工 程 （ 岩 土钻 掘工程 ）
２ ０ １１ ７井的试验应用
李欢欢 ， 王玉玺 ， 李秋杰
VOITH阀控充液式调速偶合器在工作面刮板运输机上的研究与应用
２ ０ １ ３ 年 第２ ２ ｌ 科技调速 偶合器在工作 面刮 板运输机 上 的研究 与应用
贾 刚
（ 铁 煤 集 团租 赁 公 司 ， 辽 宁 调兵山 １ １ ２ ７ ０ ０ ）
摘 要： 针 对 大 平矿 Ｎ １ Ｓ ３ 放 顶层 煤 综 采 工作 面 Ｓ Ｇ Ｚ １ ０ ０ ０ ／ ２ ＊ １ ０ ０ ０大功 率 运 输机 的启 动 要 求 ， 研 究 了大功 率刮 板 运输 机 实现 软 启 动 方式 和 方案 ， 引进 了 Ｖ Ｏ Ｉ Ｔ Ｈ 偶合 器软 启动 控 制 系统 ， 在铁 煤集 团首 次 实现 了刮 板 运 输机 的软 启动 控 制功 能 。 关键 词 ： 运 输机 ； 软启动； 启动 控 制技 术 ； Ｖ Ｏ Ｉ Ｔ Ｈ偶 合 器
１前 言
大平 矿 ２ ０ １ ２ 年 １ ２月安 装 生产 的 Ｎ１ Ｓ ３放 顶煤 工 作 面 ，设 计 长 度２ ７ ０米 ， 采高 ９ — １ ２ 米， 走向２ ４ ０ ０米 ， 工 作 面 上 运最 大 倾 角 １ １ 。 ， 设 计储量 １ ０ ０ ０万 吨 ， 预 计 回采 时 间 ２ ９个月 。工 作 面配 套 前 后部 刮板 运输机为 Ｓ Ｇ Ｚ １ ０ ０ ０ １ ２ ０ ０ ０型 中双 链 重 叠 槽 封 底 板 重 型 刮 板 运 输 机 ， 是 目前 集 团 公 司 引进 的技 术 最 先 进 、 功 率 最 大 的 刮板 运 输 机 ， 该 运 输 机 配 备 了 当前 国 内外 刮 板 运 输 机 生产 制 造 技 术 中最 为 先 进 的德 国Ｖ Ｏ Ｉ Ｔ Ｈ公 司生产阀控充液式调速偶合器 ，首次实现了刮板运输 机 的软 启 动 控制 。 ２ Ｓ Ｇ Ｚ １ ０ ０ ０ ／ ２ ０ ０ ０型刮 板 运输 机 的 主要 技术 参 数 设 计 长度 ： ３ ０ ０ ｍ 输 送 能力 ： ２ ５ ０ ０ ｔ ／ ｈ 适 应 工作 面走 向倾 角 ： ≥＋ １ ５ 。 卸 载 方式 ： 端 卸 传 动 方式 ： 单 速 电动 机＋ Ｖ Ｏ Ｉ Ｔ Ｈ调 速 偶 合器 ＋ 减速 器 刮 板 链速 度 ： １ ． ３ ３ ｍ ／ ｓ 装 机 功率 ： ２ ＊ １ ０ ０ ０ Ｋ Ｗ 单速 减 速 器 型号 ： ７ ６ Ｊ Ｓ 一 １ ２ ０ ０ ， 圆锥 圆柱 行 星 三级 齿 轮减 速 。 刮 板 链 型式 ： 中双 链 ， 链距 ２ ８ ０ ｍｍ 圆环 规格 ： ｑ ￣ ４ ８ ｘ １ ５ ２ ｍ ｍ 扁平 链 中部 槽规 格 （ 长× 内宽 × 高） ： １ ５ ０ ０ ｘ ｌ Ｏ ０ ０ ｘ ３ ８ ２ ｍ ｍ 紧链 方式 ： 液压 马 达 紧链 ＋ 伸缩 机 尾 采 煤 机牵 引 装 置 ： 锻 造 销轨 ， 节距 １ ２ ６ ｍ ｍ 。 ３ 运输 机 对启 动 方 式 的要 求 因生产 制 造技 术 上 的 限制 ， 目前 双速 电机 的 最 大功 率 为 ８ ５ ５ Ｋ Ｗ， 本 设计配套 １ ０ ０ ０ Ｋ Ｗ， 仅有单速 电机可选 ， 因此 ， 必须 选择 种软启动方式 ， 才保证刮板运输机 的重载启 动和运行。现代煤炭 行业 对 刮 板运 输 机启 动 系统 的要 求 如 下 ： 电机 无 负 载 启 动 。多 机 驱 动下 的顺序起动。充分利用 电机的峰值扭矩 ， 必要时 自动实现最大 力矩 保 护 。平 稳但 非 常迅 速 的 建立 起力 矩 （ 启动 ） 。 在 输 送 机卡 住 的 情况下 ， 仍然能使电机保持在峰值扭矩输 出。多次连续重复启动而 没有 温 升 问题 。正反 转 启 动 ， 用 于驱 动 输 送机 解 脱 或 松 开卡 住 的异 物 。 自动 负 载平 衡 。控 制 系统 要 求尽 可 能 简单 可 靠 。当刮 板机 的大 功率 持 续 输 出时 ， 要 求非 常 高 的热 宽 容量 。 爬 行 速度 、 用 于 设备 检 查 的慢 速 。通 过 锁 紧制 动 器对 链 条进 行 张 紧 。 以上问题 ， 归根结底 ， 就是一个运输机 的实现软启动问题 ， 中小 型 刮板 运 输机 因其 电机 功率 小 ， 载货 量 小 、 摩 擦力 小等 原 因 ， 启 动 电 流 冲击 及 机 械 冲击 小 ， 采 用 双 速 电 机 就 能达 到启 动 要 求 ， 但 运 输 机 电机 功 率 到 了 ７ ０ ０ Ｋ Ｗ 以上 后 ，这种 双 速 电机 启 动 方 式 的缺 点 就 越 来 越 明 显地 暴 露 出来 ， 启 动 电流 冲 击 和 机械 冲击 的增 大 ， 造 成 刮 板 链 系统 、 链轮 、 减 速器 等 传动 部 件 的 伤 害 和损 坏 ， 严 重 时 就造 成 停 产 事故 ， 给煤 矿企 业 带来 巨大 的经 济 损 失 。 Ｖ Ｏ Ｉ Ｔ Ｈ偶 合 器 的引 入 ， 实 现 了 刮板 运输 机 的软启 动 控制 ， 从 而使 上 术 运输 机 的 启 动要 求 成 为 可 能。 ４ Ｖ Ｏ Ｉ Ｔ Ｈ阀控充液式调速偶合器的主要技术参数
自激振荡式旋转冲击钻井工具在冀中地区的应用
2017年10月自激振荡式旋转冲击钻井工具在冀中地区的应用曹利军杨顺强陈伟孟广喜（渤海钻探第五钻井工程分公司工程技术中心,河北河间062450）摘要：自激振荡式旋冲工具在井下工作时能够同时对所钻地层产生机械冲击与水力脉冲的作用。
该工具适合定向井不同地层、不同井段的应用要求，在中硬、硬地层进行滑动和复合钻进时均能显示提速效果，具有避免钻头重复破碎岩屑和缓解定向托压的特点。
通过现场试验，掌握了该类型工具的结构和配套参数优化方法，对于提高冀中地区钻井速度，解决长期困扰冀中地区钻井生产的定向托压问题有着重要意义。
从实践中提炼、探索出新的提速方法，形成相应技术规范，为今后冀中地区钻井提速提供参考。
关键词：自激振荡；冲击钻井；滑动钻进；定向托压随着国内油田不断降低钻井成本，市场竞争日趋激烈，要实现较好的经济和社会效益，就必须利用新型提速工具来不断提高钻井速度。
诸如复合钻井、高压喷射、导向钻进等成熟技术已广泛应用在冀中地区钻井实践中，使钻井速度有了明显提高。
为了进一步拓展提速空间，加快钻井速度，我们在冀中地区试验应用自激振荡式旋转冲击钻井工具（文中简称旋冲工具），该工具能把水力脉冲和机械冲击力相结合，最大限度的提高机械钻速，同时起到减摩、定向防托压的作用。
1旋冲工具的应用优势旋冲工具适合定向井不同地层、不同井段的应用要求，在中硬、硬地层进行滑动和复合钻进时均能显示提速效果，同时还具有避免钻头重复破碎岩屑和缓解定向托压的特点；该工具由自激振荡式水力元件产生的钻头冲击力具有“小振幅、高频率”的特点，对钻头和地层的适应性强；自激振荡式水力元件将调制的水力脉动转化为直接作用于钻头的机械冲击力，能量利用效率高；该工具保养维护简单，使用寿命可达300h 以上，可重复多次入井使用。
2旋冲工具原理及破岩机理旋冲工具是综合水力脉冲和冲击振动钻井两类技术优势的思路进行设计的。
在井下工作时会同时产生机械冲击与水力脉冲作用。
机械冲击：钻井液高速流经自激振荡器，形成水力脉冲作用于下喷嘴，产生低幅高频机械冲击力经钻头连接短节传递至钻头，对钻头施加5-20KN 、40Hz 左右的冲击力，提高钻头破岩效果；水力脉冲：钻井液高速流经自激振荡器所产生的水力脉冲向下传递，经钻头水眼喷出，形成脉冲射流作用于井底，强化井底清洗，改善井底岩石的受力状况，降低岩石破坏强度。
螺杆驱动旋冲钻井工具设计及试验研究
螺杆驱动旋冲钻井工具设计及试验研究马广军;王甲昌;张海平【摘要】为提高石油钻井破岩效率，将螺杆高速旋转与冲击器高频冲击相结合，设计了一种螺杆钻具驱动的新型机械式旋冲钻井工具。
在设计旋冲钻井工具结构的基础上，建立了直井中单次冲击功、冲击频率等关键参数的计算模型，并进行了实例计算分析。
计算结果表明，直井中单次冲击功仅是凸轮推程和钻压的函数，当钻柱结构确定且存在一定长度（大于500 m ）的φ127．0 m m钻杆时，单次冲击功与钻压成正比关系，改变钻压可实时调整冲击功。
工程样机测试表明，该工具结构设计合理，能够实现螺杆驱动钻头高速旋转和高频冲击，进一步提高工具的耐磨性能后具有良好的应用前景。
%In order to improve the efficiency of rock‐breaking in drilling operation ,a new type of me‐chanical rotary percussion drilling tool driven by PDM has been desig ned ,w hich 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 of φ127 .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 suit‐able structure ,w hich 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 .【期刊名称】《石油钻探技术》【年(卷),期】2016(044)003【总页数】5页(P50-54)【关键词】冲击器;螺杆钻具;旋冲钻井;参数设计;冲击功;冲击频率【作者】马广军;王甲昌;张海平【作者单位】中国石油大学华东石油工程学院，山东青岛 266580; 中国石化石油工程技术研究院，北京100101;中国石化石油工程技术研究院，北京100101;中国石化石油工程技术研究院，北京100101【正文语种】中文【中图分类】TE242旋转冲击是一种有效提高破岩效率和机械钻速的破岩方式，目前常见的旋转冲击钻井工具主要分为液动式、风动式和电动式等，在岩土钻凿工程中得到广泛应用[1-4]。
SLTIDT型钻井提速工具研制
Ｓ Ｌ Ｔ Ｉ ＤＴ型 钻 井 提 速 工 具研 制
周 燕 ， 金 有 海 ， 董 怀 荣。 ， 谢 慧 ， 罗 熙
（ １ ． 中国石油大学（ 华 东） ， 山东 东营 ２ ５ ７ ０ ６ １ ； ２ ． 胜利石油管理局 钻井工艺研究 院 ， 山东 东营 ２ ５ ７ ０ ０ ０ ）
ＺＨ ＯＵ Ｙａ ｎ ， Ｊ Ｉ Ｎ Ｙｏ ｕ — ｈ ａ ｉ ， ＤＯＮＧ Ｈａ ｉ — ｒ ｏ ｎ ｇ ， ＸＩ Ｅ Ｈｕ ｉ 。 ， ＬＵＯ Ｘｉ
（ １ ． Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｐｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ， Ｄｏ ｎ ｇ ｙ ｉ ｎ ｇ ２ ５ ７ ０ ６ １ ， Ｃｈ ｉ ｎ ａ； ２ ． Ｄｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ
２ ０１３正 第
４ ２卷 第 １ 期 第 ６ ７页
０Ｉ Ｌ ＦＩ ＥＬＤ
石 油 矿 场 机 械 Ｅ ＱＵＩ ＰＭＥＮＴ
２ Ｏ １ ３， ４ ２ （ １ ） ： ６ ７ ～７ ０
文章编 号 ： １ Ｏ ０ｌ ＿ ３ ４ ８ ２（ ２ Ｏ１ ３ ） ０１ － ０ ０６ ７ － ０ ４
摘要 ： 为 消除 Ｐ Ｄ Ｃ钻 头卡 滑现 象 、 提 高难 钻 地层 机 械 钻 速 ， 研制 了 Ｓ Ｌ ＴＩ ＤＴ 型钻 井提 速 工具 。 该
工 具与 Ｐ ＤＣ钻 头 配 合 使 用 ， 形 成一种 新 的钻 井工 程提速 技 术 ， 在 缩短 钻 井周期 的 同时 ， 还 能 够 稳 定
钻进 过程 ， 延 长钻 具 寿命 。采 用流体 动 力 学理论 、 ３ Ｄ虚拟 设计 技 术与试 验研 究相 结合 的研 制 方 法 ， Ｓ Ｌ ＴＩ Ｄ Ｔ 型钻 井提 速 工具 室 内试 验寿 命＞ １ ５ ０ ｈ 。现 场 试验 ７口井 ， 平均 提 速 ５ ０ 以上 ， 完全 满足
水平井新型冲捞一体化工具研究与应用
水平井新型冲捞一体化工具研究与应用张雄涛;王治国;王尚卫;刘江波;梁万银【摘要】针对现有冲砂工具在伴有胶结砂块的水平井进行冲砂作业中表现出的效率低、效果差、易堵塞等问题，研发了一种具有射流旋流、推铲刮削、捕捞收纳等多项功能的水平井新型冲捞一体化工具，并通过 Fluent 软件，对其上、下旋流孔进行了数值模拟和参数优选；一趟钻实现细小砂粒的冲洗上返和胶结砂块的捕捞收纳，有效缩短了施工周期，提高了水平段冲砂效果，同时避免了胶结砂块上返堵塞井口设备和地面管线。
现场试验表明，水平井冲捞一体化工具满足设计和施工要求，应用效果显著，具有良好的推广前景。
%In order to solve the problem of the existing sand flushing tools:low efficiency,poor effect,easy to jam etc,we design the flush-fishing tool which can jet flow,scrape wellbore and fishthe cemented sand at the same time,and we utilize fluent software to make numerical simulation and parameter optimization for the upper and lower swirl holes.And we can use the flush-fishing tool to flush out fine sand and fish up cemented sand with only one drill.Field application shows that the flush-fishing tool has met the design and construction requirements,improved the work-ing efficiency and the level of sand flushing,and avoided cemented sand plugging wellhead equip-ment and ground pipeline.The flush-fishing tool has good popularization and application prospects.【期刊名称】《石油矿场机械》【年(卷),期】2016(045)006【总页数】4页(P89-92)【关键词】水平井;冲砂;冲捞一体工具;数值模拟【作者】张雄涛;王治国;王尚卫;刘江波;梁万银【作者单位】长庆油田分公司油气工艺研究院，西安 710021; 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710018;长庆油田分公司油气工艺研究院，西安710021; 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710018;长庆油田分公司油气工艺研究院，西安 710021; 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018;长庆油田分公司油气工艺研究院，西安 710021; 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710018;长庆油田分公司油气工艺研究院，西安 710021; 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710018【正文语种】中文【中图分类】TE934.2长庆油田属典型“三低”油藏，借助钻完井技术的快速发展，“水平井+体积压裂”开发方式逐渐成为有效动用超低渗透以及致密油藏的主体技术。
塔河油田扭力冲击器试验应用研究
基 本 是 稳 定 的 。钻 杆 传 达 的扭 矩 可 以完 全用 于切 削地 层 ，而 不 致浪 费 ，实 现 了提 高机 械 钻速 的 目
的。
ห้องสมุดไป่ตู้
３ 现场试验基本参数
３ ． １ 钻 具组 合
２ １ ５ ． ９ Ｕ６ １ ３ Ｍ（ Ｐ ＤＣ ） ＋ １ ６ ５ ． １ ｍｍ扭 力 冲 击 器 ＋ ４ ３ ０ ×４ １ ０ ＋ ｌ ６ ５ ． １ ｍｍＤＣ ２ 根＋ ①２ １ ３ ｍｍ螺扶 （ 托 盘 ）＋ １ ６ ５ ． １ ｍｍＤ Ｃ１ ９ 根＋ Ｉ ２ ７ ｍｍＷＤＰ ＋ １ ２ ７ ｍｍＤＰ
一
河 油 田进 行 了扭 力 冲击 器 的试 验 ，从 多 口井 的使 用 效 果看 ，总 体 提 速较 高 ，与 使 用 常 规钻 井 工 具 相 比 ，在 同井段 机械 钻速提 高 了近５ ０ ％，基本 实现 了 “ 提速 提效 ”的预 期 目标 。
ｌ 试验井 的基本情况
扭 力 冲 击 器 在 塔河 油 田 已进 行 了多 口井 的试 验 ，通 过 技 术 改进 后 机 械 钻速 明显 提 高 。最近 使 用 的两 口井 同井段 周期缩 短 率达到３ ０ ％以上 ，以下 为这两 口井 使用井 段 的基本情 况 ： （ １ ） 井 号 为Ｔ Ｐ１ ６ ３ ￣ Ｉ ］ Ｔ Ｐ １ ６ ６ 井 ，位 于 塔 河 油 田 托 普 一 区 ，使 用 井 段均 为 三 开 二 叠 系 以 下到 三 开 完 钻 井 深 ，井 段 长 度 分 别 为 ：Ｔ Ｐ１ ６ ３ 井为 ｌ ０ ３ ３ ｍ （ ５ ３ ５ ９ — ６ ３ ９ ２ ｍ） 、Ｔ Ｐ１ ６ ６ 井为１ ０ ６ ９ ． ５ ｍ （ ５ ４ ９ ９ ． ５ ． ６ ５ ６ ９ ｍ） ，设 计机械 钻速 为２ ． ７ ６ ｍ／ ｈ 。 （ ２ ） Ｚ 开 设计 周 期 除去 二 叠 系钻 进 和 承压 堵 漏 时 间３ ５ 天左 右 ，两 口井 况基 本相 同 。
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机械工程师MECHANICAL ENGINEER
新型液力衡扭旋冲提速工具的研制与应用李华成^李华召、王春华2(1.大庆油田装备制造集团黒龙江大庆163312:2.大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163312)
摘要:新疆塔里木盆地却尔却克组地层研磨性强、机械钻速低、单只钻头进尺少。新研制的液力衡扭旋冲提速工具具有衡 扭旋冲和水力脉冲功能，在深井坚硬地层提速方面取得较好效果，应用于新疆城探1井提速效果显著，各项指标超过了国外 产品，取得了较好的经济效益。关键词:液力衡扭旋冲提速工具;衡扭旋冲;水力脉冲中图分类号:TE 921.2 文献标志码:B 文章编号= 1002-2333(2016)08-0241-02
1工具研制7J工作原理液力衡扭旋冲提速工具(如图1所示)通过钻井液提 供的动力，周向产生高频冲击,轴向产生水力脉冲™。钻头 随钻柱旋转钻进过程中，在钻压、旋转和脉动冲击下联合 作用破碎岩石，使钻头在传统刮削破岩的基础上,增加了 机械冲击和水力脉冲的辅助作用，有效解决了 PDC钻头 在深井硬地层、软硬交错地层钻进时，钻柱纵向弹跳以及 周向“黏滑”问题。此外利用井底水力脉动，可有效减少 “压持效应”引起的岩石重复切削，在一定程度上可改善 井底附近的岩石受力状况，提高钻头的破岩效率[3]。用于 下部地层效果尤为显著，平均机械钻速提高10%以上。7.2工具结构设计液力衡扭旋冲提速工具包括:下接头、本体、下止推轴承组、冲击锤头、盘阀组、旋转叶轮、导流套、上轴承组、 锁紧螺母和上接头等零件。钻井液通过导流套侧面的进 液槽带动旋转叶轮高速旋转，旋转叶轮带动盘阀组的上 盘阀旋转，下盘阀固定在本体上，盘阀组上盘阀的进液孔 与下盘阀的冲击孔和复位孔周期性连通和封闭，使锤头 在周向高频振动，冲击下接头，并带动钻头周向冲击复合 钻进。冲击结构设计设计了新型的盘阀体式冲击机构，上盘阀高速旋转， 进液孔分别与冲击孔和复位孔连通，冲击孔和复位孔分 别对应锤头的两侧，当进液孔与冲击孔连通时锤头冲击 下接头，当进液孔与复位孔连通时锤头复位，如此实现了 锤头的周向高频冲击运动。通过计算，将上盘阀进液口设
心位置向边缘成环状逐渐递减的，这一点符合现实情况。 数学模型计算底座的沉降量：=0.3555 N/mm。进行有效的计算,进而对结构整体进行优化。4)不足之处
是没有对油缸底座的应力作试验验证。式中:F为底座承受载荷力2.6762xl05 N;4为底座与砂石[参考文献]地基接触面积752 800 mm2(如图8)。由式(1)可得， s:Plk '^s=6.547 mm〇A:=0.0543 N/mm3
4现场试验与提供沙漠地基的基床系数的同一用户合作对该泵 [4]
撬的沉降量进行试验。每次作试验前，利用水平仪对泵撬
起升沙漠地基进行找平，使数据更加准确。为验证该泵撬 [5]的沉降量，分别对4个泵撬起升底座进行了 8次测量，其中 承受最大的支反力的底座测量数据如表1所示。 [6]5结论表1底座测量数据第1次第2次第3次第4次第5次第6次第7次第8次6.456.486.416.396.366.426.356.401)数学模型计算底座的沉降量与有限元计算的非常 近似，数值上相差不到1%,因此所建立的有限元模型符 合文克尔地基模型。2)本文所建立数学模型和有限元模 型通过实际工况的试验检验，数值上相差不到10%,可以 判断建立的数学模型和有限元模型也符合实际工况〇 3) 所建立的有限元模型可以对结构件与砂石地基接触工况
[1 ]沈杰.地基基础设计手册[M].上海:上海科学技术出版社,1988. [2]顾晓鲁，钱鸿缙，刘惠珊，等.地基与基础[M].北京:中国建筑工
业出版社,2003,《机械设计手册》编委会.机械设计手册[M].5版.北京:化学工业 出版社,2008.王次安.基于ANSYS Workbench的ZL50型装载机前车架疲劳 寿命分析[J],北京汽车，2011(6):40-41.
陈云龙.F-1600H型高压泥浆栗L型液缸有限元分析[J].石油矿 场机械，2013,42(1):42"46.李洪波，刘振龙，周天明，等.F-1600型泥浆泵阀座的接触分析 [J]•石油矿场机械，2010,39(5):26-29.[7] 陈威，高学仕，谢慧.泥浆泵阀箱有限元分析[J]. 石油矿场机械，2005,34(2):59-61.[8] 《机械工程材料性能数据手册》编委会•机械工程 材料性能数据手册[M ].北京:机械工业出版社， 1994.[9]浦广益.ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解[M].北京： 中国水利水电出版社，2010. (编辑昊天）
作者简介:王军伟（1982—)，男，工程师，硕士研究生，现从事石油钻 采装备的研究及设计工作。收稿日期：2016-03-02
网址:www.jxgcs.com 电邮：hrbengineer@163.com 2016 年第 8 期 241机械工程师MECHANICAL ENGINEER
图1 4种规格液力衡扭旋冲提速工具外形图计为椭圆，下盘阀冲击孔与复位孔成92.5°分布，从而实现 盘阀旋转一周，56%的时间一次蓄能，通过冲击孔释放， 9%的时间二次蓄能，通过复位孔释放，经室内试验优化 改进后，工具压降2.0 MPa，冲击力1.32 t，频率21.7 Hz。1.4特殊PDC钻头研制
根据液力衡扭旋冲提速工具的工作特点，特殊设计 了小倾角多喷嘴式Q635PDC钻头，采用抗冲击PDC复合 片[4]，可配合液力衡扭旋冲提速工具在较硬地层钻进。人5技术特点1) 机械钻速高，提速效果好。该工具为钻头提供了机 械冲击和水力脉冲的辅助作用，破岩效率更髙，相比牙轮 钻头机械钻速最高可提高6倍。2) 工具寿命长，单趟进尺长。工具内部特殊设计了耐 钻井液冲蚀导流体和高频抗冲击机构，使用寿命已达175 h，单支工具总进尺最高597 rr^3) 保护钻头，井眼规则。与未用工具井段相比，应用 工具井段PDC钻头磨损较小，使用液力衡扭旋冲提速工 具所钻井眼相对于未使用该工具的井眼更加规则。4) 适应性强，可满足不同井型的需求。可在直井、水 平井、定向井应用，提速效果显著。5) 现场操作简单可行、安全可靠。液力衡扭旋冲提速 工具配合特殊高效PDC钻头现场应用简单，仅需要将工 具和钻头接在钻柱下端即可，无需额外的设备，对现场条 件要求较少，现场使用工艺安全可靠。2城探1井现场应用城探1井位于塔里木盆地北部坳陷古城低凸起，西南 距古城8井约6.9 km，参照古城8井平均机械钻速仅为1 m/h
左右。城探1井液力衡扭旋冲提速工具共下入4只工具，从 三开3040〜4400 m井段使用液力衡扭旋冲提速工具施工， 累计进尺1056.2 m，平均机械钻速2.65 m/h。液力衡扭旋 冲提速工具施工采用双钟摆钻具组合。古城8井3315〜 5605 m为241.3 mm井眼与本井井眼一致。2.7第一趟钻对比情况分析城探1井液力衡扭旋冲提速工具第一趟钻，钻进井段 4357〜4954 m;进尺597 m;机械钻速4.21 m/h。同层位古城8井4390〜4675 m用了 1只百施特 MS1952SS钻头，进尺285 m，钻速3.9 m/h，液力衡扭旋冲 提速工具与之相比进尺提高109%，钻速提高7%;古城8井 4675〜4875 m用1只扭力冲击器，进尺200 m，钻速2.24 m/ h，液力衡扭旋冲提速工具与扭力冲击器相比，进尺提高 198.5%，钻速提高88%，各项指标均超过扭力冲击器，1只
液力衡扭旋冲提速工具的进尺相当于1只扭力冲击器和1
只百施特钻头的进尺，为施工单位节省1趟起下钻成本。 2.2第二趟钻对比情况分析城探1井液力衡扭旋冲提速工具第二趟钻，5258〜 5347 m;进尺88.9 m;机械钻速2.04 m/h。同层位古城8井4875〜5055 m用了 1只扭力冲击器，进 尺180 m，钻速1.57 m/h，液力衡扭旋冲提速工具与之相 比，进尺提高68.9%，钻速提高40%;古城8井5055〜5312 m
用了3只百施特M1665D钻头，平均进尺86.7 m，钻速1.76 m/h，液力衡扭旋冲提速工具与其相比，进尺提高251%， 钻速提高25%。1只液力衡扭旋冲提速工具的进尺相当于 1只扭力冲击器和3只百施特钻头的进尺，为施工单位节 省3趟起下钻成本。2.3第三趟钻对比情况分析城探1井液力衡扭旋冲提速工具第三趟钻，钻进井段 5258〜5347 m;进尺88.9 m;机械钻速2.04 m/h。同层位古城8井5195〜5312 m用了 1只百施特M1665D
钻头，进尺117m，钻速1.63 m/h，由于该只工具比液力衡 扭旋冲提速工具提前63 m下井，液力衡扭旋冲提速工具 与之相比进尺减少了28.1 m，但钻速提髙25%;古城8井 5312〜5322 m用了 1只百施特M1665D钻头，进尺10m，钻 速0.83 m/h，液力衡扭旋冲提速工具与其相比，进尺提高 789%，钻速提高146%。古城8井5322〜5356 m用了 1只川 石SJT517GK钻头，进尺34 m，钻速0.63 m/h，液力衡扭旋 冲提速工具与其相比，进尺提高161.5%，钻速提高224%。 1只液力衡扭旋冲提速工具的进尺相当于2只百施特 M1665D钻头和1只川石SJT517GK钻头的进尺，为施工单 位节省2趟起下钻成本。3结论采用盘阀体式冲击机构的液力衡扭旋冲提速工具， 能够产生高频冲击辅助钻头破岩，配合特殊研发的 Q635PDC钻头可在深层较硬地层中取得较好的提速效 果，能够大幅提高机械钻速，提高单只钻头进尺，减少起 下钻次数，降低钻井成本。通过城探1井液力衡扭旋冲提 速工具4趟钻使用情况分析及古城8井同层位钻头使用情 况对比，液力衡扭旋冲提速工具进尺、机械钻速都超过了 国外同类产品相应的指标。[参考文献][1 ]王敏生，王智锋，李作会，等.水力脉冲式钻井工具的研制与应 用[J ].石油机械，2006(5) :27-28,1.
[2] 蒋宏伟，刘永盛，翟应虎，等.旋冲钻井破岩力学模型的研究[J]. 石油钻探技术，2006，34( 1): 13-15.[3] 马清明.水力脉冲诱发井下振动钻井技术[J].石油钻探技术， 2005(1 ):12-14.[4] 向亮，杨涛，付建红，等.一种新的PDC钻头设计模型研究[J].石油矿场机械，2009(10):50-54. (编辑明涛）
作者简介:李华成(1981—)，男，硕士，工程师，现从事采油装备产品研发。 收稿日期：2016-01-28
242 I 2016 年第 8 期网址:www.jxgcs.com 电邮：hrbengineer@163.com