BQ-190型閉式循環(huán)空氣錘設(shè)計(jì)與研制

李建軍，盛 益，陳 仁

(1.渤海鉆探工程公司 第二鉆井分公司，河北 廊坊 065007；2.中石化 華東石油工程公司技術(shù)裝備部，南京 210019；3.塔里木油田 第二勘探公司，新疆 庫爾勒 841000)①

BQ-190型閉式循環(huán)空氣錘設(shè)計(jì)與研制

李建軍1，盛 益2，陳 仁3

(1.渤海鉆探工程公司 第二鉆井分公司，河北 廊坊 065007；2.中石化 華東石油工程公司技術(shù)裝備部，南京 210019；3.塔里木油田 第二勘探公司，新疆 庫爾勒 841000)①

闡述了空氣錘內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及工作原理。介紹了 BQ-190型閉式循環(huán)空氣錘的進(jìn)排氣道截面積情況、配氣行程大小以及防空打功能等主要性能指標(biāo)。結(jié)合國內(nèi)外空氣錘在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題以及在防鉆頭掉落機(jī)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)原理，創(chuàng)新提出一種適用于閉式循環(huán)空氣錘的防鉆頭掉落機(jī)構(gòu)，并結(jié)合數(shù)值模擬分析說明其效果。

空氣錘；閉式循環(huán)；防掉落機(jī)構(gòu)；性能指標(biāo)

隨著我國油氣資源勘探開發(fā)程度的不斷深入，各種提速技術(shù)正逐步得到重視，而空氣錘鉆井工藝以機(jī)械鉆速高和鉆井質(zhì)量好正在逐漸獲得鉆井界普遍共識(shí)，成為垂直深井及超深井提速的重要方式之一[1-4]。閉式循環(huán)空氣錘作為整套鉆具系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，也是閉式循環(huán)空氣錘鉆井技術(shù)的核心環(huán)節(jié)，其工作性能好壞及故障率直接關(guān)系著機(jī)械鉆速、鉆井時(shí)間及鉆井成本等重要鉆井考核指標(biāo)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

1) 內(nèi)部各零部件有足夠強(qiáng)度，外層管壁有足夠抗拉、壓、彎、扭的力學(xué)特性，并且與上下接頭連接可靠。

2) 進(jìn)氣通道及排氣通道內(nèi)各自過流截面積之間相差不大，且必須保證排氣通道內(nèi)的過流截面積均大于進(jìn)氣通道過流截面積，以防止蹩壓造成局部壓力將過大。

3) 具有防止空氣錘鉆頭在鉆井過程中斷裂落井的機(jī)構(gòu)。

4) 具有足夠的沖擊能量及較低的故障率。

5) 具有良好的密封特性。

6) 在實(shí)現(xiàn)相同功能前提下，使各零部件結(jié)構(gòu)合理、加工方便、節(jié)省材料、現(xiàn)場拆裝檢修方便。

1.2 工作原理及主要結(jié)構(gòu)

BQ-190型閉式循環(huán)空氣錘內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。壓縮空氣由上部鉆桿經(jīng)芯管接頭與中間管接頭的環(huán)狀間隙進(jìn)入閉式循環(huán)空氣錘內(nèi)部，經(jīng)過內(nèi)缸上的兩排相互交錯(cuò)的徑向通孔進(jìn)入活塞工作的前后氣室內(nèi)，在氣體壓力能的作用下驅(qū)動(dòng)活塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)沖擊鉆頭尾部，實(shí)現(xiàn)沖擊能量傳遞，迫使井底巖石產(chǎn)生體積破碎。做功后的廢氣經(jīng)由襯套下部排氣環(huán)槽進(jìn)入鉆頭與下隔套之間的環(huán)狀空間內(nèi)，再通過下隔套與外缸下部的徑向通孔進(jìn)入外套管與外缸之間的環(huán)狀通道內(nèi)并向上流動(dòng)，而后再由支撐座上的徑向通孔排至外管接頭與中間管接頭的環(huán)狀排氣通道排出空氣錘外。

圖1 BQ-190型閉式循環(huán)空氣錘結(jié)構(gòu)

1.3 主要結(jié)構(gòu)尺寸

空氣錘外徑

190 mm

活塞長度

700 mm

鉆頭外徑

中心貫通孔直徑

60 mm

空氣錘長度(不含鉆頭)

1 658 mm

活塞質(zhì)量

21 kg

鉆頭質(zhì)量

42 kg

空氣錘質(zhì)量

241.7 kg

2 性能指標(biāo)

BQ-190型閉式循環(huán)空氣錘性能指標(biāo)主要包括：進(jìn)、排氣道截面積大小、配氣行程大小、防空打功能等。

2.1 進(jìn)、排氣道截面積

BQ-190型閉式循環(huán)空氣錘內(nèi)部進(jìn)、排氣道截面積分布如圖2所示，可以看出：任一處排氣通道的截面積均大于進(jìn)氣通道的截面積，進(jìn)氣通道區(qū)域內(nèi)的截面積均大于2 000 mm2，最小截面積為外缸與內(nèi)缸之間的環(huán)狀間隙，排氣通道區(qū)域內(nèi)的截面積均大于3 000 mm2，最小截面積為下隔套與外缸徑向排氣通孔及支撐座徑向排氣通孔。

從BQ-190型閉式循環(huán)空氣錘防空打狀態(tài)下的壓力分布云圖(如圖3所示)可以看出：空氣錘進(jìn)氣道區(qū)域明顯處于高壓區(qū)，而排氣道區(qū)域明顯處于低壓區(qū)，有利于做功后的廢氣排出并減小流動(dòng)阻力。從速度分布云圖(如圖4所示)可以看出：壓縮空氣只在活塞與芯管之間的環(huán)狀通道內(nèi)流速較高，而在進(jìn)氣道和排氣道區(qū)域內(nèi)的流速變化均較為平穩(wěn)，基本無明顯流速突變現(xiàn)象。綜合壓力和流速的分析結(jié)果，該閉式循環(huán)空氣錘的進(jìn)、排氣道的設(shè)計(jì)方案合理。

圖2 空氣錘內(nèi)部進(jìn)、排氣道截面積分布

圖3 防空打狀態(tài)下的壓力分布云圖

圖4 防空打狀態(tài)下的速度分布云圖

2.2 配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與行程大小

配氣機(jī)構(gòu)是空氣錘內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)核心環(huán)節(jié)之一，采用配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)、排氣方向的切換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)活塞在前、后氣室內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在氣體流入前氣室之后，將對(duì)活塞產(chǎn)生一個(gè)向上加速度，驅(qū)動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)。在氣體流入后氣室之后，將對(duì)活塞產(chǎn)生向下加速度，并最終驅(qū)動(dòng)活塞向下加速運(yùn)動(dòng)，沖擊鉆頭。

配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵任務(wù)就是確定各配氣行程段長度，而各配氣行程段長度的大小直接關(guān)系著空氣錘的工作性能。BQ-190型閉式循環(huán)空氣錘配氣結(jié)構(gòu)如圖5所示，圖中：L1表示前氣室的膨脹或壓縮行程+進(jìn)氣行程；L2表示前氣室進(jìn)氣行程；L3表示后氣室排氣行程；L4表示后氣室壓縮或膨脹行程+排氣行程；L5表示活塞結(jié)構(gòu)行程。由圖5可知：活塞的回程和沖程運(yùn)動(dòng)均經(jīng)歷5個(gè)狀態(tài)，分別為前氣室進(jìn)氣+后氣室排氣狀態(tài)、前氣室進(jìn)氣+后氣室壓縮或膨脹狀態(tài)、前氣室膨脹或壓縮+后氣室壓縮或膨脹狀態(tài)、前氣室膨脹或壓縮狀態(tài)+后氣室進(jìn)氣狀態(tài)、前氣室排氣+后氣室進(jìn)氣狀態(tài)。

圖5 配氣結(jié)構(gòu)

BQ-190 型閉式循環(huán)空氣錘配氣狀態(tài)如圖6所示：活塞與鉆頭尾部接觸面即為原點(diǎn)O，空氣錘中心軸線方向作為x軸，活塞向上做回程運(yùn)動(dòng)為正方向，向下沖程運(yùn)動(dòng)為負(fù)方向，L表示活塞實(shí)際最大行程。

圖6 配氣狀態(tài)

2.3 防空打功能

防空打功能切換的快速靈活性是空氣錘的一項(xiàng)主要性能檢驗(yàn)指標(biāo)。防空打通過上提鉆具來實(shí)現(xiàn)，如圖7所示。當(dāng)整個(gè)鉆具系統(tǒng)提離井底一定高度后，鉆頭由于失去了井底巖石的支撐，在自身重力作用下沿花鍵軸向下伸出，并掛靠在半圓卡上，鉆頭伸出空氣錘的長度為55 mm。活塞也隨之向下移動(dòng)，并掛靠在襯套上端面上，而活塞伸出長度為45 mm，活塞與鉆頭之間有10 mm的間隙，因此活塞的下端面無法敲擊到鉆頭尾部，而且活塞上端面此時(shí)已經(jīng)位于內(nèi)缸徑向進(jìn)氣孔以下，原有正常鉆進(jìn)工作時(shí)的配氣行程被打破，前氣室進(jìn)氣道將處于關(guān)閉狀態(tài)。壓縮空氣直接經(jīng)由后氣室并沿活塞和芯管間環(huán)狀通道排入空氣錘下部排氣區(qū)域中。防空打功能成功避免了空打產(chǎn)生沖擊力對(duì)空氣錘、鉆頭及鉆桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的破壞，有效保護(hù)整個(gè)鉆具系統(tǒng)的安全。

圖7 防空打狀態(tài)

3 防掉落機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)原理

BQ-190型閉式循環(huán)空氣錘防鉆頭掉落機(jī)構(gòu)由花鍵套、防掉落罩和鉆頭3部分組成。花鍵套下端外側(cè)設(shè)計(jì)有一處臺(tái)階；防掉落罩內(nèi)側(cè)上部也設(shè)計(jì)有一處內(nèi)凸臺(tái)，下部采用普通螺紋牙型與鉆頭連接。在裝配時(shí)，首先將花鍵套套在鉆頭的花鍵軸上，然后再將防掉落罩套入花鍵套內(nèi)并與鉆頭連接緊固。在拆卸時(shí)，先將花鍵套從外套管上拆下，而后再將防掉落罩與鉆頭連接螺紋松開并取出。

在正常鉆進(jìn)的工作狀態(tài)時(shí)，鉆進(jìn)過程所需要的鉆壓和扭矩由外套管經(jīng)過花鍵套傳遞給鉆頭，而防掉落罩在鉆進(jìn)過程中只隨著鉆頭一起回轉(zhuǎn)，但不承受上部鉆具傳遞來的鉆壓和轉(zhuǎn)矩，從而提高防掉落罩的使用壽命及防掉落機(jī)構(gòu)的可靠性。此外，由于外套管外徑大于防掉落罩內(nèi)孔直徑，因此即使在防掉落罩與鉆頭連接的螺紋發(fā)生松動(dòng)時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)脫開鉆頭造成防掉落機(jī)構(gòu)失效的事故。

圖8為防掉落機(jī)構(gòu)在空氣錘處于“防空打”時(shí)的工作狀態(tài)，防掉落罩隨著鉆頭向外伸出和縮回。防掉落罩與花鍵套配合表面的間隙控制在 0.5 mm之內(nèi)，在保證防掉落罩伸出和縮回順暢自如的同時(shí)，又防止井底細(xì)小顆粒巖粉進(jìn)入防掉落罩和花鍵套的配合區(qū)域內(nèi)沉積。

圖8 防空打工作狀態(tài)

圖9為防掉落機(jī)構(gòu)在鉆頭發(fā)生斷裂時(shí)的工作狀態(tài)。圖中顯示當(dāng)鉆頭的3處易發(fā)生斷裂面中任一處發(fā)生斷裂時(shí)，防掉落罩下部通過螺紋連接著鉆頭冠部，而內(nèi)凸臺(tái)掛靠在花鍵套下部外臺(tái)階上，從而實(shí)現(xiàn)防止鉆頭冠部掉落井底。

圖9 鉆頭斷裂工作狀態(tài)

3.2 數(shù)值模擬分析

BQ-190 型閉式循環(huán)空氣錘鉆頭在鉆進(jìn)過程中的應(yīng)力分布云圖如圖10所示。由圖10可知：鉆頭尾部及頸部段的應(yīng)力值明顯高于鉆頭冠部及底唇面的應(yīng)力值，其中在花鍵槽頂部附近應(yīng)力值最大，達(dá)到571 MPa，在安全范圍內(nèi)。 鉆頭該截面采取與防掉落罩連接的方式能夠有效地起到防止鉆頭尾部和頸部發(fā)生斷裂落井的事故。

圖10 鉆頭在鉆進(jìn)過程中應(yīng)力分布云圖

3.3 功能特點(diǎn)

BQ-190 型閉式循環(huán)空氣錘防鉆頭掉落機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 不改變空氣錘內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2) 不影響鉆頭已有的整體強(qiáng)度。

3) 防掉落罩整體強(qiáng)度高，連接可靠，鉆進(jìn)過程中不易發(fā)生失效。

4) 當(dāng)鉆頭上任一處發(fā)生斷裂時(shí)，均可實(shí)現(xiàn)防掉落功能。

5) 各零件結(jié)構(gòu)簡單，便于加工及安裝、拆卸。

4 結(jié)語

BQ-190 型閉式循環(huán)空氣錘可以實(shí)現(xiàn)高效碎巖旋沖鉆井及壓縮空氣和鉆井泥漿2種流體獨(dú)立循環(huán)的多工藝、多介質(zhì)復(fù)合式鉆井新技術(shù)，該鉆井技術(shù)既兼合了常規(guī)空氣錘鉆井技術(shù)以及常規(guī)泥漿鉆井工藝的優(yōu)點(diǎn)[5]，又同時(shí)彌補(bǔ)了各自存在的不足和缺陷，是一項(xiàng)具備一定應(yīng)用前景的油氣資源勘探鉆井提速新技術(shù)。為解決目前我國在鉆井工程中所面臨的鉆進(jìn)效率低、井下復(fù)雜事故多、周期長以及成本高等突出難題，提高我國在復(fù)雜條件下的油氣藏以及品質(zhì)較差儲(chǔ)層的單井產(chǎn)量和采收率，推動(dòng)我國油氣資源勘探鉆井提速關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，提供了一種創(chuàng)新的鉆井技術(shù)及配套鉆具支持。

[1] 何高全.深井鉆井技術(shù)發(fā)展的難點(diǎn)及對(duì)策[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2014，(6)：75.

[2] 唐俊，劉權(quán)萍，嚴(yán)輝容，等.空氣錘發(fā)展和應(yīng)用研究[J].石油礦場機(jī)械，2013，42(11)：16-19.

[3] 劉建林.反循環(huán)空氣錘及其在氣體鉆井中的應(yīng)用前景[J].石油礦場機(jī)械，2012，41(7)：11-14.

[4] 羅整，徐中祥，李曉慧，等.空氣錘鉆井技術(shù)在氣體鉆井中的應(yīng)用[J].鉆采工藝，2007，30(6)：9-10.

[5] 劉建林，殷琨.SGQ-320型氣體鉆井用貫通式潛孔錘的研制[J].石油鉆探技術(shù)，2012，40(1)：114-118.

Research and Design of BQ-190 Closed-circulation Air Hammer

LI Jianjun1，SHENG Yi2，CHEN Ren

(1.No.2 Drilling Branch，BHDC，Langfang 065007，China；2.EastChinaPetroleumEngineeringCompany，SINOPEC，Nanjing210019，China；3.No.2DrillingCompany，TarimOilfield，Korla841000，China)

The internal structure design and working principles are introduced，and BQ-190 closed loop inlet section area of exhaust duct in air hammer，charging stroke，and anti-slip are introduced as well.Combined with air hammer in practical application and the problems appeared in use both at home and abroad，such as a prevention mechanic for bit dropping，a new mechanic is designed for closed-circulation air hammer，and an illustration for its effective application with the numerical simulation analysis is shown.

air hammer；closed circulation；dropping preventer；performance index

1001-3482(2016)12-0083-04

2016-07-21

李建軍(1982-)，男，河北任丘人，工程師，主要從事石油設(shè)備技術(shù)管理工作。

TE921.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.022