井下沖擊器固定套流道性能優化分析

喬東宇，張 昕，王 新，劉 頑，楊 強

（1.西部鉆探工程技術研究院，新疆 烏魯木齊830011；2.西部鉆探工程技術處，新疆 烏魯木齊830011；3.西部鉆探青海鉆井公司，青海 海西蒙古族藏族自治州817000；4.西南石油大學，四川 成都610500）

1 引言

提高深部地層的鉆速是鉆井工程中急需解決的一個關鍵問題，目前的井下沖擊工具設計仍存在井下壽命短、沖擊振動的參數不匹配等問題[1]。國內外學者針對該問題也進行了系統研究，祝效華等[2]分析了旋沖鉆井的技術特點，介紹了液動軸向沖擊器的工作機理；楊順輝等[3]提出在液動射流式沖擊器的活塞桿與缸體之間增設儲能機構，增大了沖程的沖擊功；王清巖[4]提出了沖擊器工作機理，描述了沖擊器工作過程，預測了使用性能等方面的相關結論。

本文研究的凸輪式軸向沖擊器由螺桿輸出軸、沖擊傳動軸和鉆頭接頭等組成，凸輪軌道體上端面均布3個連續的凸輪面；3個滾輪在凸輪軌道上滾動，形成軸向往復沖擊，其中固定套可以將上芯軸上的沖擊力傳遞到下芯軸，上芯軸底部布置有花鍵，可以將扭矩傳遞到下芯軸。凸輪式軸向沖擊器模型如圖1所示。

圖1 凸輪式軸向沖擊器模型

2 旋沖工具固定套流道仿真分析

本結構中花鍵和凸輪機構均浸泡在密閉的潤滑油腔體內，因此固定套和下芯軸之間的空腔內存在高壓潤滑油，當固定套向下產生沖擊時，會擠壓該空腔內的潤滑油，因此固定套和上芯軸外壁開槽會極大地影響該工具的軸向沖擊力。本文基于流體分析軟件，對該問題進行探討。

2.1 旋沖工具固定套流道模型

本文針對現場旋沖工具固定套的結構尺寸，設計了密封式和溝槽式兩種結構，幾何模型如圖2所示。可以看出上芯軸的外壁上均開有油槽，但固定套上有所區別，開有油槽的固定套向下沖擊時，腔體內的潤滑油可以迅速上返，對沖擊能量吸收較少。

圖2 旋沖工具固定套結構的幾何模型

2.2 旋沖工具固定套流道結構的流場分析

潤滑油的密度為870 kg/m3，動力粘度為0.002 Pa·s。本文分析流速分別為0.1 m/s和1 m/s，分別分析低流速和高流速下的流道壓降和下端面的作用力。流速為0.1 m/s時的壓力分布如圖3所示。當流速為0.1 m/s時，密封式固定套流道的最大總壓為5.267e3 Pa，溝槽式固定套流道的最大總壓為3.91e3 Pa。流速為1 m/s時的壓力分布如圖4所示，可以看出密封式固定套流道的最大總壓為4.53e5 Pa，溝槽式固定套流道的最大總壓為3.834e5 Pa。

分析結果表明，最大總壓位于入口邊界處，密封式固定套流道的最大總壓低于溝槽式固定套流道的最大總壓。因此，可以斷定密封式固定套流道在沖擊腔內產生較高的液壓阻尼作用，沖擊力較小；而溝槽式固定套流道在沖擊腔內產生較低的液壓阻尼作用，允許更快的下行沖擊動作，沖擊力相對更高。

圖3 流速為0.1 m/s時壁面的壓力分布

根據流體計算結果，得到了流速為0.1 m/s和1 m/s時固定套流體域入口面和下端面的作用力大小，如表1所示，結果表明，當流速一定時，密封式固定套流道入口面和下端面的作用力大于溝槽式固定套流道的作用力。因此，進一步驗證了密封式固定套較溝槽式固定套產生更大的阻尼作用。

3 結束語

凸輪式軸向沖擊器的固定套外側開槽結構流場分析結果表明：當流速為0.1 m/s時，密封式和溝槽式固定套流道的最大總壓分別為5.267e3 Pa和3.91e3 Pa；流速為1 m/s時的壓力分布，密封式和溝槽式固定套流道的最大總壓分別為4.53e5 Pa和3.834e5 Pa。因此，溝槽式固定套流道的沖擊力相對更大，密封式固定套下端面的作用力遠遠大于溝槽式固定套下端面的作用力。

圖4 流速為1 m/s時壁面的壓力分布

表1 入口面和下端面的作用力