近鉆頭旋扭沖擊器結構設計與試驗

摘要：PDC 鉆頭在深井高硬度、研磨性較強的地層鉆進時會出現蹩鉆、跳鉆現象，從而導致鉆頭機械鉆速低、進尺少、經濟效益差等問題。為提高鉆頭機械鉆速，克服深井高硬地層普遍存在的粘滑現象，開展了近鉆頭旋扭沖擊器設計研究工作。結合流體力學對工具進行結構優化設計，通過建立三維模型，運用模擬軟件對工具結構流場進行有限元仿真分析，確定了工具結構參數。試制樣機開展室內及現場的性能測試，樣機各項功能正常，達到設計指標，滿足現場應用要求。可為后期現場應用及工具的進一步優化改進提供借鑒。

關鍵詞：近鉆頭；旋扭沖擊器；仿真分析；粘滑振動；沖蝕；試驗

中圖分類號：TE921.2文獻標識碼：Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.02.005

Structure Design and Test of Near Bit Rotary Torsion Impactor

LIU Yibin1， HUANG Feng1， KANG Jiantao1， ZHOU Hao2， JI Xiaona1， ZUO Yue1

（1.Engineering Technology Research Institute， BHDC， Renqiu 062550 ， China ;

2.Downhole Services Company， BHDC， Renqiu 062550， China）

Abstract：The PDC bits are generally used in deep wells with high hardness and strong abrasiveness， and the phenomenon of bit bouncing and bit bouncing occurs， which leads to a low penetration rate， less footage， and poor economic benefits. In order to improve the penetration rate of the drill bit and overcome the stick-slip phenomenon that is common in deep and high-hard formations， the design and research work of the near-bit rotary-torsional impactor was carried out. The structure of the tool was optimized by combining fluid mechanics. Through the establishment of a three-dimensional model， the finite element simulation analysis of the flow field of the tool structure was carried out by using the simulation software， and the structural parameters of the tool were determined. The indoor and field performance testing was carried out for the trial prototype. The functions of the prototype are normal to meet the design indicators and meet the requirements of the on-site application. It can be used for reference for further optimization and improvement of applications and tools.

Key words：near bit; rotary torsion impactor; simulation analysis; stick-slip vibration; erosion; test

目前，PDC 鉆頭是深井、超深井硬地層主要的破巖工具［1］，其破巖進尺占總進尺的60%以上。但由于深部地層地質條件復雜，溫度高、壓強大、巖石研磨性強［2］，使得PDC 鉆頭破巖時產生粘滑振動，導致PDC鉆頭缺乏足夠的扭矩來剪切破碎巖層，造成鉆頭過早失效［3］。為降低高硬度地層的粘滑振動對PDC鉆頭造成的損害，提高鉆頭在巖層中的鉆進效率，延長PDC鉆頭使用壽命、提高單只鉆頭進尺、縮短鉆井周期、降低鉆井成本［4］，結合旋轉沖擊輔助破巖理論與流體動力學理論，研發出新型近鉆頭旋扭沖擊器。通過與PDC 鉆頭的聯合使用，可以成為深井、超深井高效破巖的輔助工具，能夠大幅度提高深井難鉆地層的機械鉆速、保護鉆頭、降低鉆井成本［5-8］。

1結構及工作原理

1.1結構組成

近鉆頭旋扭沖擊器主要由外殼短接、導流器、液動錘外殼、液動錘、啟動器、卡環、變流量噴嘴、傳動短接等部件組成，如圖1所示。其中，外殼短接是封裝諧振器各部件的外部結構。在保證旋扭沖擊器各部活動部件穩定運動的前提下，外殼短接要承受上部鉆鋌產生的鉆壓、轉矩、彎矩及鉆井液內外壓差。導流器主要功能是過濾和分流。液動錘、啟動器是扭力沖擊器工具核心的運動部件，啟動器是液動錘運動的調節部件，液動錘產生反復運動的扭轉沖擊力。傳動短接主要是傳遞扭轉沖擊力，其次是傳遞鉆鋌的鉆壓和轉矩，并連接鉆頭［9］。

1.2工作原理

旋扭沖擊器啟動器和液動錘起始位置如圖2a所示。當鉆井液經分流器流入啟動器和液動錘外殼流道，通過啟動器和液動錘側邊流道的配合在一側形成壓差，推動啟動器轉動，從而帶動液動錘旋轉，如圖2b，給液動錘一個持續作用力，推動其沿著液動錘外殼環形軌道運動。在持續的流體力作用下，這個運動過程會不斷重復，通過液動錘持續不間斷的往復敲擊液動錘外殼，就會產生高頻低幅沖擊力。沖擊力通過傳遞機構集中均勻的傳遞到鉆頭上［10］，實現旋轉與沖擊聯合破巖，增強鉆頭的破巖效率［11］。

1.3工具結構參數及特點

旋扭沖擊器設計有182 、 210 、230 mm 3種尺寸系列工具，具體設計性能參數如表1。

2近鉆頭旋扭沖擊器仿真分析

了解旋扭沖擊器工具原理是合理設計工具的先決條件。優化分析是工具安全、長壽命工作的重要保障。因此需要對工具的內部流道、主要部件進行仿真分析。選用182 mm尺寸工具進行分析，工具的下端為430（4\"REG），上端為411（4\"IF）。

2.1內部流道結構的有限元分析

為了進一步對工具內部流道進行優化分析，需要繪制工具內部流道圖（如圖3所示）。

為了分析工具內部流體在流道中運動及壓力狀態，使用Fluent 有限元軟件進行數值模擬計算（如圖4～5所示）。選取計算參數為：鉆井液密度為1.0 g/cm3，泵的排量為32 L/s，入口和出口鉆鋌的直徑為76 mm，泵的壓力為10 MPa。

從圖4可以看出：到達工具入口的壓力為7 MPa，出口壓力為4.7 MPa，壓力消耗為2.3 MPa。從圖5可以看出：工具中心的鉆井液流速達到最大值，從中心到出口向外流速逐漸降低。在工具中心處流體速度最高可達44.1 m/s，此處也是工具受到沖蝕最為明顯的地方，在設計時應該重點加強此處的材料性能。

2.2主要部件的有限元分析

近鉆頭旋扭沖擊器設計的目的，不僅要其工作性能滿足井下鉆進施工的工藝要求，還要有十分穩定的工作壽命和安全性。

1）外殼短接。

在鉆井過程中，旋扭沖擊器外殼接頭要承受拉、壓、彎、扭、沖擊、內外壓、等多種形式的載荷［12］，這些載荷既同時存在又有相互作用。接頭主要失效形式為過量變形、斷裂和表面損傷［13］。分析外殼短接在壓載荷、轉矩、彎矩、液壓載荷及溫度載荷作用下的安全性［14］。采用Solidworks 的Simulation 插件對外殼短接進行有限元網格劃分，如圖6所示。

根據井下實際工況，外殼短接模擬加載條件為：軸向載荷80 kN、轉矩5 kN·m、工具內液壓76 MPa、工具外部壓力66 MPa。其余參數為：井深5 600 m、地溫梯度3.3 ℃/100 m、地表溫度22 ℃、鉆井液密度1.3 g/cm3。

對外殼短接進行靜力模擬分析，主要包括應力分析、扭曲分析，生成應力圖、位移圖、應變圖（如圖7所示）。根據仿真分析結果，加強不安全區域，提出結構優化設計方案［15］。

由圖7 可以看出，應力最集中處、應變最大處、壓應力最集中的位置都在外殼短接與傳動接頭相鄰接的部位，殼體所受最大應力為壓應力。外殼短接選用的 42CrMo 的屈服點 930 MPa，所受的最大載荷為268.46 MPa，安全系數達到 3.46。從位移分布圖可以看出，位移變化較為均勻，工具最大位移0.0748 mm，最大應變0.001 464 1 ，當前結構尺寸設計是安全的。

2）外殼短接與傳動短接的組合件。

外殼短接與傳動短接的組合部分為本套工具的薄弱部位，即工具在井下工作時，容易發生危險的部分。所以應該對此部分進行相應的應力分析。

建立靜態分析模型，對組合件進行網格劃分，采取實體網格劃分作為單元類型，同時為了獲得良好仿真分析精度，應該選擇高品質的網格，并且網格化的自動過渡功能處于打開狀態，以便在網格劃分時，在容易產生較大應力的部位形成較大的網格密度，

而其余部位產生相對較小網格密度（網格劃分如圖8所示）。

根據井下實際工況，確定模擬加載工作載荷，同上。

對組合體進行靜力分析，包括應力分析、扭曲分析，生成應力圖、位移圖、應變圖（如圖9所示）。根據仿真設計結果，加強不安全區域，提出結構優化設計方案。

從圖9可以看出，應力最集中處和應變最大處都在相連接的部位，此處最大應力82.85 MPa，材料屈服極限為930 MPa，安全系數為11.23，所受的載荷遠小于工具所選用材料的屈服極限，因此不發生應力破壞。從位移分布圖來看，最大位移為0.386 255 mm，位移變形較小。剛度和承載性能良好，當前結構尺寸設計是安全的。

3近鉆頭旋扭沖擊器性能測試

3.1室內清水低泵壓試驗

采用離心式大排量低壓泵，軸功率18.5 kW，流量168 m3/h，揚程23.5 m水柱，轉速2 900 r/min，效率68%；三相異步電動機，功率90 kW，額定電壓380 V，額定電流166 A，頻率50 Hz。在旋扭沖擊器上安裝有計數器，用于測定工具工作時的頻率。室內樣機測試裝置如圖10所示。

試驗數據（如表2）證明：工具的旋轉頻率很大程度上受到泵的排量、工具內部結構流道的尺寸的影響，工具的沖擊轉矩則跟工具沖擊錘的質量和泵壓力有很大關系。

3.2現場沖蝕試驗

現場沖蝕試驗條件：泥漿泵壓力18 M Pa，排量35 L/s，鉆井液密度1.50 g/cm3，沖蝕時間5 h。現場沖蝕試驗如圖11所示。

試驗數據（如表3）證明：工具工作正常，工具外觀沖蝕不明顯，液動錘沖擊聲音明顯，試驗達到設計要求，工具井下的正常工作壽命可以期待。

4結論

1）研發的旋扭沖擊器在材料、結構上進行了優化改進。在模擬軸向壓力80 kN、內外壓差10 MPa、溫度150 ℃的工況條件下對工具靜載應力進行有限元分析，從位移、應變、應力3個方面分析工具的強度特征及變形特征，旋扭沖擊器核心部件的各項參數達到了預期目標，安全可靠。

2）加工出全尺寸樣機，并分別進行室內清水試驗和現場鉆井液沖蝕試驗，根據試驗結果進一步優化設計工具的內部機構，使旋扭沖擊器達到了現場應用標準。

3）下一步應對旋扭沖擊器的工作參數進行優化篩選，并對旋扭沖擊器與PDC鉆頭的匹配情況進行分析，提升旋扭沖擊器對地層的適應性。

參考文獻：

［1］李慶. 扭力沖擊器結構設計與試驗分析［D］.北京：中國石油大學（北京），2017.

［2］謝天. 高頻軸向液動沖擊器破巖機理及試驗分析［D］.大慶：東北石油大學，2014.

［3］李瑋，紀照生，王琪琪，等.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.

［4］于冰. 水力振蕩沖擊器設計及應用研究［D］. 大慶：東北石油大學，2017.

［5］陳新勇，張蘇，付瀟，等.扭力沖擊鉆井工具模擬分析及現場試驗［J］.石油機械，2018，46（9）：29-32.

［6］林騰蛟，李潤方，徐銘宇.雙臺階鉆柱螺紋聯接彈塑性接觸特性數值仿真［J］.機械設計與研究，2004（1）：48-49.

［7］李福來. 淺談鉆頭地選型及分類法［J］. 中國石油和化工標準與質量， 2011（9）： 96.

［8］祝效華，湯歷平，吳華，等. 扭轉沖擊鉆具設計與室內試驗［J］. 石油機械， 2011，39（5）：27-29.

［9］張偉，李君，黃鴻，等. 扭力沖擊器的作用機理及在準噶爾盆地探井中的應用［J］. 中國石油和化工標準與質量， 2014（21）： 94.

［10］李思琪，閆鐵，李瑋，等.高頻扭轉沖擊器的PDC鉆頭適用性研究［J］. 石油礦場機械， 2015，44（5）：22-25.

［11］韓飛，，羅淮東，張全立，等. 扭力沖擊器設計與仿真分析［J］. 石油機械，2019，47（3）： 19-23.

［12］查青春，柳貢慧，李軍，等. 復合沖擊鉆具的研制及現場試驗［J］. 石油鉆探技術，2017，45（1）： 57-61.

［13］李美求，李嘉文，李寧，等. 周向沖擊扭矩作用下PDC鉆頭的黏滑振動分析［J］. 石油鉆采工藝，2018，40（3）： 287-292.

［14］陳新勇，王銳，張婭楠，等. 旋扭沖擊器在復雜地層井中的應用［J］. 石油化工應用， 2018， 37（10）： 29-33.

［15］楊先倫， 宋建偉， 何世明，等. 扭轉沖擊破巖效果影響因素評價［J］. 石油礦場機械， 2014，43（9）：4-8.