旋沖鉆井講義

中石化干部培訓(xùn)班旋沖鉆井技術(shù)講義編者：陶興華中石化新星石油公司培訓(xùn)班2002年11月旋沖鉆井技術(shù)講義提綱:一、 概述二、 旋沖鉆井工具分類及各自特點(diǎn)三、 旋沖鉆井破巖特點(diǎn)分析1旋沖鉆井破巖特點(diǎn)2影響旋沖鉆井破巖特點(diǎn)的因素四、 旋沖鉆井對鉆頭壽命影響分析五、 射流式?jīng)_擊器工作原理六、 射流式?jīng)_擊器工具機(jī)構(gòu)設(shè)置1射流元件2分流孔機(jī)構(gòu)3防空打機(jī)構(gòu)七、 射流式?jīng)_擊器設(shè)計(jì)模型的建立及輔助設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)1模型建立2軟件開發(fā)八、 旋沖鉆井沖擊器室內(nèi)測試九、 旋沖鉆井沖擊器性能參數(shù)的確定1沖擊器主要性能參數(shù)確定2沖擊器主要部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定十、沖擊器整體強(qiáng)度校核十一、旋沖鉆井技術(shù)應(yīng)用十二、發(fā)展方向十三、結(jié)論與建議一、概述旋沖鉆井技術(shù)就是在旋轉(zhuǎn)鉆井的基礎(chǔ)上，再增加一個由沖擊器產(chǎn)生的高頻沖擊作用，使鉆頭承受周期性的沖擊載荷。旋沖鉆井屬井下動力鉆井的一種鉆井方法，它是由沖擊載荷與靜壓旋轉(zhuǎn)聯(lián)合作用破碎巖石。旋沖鉆井的鉆具結(jié)構(gòu)是：鉆頭+沖擊器+鉆鋌+鉆桿+方鉆桿，地面設(shè)備和常規(guī)鉆井一樣。經(jīng)多年在四川、青海、吐哈油田數(shù)口井的試驗(yàn)表明，旋沖鉆井可以大幅度提高鉆井速度，硬地層、易斜地層及破碎地層鉆進(jìn)時可提高鉆速30%以上，且井身質(zhì)量好。旋沖鉆井之所以能提高機(jī)械鉆速，是因?yàn)闆_擊給鉆頭齒下巖石造成強(qiáng)應(yīng)力集中，使巖石塑性降低，脆性增加，迅速產(chǎn)生脆性破壞坑，提高了破巖效率。同時，產(chǎn)生的破碎坑給旋轉(zhuǎn)剪切創(chuàng)造了有利條件，使鉆速提高。來自大陸科學(xué)鉆探的消息：為了克服堅(jiān)硬地層巖石和復(fù)雜的地層，試驗(yàn)應(yīng)用了一批新工具和新工藝，并取得了滿意的結(jié)果，其中就有液動沖擊器，大大提過了機(jī)械鉆速，在第一階段（578.9-681.3米），平均機(jī)械鉆速由1.02m/h提高到1.65m/h，提高了60%；第二階段（863.13-1102.48米）平均機(jī)械鉆速由0.64m/h提高到1.42m/h，提高了122%，兩階段的使用說明旋沖鉆井技術(shù)的應(yīng)用可以成倍的提高機(jī)械鉆速。同時在傾角達(dá)70度的地層中，應(yīng)用該技術(shù)還有利于防斜，即鉆至1100米，最大井斜3.57度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于預(yù)先導(dǎo)2孑匕（PP2孔）的14.6度（井深1027.2米）。實(shí)踐證明，液動沖擊器在井身質(zhì)量方面有防斜的作用。技術(shù)由來：石油鉆井工程鉆井深度較深，上覆地層較厚，重力場的作用，高壓異常，鉆井液柱壓力增大，隨著井深增加，巖石的各向壓縮性增強(qiáng)，顆粒間的距離縮短，巖石的強(qiáng)度隨著圍壓的增加而明顯增高，鉆頭每次破碎巖石的體積減少，從而影響鉆井效率。早在五十年代，美國鉆井權(quán)威魯賓斯基就指出：“在旋轉(zhuǎn)中加錘擊作用，即使鉆壓減輕50%，鉆速可以保持不變，鉆頭壽命增加，把井打直”。發(fā)展史：液動沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)的設(shè)想始于歐洲。1900-1905年間，俄國工程師B.沃爾斯基設(shè)計(jì)了幾種石油鉆井液動沖擊器。二十世紀(jì)40年代，前蘇聯(lián)H.葛莫夫研制出滑閥式正作用液動沖擊器，美國巴辛格爾研制出了活閥式正作用液動沖擊器，到50年代，美國艾莫雷研制出了活閥式反作用沖擊器。海灣石油公司和殼牌石油公司也研制出了各自的液動沖擊器，主要用于油氣鉆井及卡鉆事故處理。到60年代，國外對液動沖擊器有初步的研究，并逐步走向成熟，美國潘美公司經(jīng)過努力改進(jìn)其液動沖擊器的材料、設(shè)計(jì)，以及相應(yīng)的鉆頭，使之日臻完善，并充分顯示了液動沖擊鉆井技術(shù)的優(yōu)勢及潛力。前蘇聯(lián)60年代后期液動沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)一直在不斷地研究，但主要應(yīng)用于固體礦鉆探中，井深可達(dá)2400-2700米。90年代以來，美國、德國、挪威等仍在繼續(xù)此項(xiàng)技術(shù)的研究，并在油氣勘探開發(fā)中應(yīng)用。我國早在1958年就開始研制液動沖擊器，八十年代后，旋沖鉆進(jìn)技術(shù)在地質(zhì)巖芯鉆探領(lǐng)域日趨成熟，已研制出射流式、射吸式、正作用式、雙作用式和繩索取芯液動沖擊器等五類二十余種沖擊器，總進(jìn)尺超過百萬米，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，鉆進(jìn)效率大幅提高，特別在硬地層鉆進(jìn)，平均機(jī)械鉆速比常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)提高50%?100%。自八十年代中期至今，各國均加快了在石油旋沖鉆井方面的研究步伐。特別在我國，多家石油、地質(zhì)院校及油田科研單位對旋沖鉆井在石油鉆井工程領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了可行性研究和大膽嘗試，先后設(shè)計(jì)了不同類型的液動沖擊器，如正作用閥式?jīng)_擊器、雙作用閥式?jīng)_擊器及射流式?jīng)_擊器等，在沖擊器理論計(jì)算、參數(shù)設(shè)計(jì)、加工工藝及地面測試等方面做了大量工作，并進(jìn)行過多次現(xiàn)場試驗(yàn)，但由于石油鉆井具有其特殊性，無論是鉆井設(shè)備、鉆井結(jié)構(gòu)、鉆井液性能、鉆具性能要求以及井底工作環(huán)境等方面較之地質(zhì)巖芯鉆探差別很大，造成大多數(shù)沖擊器不能滿足現(xiàn)場施工要求，試驗(yàn)效果不太理想。自1995年以來，我所對旋沖鉆井工藝技術(shù)及液動沖擊器進(jìn)行了系統(tǒng)和深入的研究，通過近幾年的研究和反復(fù)實(shí)踐，使旋沖鉆井技術(shù)在石油鉆井工程方面的應(yīng)用取得了可喜成果。我所設(shè)計(jì)制造的YSC-178型液動射流式?jīng)_擊器在東北地區(qū)、四川地區(qū)、青海地區(qū)、云南地區(qū)、吐哈油田進(jìn)行了9次入井試驗(yàn)，進(jìn)尺800余米，機(jī)械鉆速平均提高30?50%，沖擊器易損件的壽命有較大提高。在石油鉆井應(yīng)用的優(yōu)越性和可行性：1能夠大幅度提高硬脆性、破碎性地層鉆井速度；2鉆頭磨損慢，鉆頭壽命延長，可降低鉆井成本；3提高井身質(zhì)量，減少鉆具損壞，尤其對于深井硬地層需要賺沖鉆井技術(shù)；4有利于錄井；5石油鉆井設(shè)備和鉆具可以滿足旋沖鉆井技術(shù)要求。二、旋沖鉆井工具分類及各自特點(diǎn)液動射流式?jīng)_擊器種類很多，常見的有閥式正作用、反作用、雙作用、射流式、射吸式等。2-1正作用沖擊器圖 2-2反作用沖擊器閥式正作用是以高壓流體推動活塞沖捶下行沖擊，DF2-1正作用沖擊器圖 2-2反作用沖擊器閥式正作用是以高壓流體推動活塞沖捶下行沖擊，DFE1上接頭2射流元件3缸體4活塞5沖錘6外缸7砧子8八方套9下接頭其復(fù)位。該類沖擊器具有可利用高壓室中的液壓力量做功，流體在腔體內(nèi)較暢通、功率恢復(fù)高、結(jié)構(gòu)簡單、工作性能可靠、便于縮小直徑。但需要借助彈簧使其復(fù)位，彈簧壽命決定沖擊器的壽命。反作用沖擊器是借助彈簧推動活塞沖捶下行沖擊，如圖2-2，以高壓流體使其復(fù)位。單次沖擊功較大，但需要借助彈簧使其做功，彈簧壽命決定沖擊器的壽命。射流式?jīng)_擊器利用“雙穩(wěn)”射流元件控制改變高壓流體的流向，直接推動活塞沖錘產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動。這種沖擊器無彈簧裝置，結(jié)構(gòu)簡單，工作性能可靠便于操作，但需要鉆井液凈化。閥式雙作用沖擊器是通過控制閥的分配，如圖2-3,向，以壓差原理推動活塞往復(fù)運(yùn)動，這種沖擊器無彈簧裝置，功率恢復(fù)較高，結(jié)構(gòu)簡單，但腔圖2-3液動閥式?jīng)_擊器體內(nèi)暢通性差，各部件間間隙要求較高，對鉆頭壓降要求也較高。因此，射流式?jīng)_擊器、閥式雙作用適合石油鉆井，但兩者能量利用方式又有所區(qū)別：水擊壓力不同：射流式?jīng)_擊器主要靠流體的表壓作用推動活塞做功，產(chǎn)生的水擊壓力小。閥式雙作用沖擊器主要靠閥關(guān)閉后產(chǎn)生的水擊壓力來推動活塞做功；射流式?jīng)_擊器結(jié)構(gòu)簡單、零件少、安裝拆卸方便、易于維修和操作、性能參數(shù)可調(diào)；射流式?jīng)_擊器工作時不會堵死循環(huán)通道。三、旋沖鉆井破巖特點(diǎn)分析1旋沖鉆井破巖特點(diǎn)旋沖鉆井是在旋轉(zhuǎn)鉆井的基礎(chǔ)發(fā)展起來的，研究旋沖鉆井破巖特點(diǎn)應(yīng)首先從旋轉(zhuǎn)鉆井的破巖過程入手，再結(jié)合波動理論分析旋沖鉆井的破巖特點(diǎn)。（1） 旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的破巖特點(diǎn)（略）牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動，是一復(fù)合運(yùn)動，除公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)外，還有軸向縱振及牙輪的滑動。即沖擊、壓碎作用②滑動剪切作用（2） 旋沖鉆井破巖特點(diǎn)在旋沖鉆進(jìn)過程中，牙輪鉆頭除受到旋轉(zhuǎn)鉆井過程中的靜載荷和動載荷外，沖擊器還對鉆頭施加一個高頻的沖擊載荷，這樣巖石產(chǎn)生形變所需時間縮短，變形速度增大，被沖擊點(diǎn)還來不及對作用力重新分配，應(yīng)力變化很快接近或超過強(qiáng)度極限，使巖石脆性增加塑性下降。硬度較高的巖石抗壓強(qiáng)度高，脆性大，受到交變沖擊載荷后，巖石中裂縫擴(kuò)展，強(qiáng)度降低，容易破碎形成坑穴和產(chǎn)生剪切體，有利于體積破碎的產(chǎn)生。旋轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)過程是：首先，孔底不規(guī)則的表面被壓平；作用力逐漸增加，接觸處產(chǎn)生彈性變形；作用力繼續(xù)增加，鉆頭下面的巖石，開始出現(xiàn)微裂紋，鉆頭外側(cè)邊界處的應(yīng)力集中線向外形成放射性的裂紋；兩個主要裂紋在巖石中形成一個長而窄的巖屑壓碎和壓實(shí)，形成破碎區(qū)，巖石表面突然破裂，出現(xiàn)許多貝殼狀的碎塊；作用力增長變慢，兩側(cè)產(chǎn)生的剪切體被工具的吃入而崩排出作用力下降，形成一個破碎坑；如圖3-1所示在旋轉(zhuǎn)作用下，兩坑穴間的脊部被剪切掉，形成體積破碎。1 2 圖3-1旋沖破巖過程 5沖擊載荷與鉆具縱振的區(qū)別？其沖擊頻率遠(yuǎn)高于縱振頻率，加載速度快；沖錘產(chǎn)生的沖擊載荷只是作用于鉆頭，并以應(yīng)力波的形式通過鉆頭傳遞透射到巖石中；縱振是由于井底不平、送鉆不均等因素引起的鉆具周期性的拉伸與壓縮，鉆頭和鉆具屬于一個受力系統(tǒng)，而旋沖鉆井沖擊載荷僅作用于鉆頭之上，是由沖錘產(chǎn)生的，鉆頭和其上部鉆具屬于兩個受力系統(tǒng)。盡管在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中，牙輪鉆頭也對巖石產(chǎn)生一定的沖擊，但頻率較低，旋轉(zhuǎn)一周，一個牙齒只能產(chǎn)生一次沖擊，而且相鄰齒間距較大，兩相鄰沖擊點(diǎn)之間應(yīng)力波疊加作用不明顯，不足以將兩個破碎區(qū)完全相連。而在旋沖鉆進(jìn)時，一個齒壓入巖石后在垂直于井眼的平面內(nèi)周向移動時，沖擊次數(shù)不止一次，沖擊點(diǎn)密度大大增加，兩相鄰點(diǎn)的沖擊波相互重疊，破碎區(qū)相連，齒面下的巖石產(chǎn)生體積破碎，從而大大提高了巖石破碎。理論分析和實(shí)踐驗(yàn)證了在硬度小、塑性大的巖石中，牙齒沖擊壓入巖石后，只是壓一個小坑，破碎效率很低，但由于巖石較軟，剪切破碎比較容易，主要靠牙齒的滑動剪切作用來增大破碎效率。而在硬而脆、研磨性高的巖石中，最好采用鑲齒牙輪鉆頭，因?yàn)橛操|(zhì)合金齒耐磨性高、強(qiáng)度大，主要靠牙齒的壓入破碎巖石，如果在一定范圍內(nèi)增加鉆頭牙齒對地層的沖擊壓力，就能顯著提高鉆井效率。2影響旋沖鉆井破巖效果的因素旋沖鉆井破巖主要是以體積破碎方式破碎巖石，影響體積破碎的因素主要是沖擊功、沖擊頻率和轉(zhuǎn)速、鉆壓等。沖擊功實(shí)驗(yàn)也證明，隨著沖擊功的增大，巖石上的破碎坑穴就越大越深，因此，從破巖效果的角度出發(fā)，選擇沖擊器的沖擊能量越大越好，但是，評定沖擊破巖效果的合理性，還必須考慮到巖石的性質(zhì)、單位體積破碎功和鉆頭的承受能力。通過對國內(nèi)外的旋沖鉆井工藝技術(shù)的調(diào)研，沖擊功一般設(shè)定在在每厘米鉆頭直徑為3.5?13牛?米比較合適，但針對不同的巖石和不同類型的鉆頭可以進(jìn)行調(diào)整。例如，在81/2"井眼中，如果使用鑲齒牙輪鉆頭鉆硬地層老慮到鉆頭齒和軸承的承受能力，可采用300J的沖擊功，產(chǎn)生的沖擊力約在40KN左右；而在旋轉(zhuǎn)鉆井中，81/2"牙輪鉆頭使用的鉆壓平均150KN，縱振產(chǎn)生的沖擊載荷大約為37.5KN?75KN，鉆壓峰值可達(dá)525KN，相比之下，沖擊器產(chǎn)生的動載就小得多，另外，沖擊頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于縱振的頻率，不可能形成共振,因此可以說沖擊器合適的沖擊功對鉆頭的影響不大。沖擊頻率和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)數(shù)和頻率存在一定的匹配關(guān)系，兩者匹配合理與否影響著鉆井破巖效果，不同的巖石性質(zhì)，轉(zhuǎn)數(shù)和頻率的匹配關(guān)系不同。頻率高而轉(zhuǎn)數(shù)低，會使井底產(chǎn)生重復(fù)破碎，而頻率低，轉(zhuǎn)數(shù)高，又會造成兩次沖擊坑穴間脊部巖石寬度增加，不能產(chǎn)生足夠的“體積破碎”，由此推薦轉(zhuǎn)數(shù)和頻率的關(guān)系為：N=f?0/2式中：f—沖擊頻率，Hz；N—轉(zhuǎn)速，rpm；0—兩次沖擊間的夾角，國外專家認(rèn)為的最優(yōu)轉(zhuǎn)角0=11°。沖擊頻率一般控制在10?40Hz之間。例如，在81/2"井眼中，對于鑲齒牙輪鉆頭,沖擊頻率要小一點(diǎn),一般在20Hz。對于天然金剛石鉆頭,考慮其低的抗沖擊性，沖擊頻率可提高到40Hz左右。對于PDC鉆頭，沖擊頻率可控制在30?40Hz左右。對于TSP鉆頭，沖擊頻率可控制在30?35Hz左右。鉆壓旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時，鉆壓的作用是使切削齒以切削形式破碎巖石，而在旋沖鉆進(jìn)時，鉆壓的作用僅在于保證切削齒與巖石緊密的接觸，以便更好地傳遞沖擊器的脈動沖擊，它對破巖不起主要作用，旋沖鉆進(jìn)的切削作用僅在破碎研磨性弱、軟巖石有所表現(xiàn)。試驗(yàn)證明在鉆進(jìn)硬度小于中硬以下地層時，增加鉆壓，機(jī)械鉆速有所增加，而鉆進(jìn)硬巖時，鉆壓增加超過一定值，會引起鉆頭過渡磨損和鉆具彎曲，平均機(jī)械鉆速還會有所下降；進(jìn)一步增加鉆壓，引起鉆頭的早期破壞，不能提高破巖效果。在工作中，鉆壓應(yīng)保證克服沖擊器在井下工作時的反作用力，使鉆頭與井底巖石保持合理的壓應(yīng)力。分析認(rèn)為鉆壓的作用有利于破巖，表現(xiàn)在以下方面：第一、鉆壓可以提高沖擊作用力的峰值；第二、在沖擊作用下衰減的過程中，鉆壓的作用仍然可以使鉆頭齒對地層巖石的作用力達(dá)到一定的大小，破碎巖石；第三、在沖擊作用力消失后，鉆壓的作用仍可以使地層巖石中產(chǎn)生破裂但未形成巖屑的巖石產(chǎn)生破碎；第四、鉆壓的另一個重要作用是時刻將鉆頭壓持在井底，使鉆頭齒與地層保持緊密的接觸，保證了鉆頭齒上的沖擊作用力能很好地作用到地層的巖石中去，減少鉆頭齒與地層巖石間的沖擊作用的傳遞損失。通過對國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研，鉆壓為常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)計(jì)鉆壓的1/3?2/3,從而保證鉆頭在受沖擊作用下不產(chǎn)生跳鉆現(xiàn)象，又要使靜載和動載之和不至于破壞鉆頭。四、旋沖鉆井對鉆頭壽命影響分析1牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動狀態(tài)及受力分析目前旋沖鉆井所用鉆頭均為三牙輪鉆頭，在旋沖鉆井過程中，牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動與旋轉(zhuǎn)鉆井基本相同，鉆頭工作時繞自身軸線公轉(zhuǎn)和繞牙掌軸線自轉(zhuǎn)，同時由于鉆頭單雙齒接觸井底和井底本身不平整造成鉆頭作縱向低頻振動，鉆頭縱振頻率一般在2?9Hz之間。據(jù)美國埃索公司（EssoProductionResearchco.）曾利用專門研制的井下記錄儀對某井鉆井過程中的鉆壓與扭矩變化進(jìn)行的測試結(jié)果可以看出，鉆柱存在著振動和慣性的影響，實(shí)測井下鉆壓在很大范圍內(nèi)變化，其最小值可以到零（此時鉆頭將離開井底，形成跳鉆），而最大峰值可達(dá)570KN，平均鉆壓約為160KN，鉆壓變化幅度約為平均鉆壓的土30%，最大峰值鉆壓約為平均鉆壓的3.57倍。隨著鉆壓的變化，鉆頭的扭矩也在很大范圍內(nèi)變化。最小扭矩可以是負(fù)值（即存在反扭矩），而最大峰值可達(dá)6000N?m，平均扭矩為4700N-m，扭矩變化幅度約為平均扭矩的土14%，最大峰值扭矩可達(dá)平均扭矩的1.28倍。該公司還對其它幾口井進(jìn)行了測試并得出如下結(jié)論：鉆井過程中鉆壓增加變化幅度一般為平均鉆壓的25%?50%，最大峰值為平均鉆壓的3倍以上。扭矩增加變化幅度為平均扭矩的14%?30%，最大峰值為平均扭矩的1.5倍。同時測出鉆頭上下振動的幅度為9?25mm。2旋沖鉆井對牙輪鉆頭使用壽命的影響分析旋沖作用對鉆頭使用壽命的影響主要表現(xiàn)在對鉆頭軸承、牙齒的影響。牙輪軸承失效主要是由于軸承密封損壞引起的。密封的好壞主要取決于密封方式、鉆頭轉(zhuǎn)速、材質(zhì)及加工質(zhì)量。在密封方式、材質(zhì)及其它條件一定的情況下，鉆頭轉(zhuǎn)速越高，密封件的磨損越快，另外高轉(zhuǎn)速可使密封件產(chǎn)生高溫加速損壞。過大的鉆壓和動載荷，也是軸承失效的主要原因。在旋沖鉆井時，沖擊器施加高頻沖擊對鉆頭的影響可以從五個方面加以分析：首先肯定沖擊器施加的沖擊動載增大了軸及軸承的縱向載荷。因?yàn)闆_擊力與鉆頭承受的鉆壓、縱振產(chǎn)生的動載的共同作用，增大了軸承的復(fù)合動載及交變負(fù)荷產(chǎn)生的疲勞破壞。在沖錘撞擊砧子的瞬間，作用力在極短的時間內(nèi)有著很大的變化幅度，并以應(yīng)力波的形式向鉆頭方向傳遞。以YSC-178型沖擊器為例，單次沖擊功一般在100?300J范圍，測得產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力約在10?40KN之間；而在正常情況下用81/2"牙輪鉆頭鉆進(jìn)，平均鉆壓150KN，由縱振產(chǎn)生的沖擊載荷按施加鉆壓的25%?50%計(jì)算為37.5?75KN，鉆壓峰值按平均鉆壓的 3.5倍計(jì)算可達(dá)525KN，相比之下由沖錘沖擊產(chǎn)生的動載小得多，因此可以說沖錘沖擊產(chǎn)生的動載對牙輪鉆頭的軸及軸承壽命影響不大。沖錘往復(fù)沖擊砧子，沖擊力通過下接頭傳遞給鉆頭，而砧子通過八方套與下接頭為活動連接，因此，沖錘下?lián)艨墒广@頭始終趨向接觸井底，這在一定程度上減少了旋轉(zhuǎn)鉆井中出現(xiàn)的鉆頭脫離井底造成的跳鉆，有利于提高鉆頭軸承的使用壽命。旋沖鉆井所需鉆壓較常規(guī)鉆井低20%左右，軸承持續(xù)承壓相對較小，軸承密封件亦可減少磨損。旋沖鉆井一般應(yīng)用在中硬以上地層，鉆頭可選擇適合硬地層鉆進(jìn)的鉆頭，這類鉆頭齒短，再加上使用鉆壓較小，崩、斷齒的可能減少。從理論分析和試驗(yàn)后的鉆頭使用情況來看，目前使用的牙輪鉆頭能夠滿足旋沖鉆井工藝需要。3旋沖鉆井使用牙輪鉆頭的經(jīng)濟(jì)性評價(jià)按以下公式計(jì)算對比每米鉆井成本：B+C(t+T)C= tFTOC\o"1-5"\h\z式中：Ct-每米鉆井成本， 元/m；B—鉆頭成本， 元；Cr—鉆機(jī)作業(yè)費(fèi)， 元/m；T—純鉆進(jìn)時間， h；t—起下鉆時間， h；F—鉆頭進(jìn)尺， m。在對比條件基本相同的情況下，上式中B、Cr及t可視為常數(shù)，若旋沖鉆井較旋轉(zhuǎn)鉆井平均機(jī)械鉆速提高30%以上，旋沖鉆進(jìn)用鉆頭和旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭的純鉆時間T相同，則進(jìn)尺F相應(yīng)增加30%，每米成本Ct可降低30%。五、射流式?jīng)_擊器工作原理液動射流式?jīng)_擊器主要有三個機(jī)構(gòu)組成。如圖5-1為射流式?jīng)_擊器的結(jié)構(gòu)示意圖。包括控制機(jī)構(gòu)I、動力機(jī)構(gòu)II、功率傳遞機(jī)構(gòu)III。上下接頭1、9分別為和鉆鋌連接的螺紋接頭,沖擊器裝在鉆頭和鉆鋌之間。下鉆到底建立鉆井液循環(huán),此時沖擊器對鉆頭產(chǎn)生沖擊。鉆壓和扭矩從鉆鋌通過鉆具筒體和砧子傳遞給鉆頭。砧子可以通過八方塊上下滑動。在與元件連接的壓蓋上設(shè)計(jì)有分流孔，使多余的能量不參與沖擊器工作,流體分流后直接參與井內(nèi)循環(huán)。射流式?jīng)_擊器工作原理為:鉆井液通過射流元件2的噴嘴噴出，在附壁作用下，如先附壁于C側(cè)，鉆井液由C通道進(jìn)入缸體3的上腔，活塞受向下的力，當(dāng)活塞到達(dá)缸體下死點(diǎn)時，停止運(yùn)行，缸體上腔壓力瞬間增高，訊號反饋回至D通道(控制孔)，

促使射流由C通道切換到E通道，鉆井液經(jīng)E進(jìn)入缸體下腔，推動活塞向上運(yùn)動，當(dāng)活塞運(yùn)行至上死點(diǎn)時，缸體下腔壓力瞬間增高，訊號反饋回至F促使射流由C通道切換到E通道，鉆井液經(jīng)E進(jìn)入缸體下腔，推動活塞向上運(yùn)動，當(dāng)活塞運(yùn)行至上死點(diǎn)時，缸體下腔壓力瞬間增高，訊號反饋回至F通道（控制孔），促使射流由E通道切換到C通道，鉆井液進(jìn)入缸體上腔，推動活塞向下運(yùn)動，與活塞連接的沖錘5便沖擊砧子7,砧子通過八方套與下接頭連接（下接頭連接鉆頭），完成一次沖擊，能量以應(yīng)力波的形式傳給鉆頭。當(dāng)活塞向上運(yùn)行時，上腔流體由C通道流入B通道（排出孔）；當(dāng)活塞向下運(yùn)行時，下腔鉆井液由E通道也流到B通道（排出孔），再經(jīng)與排出孔連通的水道、外筒的腔體、砧子內(nèi)的孔道流經(jīng)鉆頭沖冼孔底后由環(huán)空返回地面。1上接頭2射流元件3缸體4活塞7砧子I■一8八方套---9下接頭..一5沖每液動射流式?jīng)_擊器結(jié)構(gòu)圖c,E輸出通道I控制機(jī)構(gòu)D、F控制孔 II動力機(jī)構(gòu)B放空孔 HI功率傳遞機(jī)構(gòu)六、射流式?jīng)_擊器機(jī)構(gòu)設(shè)置液動沖擊器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則是：該鉆具無論在何種情況下不影響鉆井液的正常循環(huán)；鉆井液循環(huán)時鉆頭承受鉆壓后能自動操作；沖擊器適合滿足井眼條件要求的鉆井液流量；可通過鉆井液流量調(diào)節(jié)沖擊器性能參數(shù)。一旦沖擊器在井下不工作，不會因工具而起鉆，配合一個牙輪鉆井的使用時間。1射流元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)射流元件是沖擊器的核心部件，是井下流體通過沖擊器的必經(jīng)之路，設(shè)計(jì)需要考慮到整體結(jié)構(gòu)的尺寸、供給流量、元件使用壽命等因素。為避免元件在工作時發(fā)生堵塞現(xiàn)象，減少流體通過射流元件產(chǎn)生高速流體對元件產(chǎn)生較強(qiáng)的沖蝕，加大了噴嘴、信號道及控制道的尺寸。如圖6-1所示。

2防空打機(jī)構(gòu)原理防空打機(jī)構(gòu)是通過砧子與下接頭之間采用八方套滑動配合實(shí)現(xiàn)的。如圖6-2所示，當(dāng)鉆具提離井底時，鉆頭及砧子下滑，砧子坐在下接頭的臺階上，同時活塞沖錘也隨之下移。使活塞下圓柱面關(guān)閉下腔體進(jìn)水口，這樣流體就無法進(jìn)入活塞下腔，沖錘活塞無法抬起，沖擊器停止工作，鉆井液由射流元件的排出孔直接流向井底。當(dāng)鉆進(jìn)時鉆頭接觸井底，砧子和沖錘上移，缸體下腔體進(jìn)水口打開，沖擊器恢復(fù)正常工作狀態(tài)。石油旋沖鉆井實(shí)施中，考慮到鉆頭承受脈動沖擊力，選擇的是牙輪鉆頭，將沖擊器沖擊功控制在300J以內(nèi)，而石油鉆井排量一般在20-40L/S的范圍內(nèi)，同時也為了使沖擊器內(nèi)一旦被堵塞后，不會使循環(huán)流體斷路，為了穩(wěn)妥起見，在元件壓蓋上設(shè)計(jì)了兩個6mm或8mm左右的孔，將流體分出一部分不通過沖擊器做功，只參與循環(huán)。該分流孔裝有石油鉆頭噴嘴，流體流徑途徑如圖6-3所示。七、射流式?jīng)_擊器設(shè)計(jì)模型的建立及輔助設(shè)計(jì)軟件射流式?jīng)_擊器工作時流體的運(yùn)動過程非常復(fù)雜。由于附壁射流的頻繁切換，流體的壓力及速度不斷改變。其工作性能參數(shù)影響因素較囂如活塞的質(zhì)量，行程，射流元件的幾何尺寸、泵的排量及泵壓、-活塞的有效作用面積等。以水擊方程、伯努利方程、活塞運(yùn)動微分方程為理論基礎(chǔ)，建立動態(tài)數(shù)學(xué)模型，利用微機(jī)模擬電算可有助于了解沖擊器工作的動力過程，找出各參數(shù)影響的相互關(guān)系，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1數(shù)學(xué)模型的建立利用流體力學(xué)理論和數(shù)學(xué)有限差分法求解活塞運(yùn)動微分方程，建立了數(shù)學(xué)模型，即將沖錘活塞行程劃分成許多微段，在每一小微段內(nèi)按勻加速度運(yùn)動處理。液動射流式?jīng)_擊器的工作過程可分為回程、沖程兩個階段。針對這兩個階段分別建立了數(shù)學(xué)模型?；钊倪\(yùn)動模型如圖7-1所示圖7-1圖7-1活塞受力分析圖P一高壓腔壓力Pb一低壓腔壓力 Fn—高壓腔水給活塞的推力Ft一密封圈摩擦阻力F2—液體阻力G一重力 D1—活塞直徑S］一活塞大端截面積D2一活塞桿直徑s2一活塞桿截面積V—活塞運(yùn)動方向活塞及沖錘質(zhì)量為M,缸體內(nèi)徑為D1，面積為S「活塞桿直徑為D2,面積為S2，背壓為Pb，高壓腔水壓力為P,X(t)表示活塞隨隨時間變化曲線，以向上為正方向。(一)、回程階段數(shù)學(xué)模型活塞運(yùn)動微分方程的建立如圖所示，回程階段活塞受到下腔向上的壓力 P,液體對活塞及沖錘的阻力F2,上缸產(chǎn)生的背壓Pb以及活塞密封圈的摩擦阻力Ft,下面分別計(jì)算：①活塞及沖錘重量G=Mg液體對活塞作用力fn(上、下腔)FN=(Si-S2)P-PbSi其中：Pb為背壓，可1艮據(jù)伯努利方程計(jì)算出液體輸出所需壓力。沖錘運(yùn)動時液體的阻力dxF=-C—2 3dtC3——液體阻力系數(shù)，對小直徑?jīng)_擊器值為：1?2牛頓秒/米，大口徑為10牛頓秒/米。dxdt液體速度(米/秒)。dxdt液體速度(米/秒)。活塞密封圈的摩擦阻力FTFt=嚇D1H(P-Pb)日一一摩擦系數(shù)H——密封圈的有效高度令b=Ft，則F=bF，當(dāng)活塞直徑為30?60mm時，b=0.1?0.2TOC\o"1-5"\h\ziF t1N 1故有微分方程：d2x 1——=一(F-G+F-F)dt2 mdx一\S—S)P—PS—mg—。一—bF1 2b1 3dt1N(1—b)(S—S)P—P—mg—CdX1 2b 3dt...d2x其中————為任一時間間隔At內(nèi)的加速度;dt2dxdtdxdt為任一時間間隔內(nèi)活塞的初速度;令在=v,P及P也為任一時間間隔初始狀態(tài)值，dt0 0dxdtmt=dxdtmt=t1dx=1(1—訊—s)P-Ps-mg-c一i+v12b1 3dt活塞運(yùn)動微分方程為:x=s+<vAtH (1-bX-s)P-Ps-mg-c—^At2>0 0 2m1 2b1 3dtI<——>其中：x——活塞位移；At——電算選擇的時間步長(時間間隔)；v0——任一時間間隔內(nèi)活塞的初始位移。(2)伯努利方程p=p+、—卓—T三1 0 2g2g2g式中：Po,v0——任一時間段起始參數(shù)；P；」——任一時間段末尾參數(shù)；1T——壓力損失系數(shù)(分為局部和沿程)。背壓

(二)、沖程階段數(shù)學(xué)模型錘重G=mg液體對活塞作用力FN=PS1-Pb1(S1-S2)液體對沖錘的阻力dxF=-C—2 3dt活塞密封圈摩擦阻力FT嚇D嚇D1H(P’-P：)=bFNF=T故加速度方程為:其中b=0.1?0.3dxC—+bF一mg3dtNdxG-dxC—+bF一mg3dtNdxG-b)F+C—-mgN3dt)1 dxP'-P'(s一S+C—一mg1b1 2 3dt)1dx速度方程為：令：/=%為任一時間間隔起始速度位移為:1dxI1-P'\s-sP+C mg>一At+vb1 2 3dtIm0x=s+vAt+ (b一1JsP一P(s一s)一mg+c—At2

"1b1 2 3dt)伯努利方程同回程。(三)、流體流動損失的計(jì)算高壓流體從水泵到鉆桿經(jīng)上接頭、上壓蓋、射流元件、缸體、鉆頭、由鉆桿和井眼環(huán)空返回，這一流程，壓力損失可由伯努利方程計(jì)算出，具體模擬過程為：（1）沿程損失計(jì)算h=KL坦°（1）沿程損失計(jì)算h=KL坦°d2g其中L——長度（m）；d 為當(dāng)量直徑（m）；v1 流速（m/s）K——損失系數(shù)可由下式求出:當(dāng)r=口一<2000

ey時，64K=——r

er=^―<9.2xdey 1X105時：k=0.0179(1+0.867)02日d0.0310.021其它情形k=-一d0.021（2）管路局部水頭損失計(jì)算、.,,，?■ v2計(jì)算公式為：h=匚^—對不同的情形局部損失系數(shù)。不同。漸縮管：匚=0.1漸放管：。=0.25斷面突然擴(kuò)大：匚斷面突然縮小：…斷面突然擴(kuò)大：匚斷面突然縮?。骸?.5（1-=(―-1)2A1A2)A1（四）、水擊計(jì)算沖擊器工作時，流體在一個周期內(nèi)共發(fā)生四次水擊。依次是：流體切換到左右通道時發(fā)生兩次水擊，活塞在上下極限位置速度突然變?yōu)榱銜r發(fā)生兩次水擊。其中后兩次水擊產(chǎn)生的水擊壓力對沖錘不做功，可以不考慮。其他兩次水擊計(jì)算如下：水擊波速為：其中：EW—水的彈性模量e 壁厚c 外徑b——管的內(nèi)徑W——水的密度水擊壓力p'二(2C+1)P其中C=°仲 3=1000 a——水擊波速2pv一水流速度 P——射流元件入口處壓力。(五)、參數(shù)計(jì)算沖擊頻率計(jì)算公式f=1/T式中：T 活塞周期；沖擊能量計(jì)算公式：E=mv2/2式中：m 活塞及沖錘質(zhì)量；v——沖擊末速度；實(shí)際流量計(jì)算公式：4'gal*XL其中：Sa1 活塞面積；sa2——活塞桿截面積；L——沖擊行程；f 沖擊頻率。流量利用率n=(q’/q)X100%能量利用率計(jì)算公式：n=(Ef/pq)X100%式中：p——泵壓；q 泵量；E——單次沖擊功；f——頻率。2軟件的開發(fā)模擬設(shè)計(jì)軟件是在windows環(huán)境下，采用C語言編制，用戶界面全部采用圖形方式、菜單提示，簡要流程圖7-3如下，程序具有以下功能。

流量、沖擊末速度，能量利用率等，如圖7-4所示。同時繪出泵量、泵壓、行程、錘重、活塞有效作用面積等參數(shù)對沖擊器性能的影響關(guān)系曲線。利用模擬設(shè)計(jì)計(jì)算，繪出影響沖擊器性能的主次因素排列圖，從而實(shí)現(xiàn)沖擊器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。原始參數(shù)沖擊器性能參數(shù)沖擊功(j)沖擊頻率(HZ)沖擊末速度(m/s)主泵壓力(MPa)泵量原始參數(shù)沖擊器性能參數(shù)沖擊功(j)沖擊頻率(HZ)沖擊末速度(m/s)主泵壓力(MPa)泵量(L/Min)能量利用率(%)流量利用率儀)泵量(L/Min)f35 行程(mm)計(jì)算步長⑹窖封圈阻力系流體阻力系數(shù)沖擊器類型IYSC-178噴嘴長(mm)噴嘴寬(皿)活塞直徑(mm)|90活塞桿直徑(皿)Ro錘重(Kg)區(qū) 反彈系數(shù)|2.99|6.520-圖7-4液動射流式?jīng)_擊器電算結(jié)構(gòu)輸出Status 99一7—4 10:52可以通過對YSC-178型射流式?jīng)_擊器室內(nèi)實(shí)測試驗(yàn)，從下表7-1、圖7-5可以看出：實(shí)測值與計(jì)算值比較吻合，誤差小于6%，因此，設(shè)計(jì)值基本反映了工具的實(shí)際參數(shù)。YSC-178型液動射流式?jīng)_擊器實(shí)測與計(jì)算對比結(jié)果 表7-1行程mm排量L/Mi泵壓Mpa沖擊功J沖擊頻率Hz實(shí)測計(jì)算誤差實(shí)測計(jì)算誤差205461.664.12563.570.9%8.558.752.3%7141.682.36580.7891.9%10.2610.441.7%7441.692.3486.8155.9%10.6410.912.6%

830 660 700 740830 660 700 740八、旋沖鉆井沖擊器室內(nèi)測試12也II鳥8測試系統(tǒng)由三部分組成，即測試臺架，傳感器及預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。如圖12也II鳥8' 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)____n在該系統(tǒng)中，沖擊功、由擊頻率、、沖擊末速度是清點(diǎn)式開關(guān)傳感器及數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)測得。測試桿以絲扣的形式連接在沖錘的尾端，隨沖錘同步運(yùn)動，沖錘運(yùn)行至下死點(diǎn)末尾時,l先后蓬電式傳感器高低兩個觸點(diǎn)接觸，相繼產(chǎn)生兩個電信號，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)'在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出沖擊功、沖擊頻率、沖擊末速度的測試結(jié)果及測試波形圖。測試數(shù)據(jù)可存盤，并根據(jù)需要可打印出來。1.沖擊功、沖擊頻率的檢測原理該測試系統(tǒng)可采用開關(guān)觸點(diǎn)式傳感器測試沖擊功及沖擊頻率。沖擊功是通過測定沖擊末速度，然后再利用動能公式確定的。測試時，當(dāng)測試桿隨同沖錘一起運(yùn)行到下死點(diǎn)時，分別與傳感器高、低觸點(diǎn)碰撞接觸，在兩個回路中分別觸發(fā)窄、寬兩個脈沖。兩回路脈沖相互處理后，前沿時間差△t就是沖錘運(yùn)動在其下死點(diǎn)處由高觸點(diǎn)至低觸點(diǎn)時所運(yùn)行時間，顯然沖錘末速度可進(jìn)近似為N*/*。末其中△S為高低兩觸點(diǎn)的高度差，可由游標(biāo)卡尺量取，也可在測試前由一重錘自由下落而測試標(biāo)定。由于選擇的△、很小，一般在1mm左右，這種近似引起的誤差很小。則沖擊功A=i/mv2.2觸點(diǎn)法檢測沖擊頻率的原理如圖8-2所示，T At ?- 圖~觸點(diǎn)法檢測沖擊頻率的原理圖 一T為沖錘連續(xù)兩次沖擊砧子，高觸點(diǎn)產(chǎn)生的脈沖信號間隔，也即沖擊器的沖擊周期，顯然沖擊頻率f=1/T。此為計(jì)周測頻原理。當(dāng)沖擊頻率很高時，該系統(tǒng)還可自動轉(zhuǎn)化為計(jì)數(shù)測頻。2.測試系統(tǒng)的標(biāo)定在利用觸點(diǎn)法測試沖擊器的沖擊功時，兩觸點(diǎn)高差的測量誤差，將直接導(dǎo)致沖擊功的測試誤差。測試之前，對傳感器的觸點(diǎn)高度，我們采用標(biāo)定的方法獲得。標(biāo)定的原理即選取一定質(zhì)量的重錘，在一定的高度^以自由落體運(yùn)動撞擊觸點(diǎn)式傳感器高、低兩個觸點(diǎn)，由測試系統(tǒng)可測出重錘在兩觸點(diǎn)之間的運(yùn)動時間△t，而重錘的運(yùn)動末速度大小，可由自由落體的運(yùn)動方程求得。即V=末”2gh,而^S=V末/△to九、旋沖鉆井沖擊器性能參數(shù)的確定1沖擊器主要性能參數(shù)確定石油鉆井井眼較深，地層變化復(fù)雜，巖層的軟硬程度各不相同。根據(jù)石油鉆井的工況條件和設(shè)備能力來確定沖擊器的性能參數(shù)。為適合于8匕”井眼，保持鉆具原有組合結(jié)構(gòu)，確定沖擊器的外徑為①178mm。泵的輸出參數(shù)為現(xiàn)場實(shí)際排量20?40L/S，泵壓為10?20Mpa。沖擊功是設(shè)計(jì)沖擊器的關(guān)鍵，也是決定破碎巖石效果的基本條件。（美國提倡高沖擊頻率、低沖擊功；前蘇聯(lián)提倡低沖擊頻率、高沖擊功）確定沖擊器的沖擊功要考慮到巖石的性質(zhì)，井眼直徑，鉆頭上切削齒的數(shù)目及水泵的排量。此外，考慮到鉆頭的抗沖擊性能。初次使用三牙輪鉆頭，沖擊功不能過大，將沖擊器沖擊功的目標(biāo)值定為此300?400J。沖擊頻率的確定，根據(jù)旋沖鉆井破巖特點(diǎn)分析中，轉(zhuǎn)速和沖擊頻率的關(guān)系內(nèi)容，選取石油鉆井轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速范圍為55?75rpm來考慮，可確定沖擊器頻率為20Hz左右。2射流式?jīng)_擊器主要部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定運(yùn)用正交試驗(yàn)法分析行程、錘重、缸徑變化對性能參數(shù)的影響，探索諸相關(guān)因素對沖擊器工作性能的影響規(guī)律。采用微機(jī)電算進(jìn)行沖擊器設(shè)計(jì)，可使設(shè)計(jì)參數(shù)與沖擊器實(shí)際性能參數(shù)達(dá)到一致，避免設(shè)計(jì)的盲目性，縮短研制周期，

優(yōu)化沖擊器性能。同時，改變相關(guān)部件結(jié)構(gòu)尺寸，在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，綜合考慮確定出沖擊器主要部件的結(jié)構(gòu)尺寸。缸徑的確定缸體直徑?jīng)Q定了活塞有效面積，在泵的壓力不變條件下，面積越大，作用力越大，活塞所獲得的加速度、速度都會增大，沖擊功因此也越大，但缸徑增大會影響沖擊器其他性能參數(shù)，如：沖擊頻率，所需泵量能量利用率等。通過計(jì)算可定量描述參數(shù)間的關(guān)系見表9-1，曲線見圖9-1。65sK-S品6.7

10595a0B5807570652g探413-fc65sK-S品6.7

10595a0B5807570652g探413-fc改變缸徑對沖擊器性能參數(shù)的影響 表9-1序號缸徑(mm)活塞桿直徑(mm)性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果周期(s)頻率(Hz)沖擊功(J)能量利用率(％)泵壓(Mpa)泵量L/Min18033.70.11278.87161.2137.371.091441.8328535.80.10619.42167.5417.281.229523.9339037.80.10059.52474.0627.191.411615.07495400.095710.4480.7897.071.645715.745100420.091610.9187.5166.941.941825.416105440.088211.3394.3676.792.311944.95n：能量利用率 f：頻率e：沖擊功圖9-1缸徑變化曲線表中數(shù)據(jù)及曲線表明隨著缸徑增大，沖擊功、沖擊頻率都隨之增大。沖擊器外徑確定后盡可能地選擇較大直徑的缸體，來增大沖擊功。同時要考慮到缸徑對泵量的影響。缸徑增大所需泵量增大，結(jié)合沖擊器內(nèi)部腔體空間，綜合考慮缸徑擬采用①90mm?；钊麠U直徑的確定活塞直徑與活塞桿直徑之比直接影響有效作用面積，影響沖程與回程時間，其比值越大回程時間越長，從而影響沖擊頻率，不同的比值對應(yīng)的計(jì)算結(jié)果如下表9-2。

活塞與活塞桿直徑比對沖擊器性能參數(shù)的影響表 表9-2序號活塞與活塞桿直徑比性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果周期(s)頻率(HZ)沖擊功(J)能量利用率(%)泵壓(MPa)泵量L/Min195/300.092910.7680.4347.26781.6413714.17295/300.094210.61880.5817.17861.6429714.82395/400.095710.44580.7897.07081.6452715.74495/450.097710.23780.9756.93831.6473716.56595/500.19.9781.1236.77681.6489717.22表中數(shù)據(jù)及曲線表明活塞直徑不變，改變活塞桿直徑對沖擊器性能參數(shù)影響不大。活塞桿直接與沖錘相連，帶動沖錘上下運(yùn)動，產(chǎn)生沖擊。其直徑主要還是受強(qiáng)度的影響。綜合考慮活塞桿直徑選定為40mm。沖錘及活塞總質(zhì)量的確定沖錘質(zhì)量(包括活塞質(zhì)量)是影響沖擊器工作參數(shù)的最重要因素之一。此選取了幾種不同質(zhì)量的沖錘進(jìn)行了電算結(jié)果見表9-3，做出曲線見圖9-2。錘重對沖擊器性能參數(shù)的影響表 表9-3序號錘重(kg)性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果周期(s)序號沖擊功(J)能量利用率(%)泵壓(MPa)泵量L/Min1405.4115.204.71212.01020.4682505.301138.565.06292.01001.0123605.165159.085.30242.0979.1234705.024177.695.47972.0958.0525804.874194.165.61092.0936.797圖9-2錘重變化曲線在相同泵壓下，增大錘重，沖擊頻率減小，由于沖擊末速度減小幅度不大，所以沖擊功增大，因此，液動射流式?jīng)_擊器沖擊功，應(yīng)選用較大的錘重，由表可知選用較大60Kg。沖擊行程的確定

沖擊行程是沖擊器設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，對沖擊器工作性能影響很大。在泵壓不變條件下，選用較大的結(jié)構(gòu)行程值，沖擊能量增大，沖擊頻率降低。計(jì)算的幾種不同行程的結(jié)果見表9-4，曲線見圖9-3。行程變化對沖擊器性能參數(shù)的影響表 表9-4序號行程(mm)性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果周期(s)頻率(HZ)末速度(m/s)沖擊功(J)能量利用率(%)泵壓(MPa)泵量L/Min1100.038525.9471.93831106.347.19743.0820.72200.064415.5192.4011164.327.06703.01020.63300.090111.0942.6309197.276.82293.01118.44400.11568.6492.7853221.106.48613.01184.25500.14287.0012.8730235.246.06523.01221.56600.17265.7922.9165242.425.56713.01240.17700.20294.9272.9617249.995.02943.01259.48800.23094.1852.9635250.304.42573.01260.19900.27623.622.9784252.813.82533.01266.5圖9-3行程變化曲線由表及曲線可知行程加大，沖擊器的沖擊頻率顯著降低，而沖擊末速度及沖擊功增大。石油鉆井特點(diǎn)要求沖擊器性能參數(shù)可調(diào)。擬采選用改變沖擊行程來調(diào)節(jié)沖擊器的工作性能參數(shù)方案。由表中數(shù)據(jù)可得選用10?90mm行程可獲得較好的性能參數(shù)調(diào)節(jié)范圍。不同泵壓下沖擊器的工作性能參數(shù)液動射流式?jīng)_擊器工作時，活塞上始終都有高壓液體的作用，因此泵壓的變化在很大程度上影響沖擊器的工作性能參數(shù)。泵壓變化時的計(jì)算結(jié)果見表9-5，曲線見圖9-4。

1.52as3 44JSS6_泵賠呼)」E：沖擊功冢壓Q：1.52as3 44JSS6_泵賠呼)」E：沖擊功冢壓Q：流量f：頻率序號泵壓(MPa)性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果周期(s)頻率(HZ)末速度(m/s)沖擊功(J)能量利用率(%)泵量L/Min11.370.1955.131.89101.45.84801.921.640.1705.892.06120.76.09875.031.900.1536.532.22139.96.23942.142.170.1417.102.36159.26.331004.952.700.1238.112.63197.86.441120.063.230.1119.002.88236.66.511225.074.310.09510.523.33315.06.591413.385.110.08711.533.62374.06.631540.095.900.08012.453.89433.36.651657.4注：行程：40mm 錘重：57Kg圖9-4泵壓變化曲線由表中數(shù)據(jù)及曲線可知，泵壓增大，泵量也增加，沖擊功，沖擊頻率顯著上升。能量利用率提高。另外泵壓增大，泵量增大，噴咀處流速增加，射流元件工作可靠性也顯著增加，對提高沖擊器工作性能很有益處。不同背壓下沖擊器工作特性液動沖擊器以液體作為工作介質(zhì)。沖擊器在井內(nèi)工作時，由連通器原理可知背壓增加多少，高壓腔壓力也相應(yīng)增加多少，作用在活塞上的有效作用力基本保持不變。因此背壓對沖擊器的工作特性影響甚微。不同背壓下的工作性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表9-6，曲線見9-5。

05 1 2 25背壓Pb皿)n:能量利用率-節(jié)巴、褂集2B4 05 1 2 25背壓Pb皿)n:能量利用率-節(jié)巴、褂集2B4 ,170.5 *1 1.5 2 2￡對壓Pb(MPa)f：頻率 E：沖擊功序號背壓(MPa)性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果頻率(HZ)沖擊功(J)能量利用率(%)泵壓(MPa)泵量L/Min10.519708266771603495969130021.019562226768529376367130031.319471226767492396609130041.619365226766459526844130052.019194226744421117161130062.5189542267853800975551300圖9-5背壓變化曲線十、沖擊器整體強(qiáng)度校核載荷確定沖擊器是一種實(shí)現(xiàn)旋沖鉆井工藝作業(yè)的新型井下動力鉆具。根據(jù)鉆井工藝等實(shí)際情況和可能出現(xiàn)的特殊作業(yè)情況，取最大鉆壓為Pmax=18t=18000kgf,按脈動載荷處理，循環(huán)特征r=1,平均鉆壓為Pm=9000kgf,荷幅為Pa=9000kgf；取最大扭矩為Mmax=2000kgf?m,同樣按脈動循環(huán)處理，循環(huán)特征r=1，平均扭矩為Mm=1000kgf，扭矩幅為Ma=1000kgf?mm，實(shí)際在進(jìn)行鉆井作業(yè)中，鉆壓和扭矩都小于上面兩設(shè)定值。危險(xiǎn)截面和危險(xiǎn)點(diǎn)的確定截面I：即沖錘外筒與八方套連接的螺紋根部，此處壁薄且有螺紋，應(yīng)力集中，應(yīng)作為危險(xiǎn)截面校核。截面11：即外缸與中接頭連接的螺紋根部，但此處螺紋壁厚于截面I。截面111：即沖錘外筒與中接頭連接的螺紋根部，此處螺紋壁厚于截面I。強(qiáng)度校核截面I校核外管螺紋根部截面外徑D1=178mm,螺紋根部直徑dj150,材料：40CrMnMo調(diào)質(zhì)處理。許用安全系數(shù)為2.5?3，as=78.5kgf/mm2?按第三強(qiáng)度理論校核截面面積：A1=n(D12-d12)/4=n(1782-1502)/4=7213.097mm2拉壓應(yīng)力：ajPmax/A]=18000/7213.097=2.50kgf/mm2抗扭截面模量：W1=n(D14-d14)/(16XD1)=n(1784-1504)/(16*178)=548924.766mm剪切應(yīng)力：Ti=Mmax/Wi=2000X103/548924.766=3.64kgf/mm2相當(dāng)應(yīng)力：ad1=(a：+4t：)1/2二(2.502+4X3.642)1/2=7.70kgf/mm2安全系數(shù)：n1=as/a到二78.5/7.70二10.19＞許用安全系數(shù) 安全按壓一扭組合作用校核疲勞強(qiáng)度安脈循環(huán)處理 循環(huán)特征：r=1應(yīng)力幅：a1=a/2=2.50/2=1.25kgf/mm2T1=T1/2=3.64/2=1.82kgf/mm2平均應(yīng)力：a1=a1/2=2.50/2=1.25kgf/mm2T=T/2=3.64/2=1.84kgf/mm2m11純壓疲勞安全系數(shù)：na1=a1/(KaXa/(￡axp)+waXa『TOC\o"1-5"\h\z查