井筒沖擊鉆井法設(shè)計(jì)研究

井筒沖擊鉆井法設(shè)計(jì)研究

通常，旋轉(zhuǎn)鉆孔法適用于約4000m的位移孔，其特點(diǎn)是巖石通常是堅(jiān)硬的。一些鉆探團(tuán)隊(duì)只能用1h的牙輪孔鉆孔2.4英寸。針對這種情況,若使用旋轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)法則能奏效。由于國內(nèi)現(xiàn)有的沖擊鉆裝備不能完全滿足鉆深井的要求,必須對現(xiàn)有沖擊器加以改進(jìn),以適應(yīng)工況?，F(xiàn)設(shè)計(jì)的是深井沖擊器,為射吸雙作用式。實(shí)質(zhì)上是一個單缸往復(fù)式馬達(dá),主要利用來自循環(huán)鉆井液的沖擊能,靠轉(zhuǎn)盤提供扭矩,鉆壓和扭矩由鉆鋌通過沖擊鉆具的筒體傳給鉆頭,可提高機(jī)械鉆速30%～50%。1閥控液壓隨動系統(tǒng)射吸式?jīng)_擊器結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要是利用泥漿液流過噴嘴時的卷吸作用,以及閥控液壓隨動系統(tǒng)的壓力與位移綜合反饋關(guān)系,使閥與活塞在上下腔內(nèi)產(chǎn)生交變壓力差,推動活塞往復(fù)運(yùn)動,以沖擊和振動2種方式輸出能量。工作過程從回程開始至沖程結(jié)束。1.1噴射泵系統(tǒng)模型啟動前,沖擊器的閥與活塞均處于行程下限,閥呈開啟狀,液流通道暢通,噴嘴與隨動閥控系統(tǒng)組成一只噴射泵(圖2a)。啟動時工作液從噴嘴射出,高速射流形成卷吸作用,上腔壓力迅速下降,液流隨著通道的擴(kuò)大和流速的減慢,節(jié)流孔的增壓作用使下腔壓力升高,與上腔形成壓力差,閥與活塞同時上升,但由于閥質(zhì)量較小,先行到行程上限(圖2b),隨后活塞也到上限,回程完成(圖2c)。1.2由帶水擊下腔產(chǎn)生的不同時點(diǎn)沖擊引起的抗壓水擊當(dāng)活塞和閥同時到達(dá)上限位置時,閥門關(guān)閉,高速液流阻斷產(chǎn)生水擊,上腔形成很大的壓力;同時活塞下腔因上面液流不能下流,而原來的液體繼續(xù)向下流動,壓力急劇下降,即在上腔產(chǎn)生正水擊的同時,下腔產(chǎn)生一次負(fù)水擊,上下腔壓力差推動活塞及閥一起向下運(yùn)動(圖2d),閥門逐漸開啟,直至沖擊砧子,閥門全部開啟,沖程結(jié)束。2沖錘沖擊壓力p射吸式雙作用沖擊器的重要參數(shù):錘質(zhì)量m、沖擊功W、沖擊頻率f、沖程s和沖擊速度v。液動沖擊器的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟是:a)根據(jù)鉆進(jìn)工藝要求初定沖擊頻率、沖擊功和沖程。b)根據(jù)頻率,初算工作沖程時間ti,并求出行程h0。h0=3.142s/(4t2i?μ)?h0=3.142s/(4t2i?μ)?式中,μ為沖錘與缸體之間的摩擦因數(shù)。c)將h0、s代入下式求出沖擊速度vv=3.142/4h0s?μ。v=3.142/4h0s?μ。d)將沖擊功W及v代入能量公式,求出沖錘質(zhì)量m。e)將代入式同樣,對于回程h1可以計(jì)算出pA2=m(h1/gμ+1)。pA2=m(h1/gμ+1)。f)計(jì)算沖擊器入口的工作壓力p,此壓力為泵的表壓力減去鉆具的壓力損失,求出工作面積A1、A2。對于公式中無法看出的規(guī)律,可編計(jì)算機(jī)程序,并參考實(shí)際應(yīng)用中對液動沖擊器的要求,優(yōu)化出一組結(jié)果:m=31.3kgW=68kJf=18Ηzv=6.53m/sm=31.3kgW=68kJf=18Hzv=6.53m/s3沖錘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)活塞也是一個多功能零件,它在沖錘回程時既是活塞又是承噴器。沖錘為一長圓柱體,錐體端為上錘頭,與活塞連成一體(錐柄聯(lián)接),另一端則由錐柄聯(lián)接著錘頭?；钊c錘頭也是沖錘往復(fù)運(yùn)動的導(dǎo)向和支承。從結(jié)構(gòu)圖上可以看出活塞沖錘部分是分3部分設(shè)計(jì)與制造的。這種設(shè)計(jì)考慮到:a)設(shè)計(jì)要求。首先是沖錘要與閥形成一個閥門,制造形狀有一定要求。b)安裝要求。因?yàn)殄N重30kg,并且形狀不規(guī)則,安裝起來不方便。c)錘的設(shè)計(jì)一般采用細(xì)長形,弧面接觸,克服錘偏打或力量不集中的缺點(diǎn)。另外,錘的加工工藝性要求較高。選材,熱處理后材料綜合力學(xué)性能較好,撞擊表面高耐磨,同時疲勞強(qiáng)度也應(yīng)滿足要求,故選用耐磨工具鋼45CrNi。錘頭應(yīng)先經(jīng)調(diào)質(zhì)處理到HB210～226,并在錘頭與砧子相撞擊的部分采用激光熔覆技術(shù)處理,使其表面硬度達(dá)到HRC50～57,耐磨性可大幅度提高。此外,加工過程中要進(jìn)行表面磁粉探傷,確保無裂紋。與錘頭相撞擊的砧子材料及加工要求均與錘頭相同。4密封設(shè)計(jì)4.1拉伸及壓縮率要求靜密封主要用于螺紋聯(lián)接處,所用的是“O”形密封圈。按公式驗(yàn)證其壓縮率和拉伸率應(yīng)符合下列要求:ε=(d0+d1)/(d+d1)%?式中,ε為拉伸率;d0為溝槽內(nèi)直徑,mm;d1為自由狀態(tài)的“O”形圈內(nèi)直徑,mm;d為自由狀態(tài)的“O”形圈截面直徑,mm。k=[1-(D0-d0)/2d1]%?式中,k為壓縮率;D0為溝槽外直徑。mm。4.2聚乙烯纖維在孔隙率測定中的應(yīng)用主要結(jié)構(gòu)見圖3。采用組合密封,由隔離環(huán)、活塞環(huán)、皮碗、金屬靠背環(huán)、壓蓋等組成。其主要特色表現(xiàn)在,一是活塞環(huán)用聚四氟乙烯制造,摩擦因數(shù)小,并且有自潤滑作用。聚四氟乙烯的延伸性好,延伸率高達(dá)300%～500%,速度指數(shù)2.64～2.82,在腐蝕作用很強(qiáng),而力學(xué)作用較弱的介質(zhì)中作為耐沖蝕、耐腐蝕的部件使用,可起到保護(hù)環(huán)境的作用。二是可以更換的唇形大皮碗,通過改變皮碗尺寸,使之用于不同條件下的密封。這種軟對硬的密封摩擦副由于皮碗的彈性,有利于克服泥漿沖刷造成的磨礪,使表面擦痕損傷大為減少。5沖擊器內(nèi)部各關(guān)鍵部位液動沖擊器作業(yè)時,井下高溫、腐蝕、振動等因素影響很大,故沖擊器內(nèi)部各關(guān)鍵部位必須達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)對工作壓力、密封壽命、螺紋強(qiáng)度、螺紋牙強(qiáng)度、八方等進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算校核,由于篇幅限制,不再贅述。6沖擊器的使用,有利于提高經(jīng)濟(jì)效益國內(nèi)石油系統(tǒng)采用液動沖擊器經(jīng)工業(yè)試驗(yàn)可提高鉆速30%～50%,而對于工作情況復(fù)雜的深井,可能會更多。如果合理利用沖擊器,可提高工作效率,節(jié)約大量的鉆井時間,其經(jīng)濟(jì)效益可觀。經(jīng)過技術(shù)成本核算,包括材料、加工工時的成本及組裝費(fèi)用等,其制造成本約￥3～4萬元,但這與提高鉆速所得到的經(jīng)濟(jì)效益相比,用戶一般可以承受,因而具有