【JX15-59】结合纵向与扭向的双作用冲击器设计（CAD+论文）
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：
编号：20257684
类型：共享资源
大小：1.97MB
格式：RAR
上传时间：2019-06-25
上传人：caiq****857
认证信息
个人认证
蔡**（实名认证）
浙江
IP属地：浙江
400
积分
- 关 键 词：
-
JX15-59
【JX15-59】结合纵向与扭向的双作用冲击器设计CAD+论文
- 资源描述：
-
【JX15-59】结合纵向与扭向的双作用冲击器设计（CAD+论文）,JX15-59,【JX15-59】结合纵向与扭向的双作用冲击器设计CAD+论文
- 内容简介：
-
摘要冲击回转钻进技术的设想始于欧洲。从上世纪五十年代开始，在美国，加拿大和前苏联才研制出几种具有实用意义的液动冲击器。我国从1958年底开始在原地质矿产部勘探技术研究所对液动冲击回转钻进技术进行研究，几乎与世界同步。液动冲击器是液动冲击回转钻探的关键设备。随着中国现代化建设的不断推进和发展，国民经济增长对液动冲击回转钻探不断提出更高的要求，所以，加速液动冲击器的研究势在必行。本文在综述了国内外液动冲击回转钻探和液动冲击回转钻探核心机械液动冲击器的基础上，研究阀式反作用液动冲击器的工作原理和结构特点，并提出了计算液动冲击力和冲击频率的方法。通过分析，指出阀式反作用液动冲击器适用于中到中硬以上的岩层，并且应尽量增大泥浆排量，采用较大刚度的冲锤弹簧，以使冲击器的优点得到充分发挥。并针对液动冲击器的关键零件冲锤弹簧进行了详细的分析计算和验算。并从技术和经济学角度分析了液动冲击回转钻探的技术经济效果。本文主要作了以下工作：1） 详细阐述了液动冲击回转钻探；2） 详细介绍了各种液动冲击器；3） 分析了扭力冲击器及反作用液动冲击器的结构原理和结构特点4） 设计了综合纵向和扭向的双作用冲击器。关键词：液动 回转 钻探 扭力冲击器35AbstractThe impact rotary drilling technology design began in Europe. From the fiftys of the last century began in the United States， Canada and the Soviet Union to develop practical significance of hydraulic impactor. China started from the end of 1958 in the former Ministry of Geology and mineral resources exploration technology of hydraulic impact rotary drilling technology research， almost simultaneously with the world.Hydraulic impact device is the key equipment of hydraulic impact rotary drilling. With the deepening and development of Chinese modernization， the growth of the national economy of the hydraulic impact rotary drilling has put forward higher requirements， therefore， to accelerate research on hydraulic percussion device be imperative.Based on the summary of the domestic and international hydraulic percussive rotary drilling and hydraulic impact rotary drilling core machinery - hydraulic impactor on the basis of the working principle and structure characteristics of the valve type counter actmg hydraulic impactor， and puts forward the calculation method of the hydraulic impact force and impact frequency. Through the analysis， pointed out that the valve type counter actmg nyaraunc impact too1s applies to the hard rock， and we should try to increase the mud flow， the larger the stiffness of the spring to make the hammer， hammer and give full play to advantages. And has carried on the analysis and calculation of the key components for hydraulic percussion hammer spring. And from a technical and economic analysis of hydraulic percussive rotary drilling technology and economy effect. This article has mainly done the following work:1) describes the hydraulic impact rotary drilling;2) described in detail the various hydraulic impactor;3) analysis of the structure principle and structure characteristics of torsion impactor and the reaction of the hydraulic impactor4) the impact of vertical and torsional dual function design.Keywords: hydraulic rotary drilling of torsion impactor目录摘要1Abstract2第一章 液动冲击回转钻探41.1概述41.2冲击回转钻进的实质和特点51.3冲击回转钻进的应用范围61.4冲击回转钻进的发展概况61.5液动冲击回转钻在地质岩心钻探中技术经济效益7第二章 结合纵向与扭向的双作用冲击器设计102.1扭力冲击器克服“卡滑”现象的工作原理102.2扭力冲击器主要技术特点112.3扭力冲击器结构及工作原理112.3.1 结构112.3.2 工作原理122.3.3 性能特点122.4 反作用式液动冲击器132.4.1 反作用式液动冲击器的结构原理132.4.2 反作用式液动冲击器的结构特点132.5 阀式反作用液动冲击器性能分析及参数计算132.5.1 功率特性及活塞冲锤运动特性分析132.5.2 参数计算14第三章 双作用冲击器设计193.1 双作用冲击器结构概述193.2 双作用冲击器工作原理213.3 双作用冲击器工作特点223.4 弹簧设计和计算223.4.1原始条件的确定223.4.2参数计算233.4.3验算23第四章 扭转冲击效果因素评价254.1 高频扭转冲击破岩技术应用现状254.2 高频扭转冲击破岩影响因素分析254.2.1切削齿安装角度254.2.2钻压264.2.3冲击频率274.2.4破岩效率284.2.5冲击能量294.2.6 两种工况能量计算30致谢32参考文献33第一章 液动冲击回转钻探1.1概述采用冲击回转钻进技术的设想始于欧洲。1867-1887年期间，一些企图代替钻杆冲击钻的潜孔式液动冲击器相继出现，1887年在英国曾授予德国沃布什曼以新钻井方法的专利，其技术核心就是利用泵供给的液能驱动液动冲击器对回转着的钻头进行连续冲击，从而实现冲击回转钻进。 从本世纪五十年代开始，在美国、加拿大和苏联才研制出几种具有实用意义的液动冲击器。海湾石油公司和壳牌石油公司对比进行过研究，其目的主要是应用于石油钻井及排除卡钻等，故直径较大，冲击锤有重达300kg者，且冲击频率较低。在地质矿产钻探方面国外研究最有成效的是苏联，从19001905年间即开展对液动冲击回转钻进技术的研究，但直到1970年才开始逐步在生产实践中得到应用，其间历经约七十年。匈牙利在六十年代研制了直径从48到160mm的五种双作用液动冲击器，其特点是组装在一专用拖车上并配有相应的泵、除砂器、取心工具、钻头和处理事故工具等，以便能够灵活运输，在施工矿区或工地为好几台钻机服务。当某台钻机遇到坚硬地层需要进行冲击回转钻时，可以及时运来“全套”的附属机具进行施工，而后又可以灵活地运往其他机台的孔段服务。匈牙利的这种液动钻探设备不但在地质矿山钻探中使用，其较大口径的液动冲击器也用于水井钻和工程施工钻探。日本对液动冲击钻的研究约有十余年的历史，比较成功的例子为利根公司研制的wH120N型双作用式液动冲击器，其最大的特点是采用气液作为工作介质。我国从1958年底开始在地质矿产部勘探技术研究所对液动冲击回转钻进技术进行研究。至1965年设计研究了七种不同结构形式的液动冲击器，并在周口店试验站专门建立的试验室中进行了性能对比和岩样钻进试验。其中最好的一种YZ-2型冲击器外径89mm，当供给的液量为0.2-0.3立方米每分时，冲击功为58-88J，冲击频率是16-25HZ。在试验台用硬质合金钻头钻进VII级花岗闪长岩时，最高钻进速度可达85mm/min。1966年在湖南柿竹园多金属矿进行了生产试验，最大孔深达430m。勘探技术研究所为推动此种技术的发展，曾于1963年编辑了(冲击回转钻专辑)第一辑，广泛介绍了国内外的文献资料，为液动冲击回转钻在我国的发展做了有益的工作。原北京地质学院和武汉地质学院也进行了大量的工作，培养了数批以冲击回转钻为主要内容的研究生，为系统的深入研究创立了良好的人才条尤其应当指出的是辽宁地质矿产局第九地质大队与长春地质学院等单位从1971年开始研究了一种具有独创性的SC-89和JSC-75型射流式冲击器，并于1982年获得科学技术奖，这是国内得到广泛应用的第一种液动冲击器。从1975年以后，我国除了地质系统广泛地研制了掖动冲击器外，其他几乎全部有钻探任务的兄弟部门都对此种钻进技术进行了研究，它们在生产实践中几乎部得到了肯定的好评。这种先进的钻进技术正在地质钻探、石油和天然气钻井以及各种工程钻中稳定地发展着。其技术核心-液动冲击器正逐步形成孔底动力钻的一个重要分支。1.2冲击回转钻进的实质和特点冲击回转钻就是在回转钻的基础上对岩石破碎工具-钻头，施加具有一定频率的冲击能量，因此对回转着的钻头不但对岩石有静的给进压力和扭矩，而且附加了一种连续的冲击动载荷。换言之，冲击回转钻就是一种带有冲击负荷的回转钻。冲击回转钻进所以能够提高钻进效率的原因，归纳起来有下列几点：1冲击裁荷的特点是接触应力瞬时可达极高值，应力比较集中。所以尽管动硬度要比静硬度大，但仍易产生微裂纹。并且冲击速度愈大，岩石脆性增大，有利于裂隙发育。因此可以不大的冲击功(数个公斤米)就可破碎坚硬岩石，而静压人时则需很大的力；2切削刃具磨损减少。在冲击回转钻进中切削刃具的磨损减少的原因有：(a)钻进中所得的轴向压力较小，转速很低；(b)体积破碎的摩擦系数低于表面破碎时的摩擦系数，而在冲击回转钻进中容易达到体积破岩的程度；(c)钻速快，切削具的相对磨损就减小，(d)冲击破碎岩石时刃具与岩石的作用时间很短。 3因为在冲击时还加有一定的轴向压力，改善了冲击功能的传递条件，增大了冲击效果。 4因为高频并连续地给岩石施加冲击载荷，所以在碎岩过程中缝隙发育较完全，更有利于破碎较硬岩石。5因为在冲击中又有连续不断的回转切削作用，改变了冲击裁荷的传递方向，充分发挥了冲击碎岩和切削碎岩的效果。1.3冲击回转钻进的应用范围 冲击回转钻进除了可以提高钻速外，又由于钻进中所需的轴向压力较小，转速较低，所以钻孔不易弯曲，孔内事故也较少，原材料的消耗低，所以它是当前的一种现实可行的高效、优质、低消耗的钻进方法。特别是在中等硬度的岩石中，其效率更为显著，所以冲击回转钻进方法应用范围愈来愈广。据美国1973年和1974的统计贫科说明，使用冲击回转钻进方法完成的工作量占总工作量的23.2-23.6，仅次于一股的回转钻进(占62.7-63.3)而属第二位的钻进方法。 冲击回转钻进最适宜于钻进粗粒而不均匀的地层，在6-9级岩石中钻进效果尤为突出。近几年来冲击回转钻进不仅用于硬合金钻进，而且也应用于钢粒钻进和金刚石钻进以及牙轮钻进，适用的岩层范围扩大了。最近，苏联将冲击回转钻进应用于金刚石小口径钻进中，它不仅提高了钻进效率和钻头寿命，而且还克服了金刚石钻进裂隙发育地层、“打滑”地层和容易引起强烈弯曲的地层的困难。或因钻机开不了高速而影响孕镶钻头钻进时，用冲击回转法也可弥补其不足。 冲击回转钻进所钻的孔深和孔径日有发展。可以满足地质勘探钻进的要求。美国在石油钻井中，用巴辛格尔液动冲击器钻井深度达2750米。苏联利用-3型液动冲击器在石油钻井中可深达1280米。利用-3A型液动冲击器在地质钻探中孔深已达700多米。苏联近几年研制丁-7、-9型液动冲击器，并且为了增大效能，采用了-70型气动孔底反射器，其孔深可达1500米或更深。总之，冲击回转钻进方法现在已用于不同的地层和不同的钻进方法，其孔径和孔深也不断扩展，是种很有发展前途的钻进方法。1.4冲击回转钻进的发展概况冲击回转钻进法的应用已有上百年的历史。早在十九世纪六十年代就有人进行丁潜孔式冲击器的试制工作。早期在法国研制过低频液动冲击器。后来在苏联和美国进行过“涡轮锤”和“涡轮振动钻”的研究工作。 二十世纪三十年代发展了风动潜孔锤。到五十到六十年代获得了较为广泛的应用。在此期间，美国在3500米的深井中，成功地进行了风动潜孔锤冲击回转钻进。随后又在水并钻和工程钻中广泛应用。到六十年代末，在我国矿山开采中推广使用了风动潜孔锤冲击回转钻进，代替了旧的钢丝绳冲击钻进。 二十世纪四十年代，苏联葛奠夫研制了滑阀式正作用液动冲击器，美国巴辛格尔也研制了活阀式正作用动冲击器。在液动冲击器的研制方面取得了很大的进展。到五十年代，美国艾莫雷研制了活阀式反作用的冲击器，到五十年代后期就出现了种类繁多的双作用的冲击器各种冲击器一直发展到现在，都得了较大的发展。 虽然苏联在1960年使用反作用式的-3型液功冲击器，在2400-2700米的深井中成功地进行了冲击回转钻进，但是总的看来，六十年代以来，在1500来以内的钻并中，使用效果较好的液动冲击器多属于正作用冲击器。 我国自1958年开始研制冲击回转钻具，许多单位在研制冲击器和冲击回转取心钻进方面进行了好多工作，但后来研究中断。从1971年起，辽宁铁岭地质队，长春地质学院等单位又先后开始研制液压射流式冲击器，取得了不少的成就。现在射流式冲击器和阀式冲击器已在地质勘探取心钻进生产中应用起来，并敢得了较好的成果。例如某队用射流冲击器钻进6-7(少最8)段岩石，取得进尺1132米的最高台月效率，江西某队用阀式冲击器钻进一万六千多米，在玄武岩、花岗岩地层中平均台月效率比钢离钻进提高30-60。冲击回转钻进方法虽然应用日广，但尚须进步完善和提高。应当研究冲击回转钻进的碎岩原理，研究设计新型的冲击器，应尽先研制用于坚硬岩层的大冲击功的冲击器，泥浆钻进用的冲击器以及小口径金刚石钻进用的高频冲击器，研究冲击器的设计和计算方法；设计适应冲击回转钻进用的水泵及钻机，研究冲击回转钻进用的钻头结构、硬合金的材质和形状及其镶焊方法；制订合理的钻进工艺参数。1.5液动冲击回转钻在地质岩心钻探中技术经济效益液动冲击回转钻在我国地质钻探中应应用日愈增多，逐渐形成一种与回转钻配合使用的常规钻探技术。大量的实际进尺证明，它既可采用硬质合金钻头，也可采用价格低廉的人造孕镶金刚石钻头在VIVII级岩石中进行有效的钻进，尤其是在坚硬致密的“打滑”地层中使用孕镶金刚石钻头取得了明显的技术经济效益，主要表现在钻进速度可以成倍地提高，回次进尺长度和钻头进尺均有不同程度的增长。冲击回转钻进费用低于回转钻的主要原因是：(1)由于钻压和钻头转数较低从而减轻了钻杆和所有管材的磨损，断钻杆事故较少，(2)采用金刚石钻头时，几乎可以不用皂化油等昂贵的冲洗液；(3)钻头费用低，在VIVII级石英闪长岩、花岗闪长斑岩等岩石中采用人造孕镶金刚石钻头时，钻头进尺可以超过120m。(4)动力消耗少。据统计，我国从19711986年以来，用液动冲击回转钻探进尺约500000m，最大使用孔深930m，取得了明显的技术经济效益。苏联对此种钻进技术在地质钻探中的技术经济效益总的作了如下的估计：钻速提高20-60，回次进尺增加10-20，钻头寿命增加10-25，钻进成本降低10-15，有利于改善孔斜程度，用高转速时对岩心质量无任何影响，金刚石钻头不易被抛光，推广较为容易。最后还应当指出，采用液动冲击回转钻后大多数的IVVII级岩石可以采用硬质合金钻头代替金刚石钻头，而硬质合金的主要原料钨在我同拥有的储量为世界第一位，从这一点来看大力推广它也是完全合乎国情，其意义是显而易见的。推广液动冲击回转钻的经济效益可用年经济效果，既年节约约值确定。年经济效益E由运用前后的成本和投资的经济指标比较而得，计算公式为：E= (11) 式中：E年经济效益（元）；液动冲击回转钻推广前和推广后每钻探1米的平均成本（元）；地区推定的投资效果的比较系数（钻探工程取作=0.2）； 推广前后单位进尺的基本投资（元）； 推广后每年完成的工作量。基本费用（单位进尺）的投资为： 及元 (12)其中：及（元） 钻探设备包括液动冲击器及附属装置等的平衡表价格（元）； 及为原用和采用液动冲击回转钻技术的钻探设备数量： (13) (14)式中：钻探工作量（m） 一年总时间（台班）。无星期天的全天工作制时，地表钻为1234.8（台班）；而地下钻和海拔2300m以上的地表钻为1440（台班）； 推广前及推广后的台班效率（m/台班）； 设备利用系数，取作0.60.85。前式中之为采用液动冲击回转钻时附加的流动资金费用。第二章 结合纵向与扭向的双作用冲击器设计纵向震动是最常见的最成熟的冲击器类型，经过较长时间的实际应用，效果稳定。有正作用，反作用，双作用等结构形式，以钻探冲洗液为介质，利用高压液体产生连续冲击载荷的孔底动力机械。通常直接联结在取心钻具上部，在回转钻进的同时，将连续的冲击载荷传递到取心钻头上，使钻头以回转切削和冲击两种方式联合破碎岩石。用于地质岩心钻探，特别适合在坚硬、破碎岩层以及中等硬度的粗粒不均质岩层中应用。液动冲击回转钻进技术可以提高机械钻速，延长回次进尺，减缓钻孔弯曲。扭向冲击器与纵向相比出现较晚也更为陌生，作为一项相对新的技术，自2000年提出构想至今已经应用了3000多次，现场应用效果良好。通常直接安装在旋转钻井总成中PDC钻头的上方。这种冲击器能给钻头施加一种扭转冲击力，能直接对钻头产生很高的功率，当前，钻井过程中钻遇硬部地层时，会频繁的出现PDC钻头的“卡-滑”现象，严重影响钻井效率。扭力冲击器是一种将剪切、扭转冲击、水力3种破岩方式集中作用的复合钻井新工艺，可有效的消除钻进过程中的“卡-滑”现象。扭力冲击器是一种纯机械动力钻井工具，可有效消除PDC钻头在硬部地层中的“卡-滑”现象并提高其钻井效率和延长钻井工具寿命，可满足多种地层的钻井提速要求。从而大大降低钻头的卡-滑现象，大幅度提高机械钻速，延长钻头寿命。 2.1扭力冲击器克服“卡滑”现象的工作原理 PDC钻头在地层中钻进时，钻柱和井下动力钻具提供其破碎地层的扭矩，同时PDC钻头受到地层给其的反扭矩。 扭矩的正值代表钻头没有足够的扭矩来破碎地层时，瞬间停止转动在钻柱中储存扭转能量的过程，也就是钻井过程中“卡”的现象。扭矩为零时，钻头与井壁和井底无接触“空转”，也就是“滑”的现象。PDC钻头的“卡-滑”现象导致钻柱扭转振荡、钻进过程不稳定，不但容易造成复合切削片崩齿，也易使钻头松扣，诱发井下事故。扭力冲击器的工作原理是利用钻井液水动力使得接头内的两个动力锤相互反转，从而产生稳定的高频机械冲击能量，并由驱动短接内的驱动轴集中均匀的沿扭向传送到钻头上，从而保持钻头与井底的连续接触和剪切作用，消除了钻井过程中钻头瞬间停转积蓄能量的现象，使钻头短时间内多次切削地层，可以有效克服“卡-滑”现象，从而提高钻井效率。2.2扭力冲击器主要技术特点扭力冲击器外部物理尺寸紧凑，内部机械结构合理。钻井液流道通畅，为纯动力机械设计，无橡胶件和电子元器件；最高耐温210，扭转冲击频率可达7001500次/min。扭力冲击器配合配套PDC钻头钻井工艺具有以下优点：1.冲击破碎为主，加以旋转剪切地层，在保证井身质量的同时提高机械钻速。将钻井液的流体能力转换成扭向的、高频的、均匀稳定的机械冲击能量，并直接传递给钻头，使钻头始终与井底保持连续性。2.消除了钻头“卡-滑”现象，减少了反冲扭力，有助于提高钻头的耐久性，延长钻头的使用寿命。3.减弱了钻柱上的扭力振荡，从而降低了下部钻具组合的疲劳程度。2.3扭力冲击器结构及工作原理2.3.1 结构如图2-1所示，扭转冲击钻具主要包括传动轴、壳体、传动销、滑动块、驱动器、传动轴端帽、推力轴承、定轴、涡轮定子、涡轮转子、防掉拉杆、防掉挡盘、防掉端帽和转换接头等，分别组成工具的能量转换机构、扭向冲击机构、冲击传递机构和防掉总成等。图2-1 扭力冲击器结构1传动轴; 2壳体; 3传动销; 4滑动块;5驱动器; 6传动轴端帽; 7推力轴承; 8定轴; 9涡轮定子; 10涡轮转子; 11防掉拉杆; 12防掉挡盘; 13防掉端帽; 14转换接头。传动轴通过螺纹与钻头相连接，另一端与壳体通过花键连接; 滑动块嵌于驱动器内，一起穿过传动轴，滑动块凸砧与传动轴凸砧形成棘轮结构。壳体内部设有台阶，涡轮定子通过防掉挡盘压紧固定于壳体上，涡轮转子通过防掉拉杆压紧固定于定轴上，防掉挡盘与壳体通过螺纹连接。2.3.2 工作原理通过对钻头施加周期性的低幅高频扭转冲击可减小或消除钻头的粘滑振动，有效施加工作载荷，提高机械钻速并延长钻头寿命。钻压通过壳体花键端面传递到传动轴并传至钻头，扭矩通过壳体花键侧面传递到传动轴并传至钻头。工具内部零件不承受钻压与转盘扭矩，防掉挡盘承受定轴、驱动器、滑动块、传动轴和钻头的总重力，工具的安全系数高。流向扭转冲击钻具的流体流经防掉挡盘进入涡轮段，驱动涡轮转子带动定轴转动。定轴与驱动器通过螺纹连接，驱动器通过传动销驱动滑动块转动，使滑动块凸砧与传动轴凸砧产生周期性的高速碰撞。在每个碰撞循环中，包含着滑动块相对传动轴的平移、偏心转动和同轴转动。流经涡轮段的流体大部分穿过定轴的导流孔流入传动轴内孔，其余部分流经定轴与壳体间的间隙进入冲击处，再经流砂孔流出，起冷却、润滑传动轴凸砧和滑动块凸砧作用。2.3.3 性能特点(1)扭转冲击钻具可将流体的液压能转换成扭向的、高频的机械能并直接传递给PDC 钻头。(2)使转盘扭矩稳定地传递，传至钻头的扭矩可完全用于破岩，不因粘滑振动而浪费；可减轻下部钻具组合及钻杆的疲劳，加强与定向组合的控制，在保证井身质量的同时提高机械钻速。(3)该工具的长度小，对下部钻具组合的影响很小，无电子元器件和橡胶元件，可在高温环境下作业，适用于旋转钻井、复合钻井以及旋转导向钻井。(4)扭转冲击钻具采用涡轮作为动力驱动装置，可根据实际要求选择不同性能参数的涡轮叶片。2.4 反作用式液动冲击器2.4.1 反作用式液动冲击器的结构原理反作用式液动冲击器的结构原理是利用高压液流的压力增高推动活塞冲锤上升，活塞冲锈上升的同时压缩工作弹簧储存能量。当分配液流机构(阀门)打开，高压液流畅通，而工作室中的液流压力降低时，工作弹簧便释放储存的能量，驱动活塞冲锤急速向下运动而产生冲击(图349)。2.4.2 反作用式液动冲击器的结构特点从结构方面进行分析，反作用式液动冲击器具有下列特点： 1对冲洗能的适应能力较强； 2比较允分地利用活塞冲锤本身重量和弹簧的张力。由于弹簧释放出来的能量与活塞冲锤本身重量同时向下作用，故可获得较大的单次冲击功，适宜钻进大口径(如工程钻孔，地质水文钻孔以及水井等)钻孔；3冲击器所需泵压较低。 2.5 阀式反作用液动冲击器性能分析及参数计算2.5.1 功率特性及活塞冲锤运动特性分析阀式反作用液动冲击器是指依靠高压液体推动冲锤上行压缩工作弹簧储存能量，而以工作弹簧释放出的能量驱动冲锤下行进行冲击的冲击器，其功率特性及活塞冲锤运动特性分析如下：钻具处于悬挂状态时，钻头与井底无接触，铁砧在其自身和钻头重量作用下，处于最低位置（如图1a所示）。冲锤在冲锤弹簧作用下与铁砧相接触，活阀在活阀弹簧作用下坐落在冲锤的上端面处，此时，泥浆经活阀上的通水孔，冲锤和铁砧的内孔流向井底。当钻头接触井底使铁砧上行一段距离顶到外壳上时（如图1b所示），冲锤，活阀也随同上行，并且活阀的通水孔进入阀箱，使泥浆流道突然关闭。由于液流速度突然降为零，则产生水击压强。又由于冲锤连杆上端面与活阀下端背面的压力差作用，使冲锤与活阀一同迅速上行压缩冲锤弹簧和活阀弹簧。当冲锤上行一段距离后，由于受到被压缩的冲锤弹簧的阻止，其速度下降，并由冲击器外壳上的凸肩限制住其上行。此时，活阀由于惯性而继续上行，与冲锤分开，液流通道打开（如图1c所示）。在被压缩的冲锤弹簧作用下，冲锤停止运行后，又迅速下行冲击铁砧。同时，活阀到达上死点后，又在活阀弹簧作用下迅速下行。在冲锤与铁砧产生冲击时，活阀与冲锤相接触，关闭液流通道，并一同又复上行，循环往复，便形成了连续冲击。2.5.2 参数计算为研究方便，作如下假设：1活阀，冲锤和与之配合的缸套间的摩擦等于零。2活阀和冲锤所受液体的粘滞阻力等于零。3液体静压力对活阀和冲锤的影响包含在浮力系数k中:。 K=1- (2-1)式中：k浮力系数;_泥浆密度，_活阀或冲锤的材料密度，4弹簧力随位移线性变化。计算某一过程的弹簧力时，取其平均值。5上冲程时，坐标取向上为正，下冲程时，坐标取向下为正。（1）上冲程冲锤与活阀一同上行由于受到水击压强的作用，冲锤与活阀一同上行，上行的初速度为零。以冲锤和活阀为研究对象，根据能量守恒定律和动量定理分别可得： (2-2) (2-3)其中： （2-4） （2-5）式（2）（5）中：S冲锤行程，m;活阀弹簧预压缩量，m;冲锤弹簧预压缩量，m;活阀弹簧的刚度，N/m;冲锤弹簧的刚度，N/m;活阀质量，kg，;冲锤质量，kg;冲锤与活阀一同上行S距离所需要的时间，s；冲锤与外壳凸肩接触前的瞬时速度，m/s；冲锤与活阀的集合尺寸（如图2所示），m；泥浆泵出口压力，Pa；地面管汇和钻柱内损耗压力，Pa；水击压强（，Pa；C水击压强波的传播速度，m/s；钻柱内泥浆流速，m/s。由式（2）（3）解得： （2-6） （2-7）2冲锤撞击外壳凸肩 冲锤上行压缩冲锤弹簧，由于冲锤弹簧刚度较大，冲锤速度逐渐降低，并且在撞击外壳凸肩前，其速度较小。所以，这一碰撞过程可略去。（2）下冲程1冲锤下行冲锤在其自重和冲锤弹簧等作用下迅速下行，获得较大的动能，为冲击铁砧做好准备，其下行速度为零，以冲锤为研究对象，根据能量守恒定律和动量定理分别可得： （2-8） （2-9）其中： （2-10）式（8）（10）中： -冲锤下行S距离所需时间，S； -冲锤与铁砧撞击前瞬时速度，m/s；- 冲锤几何尺寸（如图2所示），m；由式（8）和（9）解得： （2-11） （2-12）2冲锤冲击铁冲锤下行冲击铁砧，铁砧将冲击力传给钻头。冲击时间与冲击前冲锤瞬时速度关系为： （13）式中：-冲击时间，S。冲击后，冲锤速度为零。根据定量定理可得： （2-14）式中：-冲锤与铁砧的冲击力，N。 由式（14）解得： （2-15）综上可得冲击频率为 （2-16）式中：f冲击频率， 4 计算举例及讨论 某阀式反作用液动冲击器其外径178mm，长1.8m。活阀弹簧刚度为4000N/m，冲锤弹簧和活阀弹簧的预压缩量均为30mm。冲锤，活阀几何尺寸，d1=76mm，d2=80mm，d3=35mm，d4=10mm.冲锤行程为15mm，泥浆密度为1200kg/m3。PbpH取为6Mpa。又式（11），式（15）可知，冲击力与锤重，冲锤弹簧刚度成正比，可以看出，当流量，锤重变化时，冲击力无变化，而冲锤弹簧刚度越大，冲击力越大，这是因为锤重的变化对冲击力影响很小。所以阀式反作用液动冲击器的冲击力又冲锤弹簧刚度决定。还可以看出，当流量，冲锤弹簧刚度与锤重变化时，对冲击频率均有影响，并且冲击频率与锤重，冲锤弹簧刚度成反比，与流量成正比。在实际操作时，若遇到中到中硬以上岩层，应以冲击碎岩为主，旋转切削为辅。同时应提高冲击频率和冲击力，增加流量和采用较大冲锤弹簧刚度。若遇软地层，应以旋转切削为主，冲击碎岩为辅。此时，应增加钻压，降低冲击力和冲击频率。采用刚度较小的冲锤弹簧可减小冲击力，但却增加了冲击频率，所以同时应减少流量，增加锤重。可以看出，采用较小的冲锤弹簧刚度，流量和较大的锤重时，冲击频率仍然较高。所以，不可能同时降低冲击力和冲击频率。若软硬地层交替出现，冲击力的改变只能通过频繁起下钻更换不同刚度的弹簧来实现，显然这是不合理的。综上可知，在中到中硬以上地层中，阀式反作用液动冲击器工作效果较好，其优越性能够得到发挥。第三章 双作用冲击器设计深部或超深部地层岩石硬度大，可钻性级值高，机械钻速慢、钻井成本高。在石油、天然气的钻井开采过程中，井下动力辅助破岩工具已成为深部地层高效破岩技术的有益补充。现场实践和室内实验研究表明，对钻头施加一定周期性的冲击力，将会提高钻头的破岩效率，因此冲击钻井工具有望成为深井提速的一个重要技术手段。在使用PDC钻头钻进上述地层时，会产生粘滑效应、间歇性卡钻现象。该粘滑效应、间歇性卡钻现象使钻柱内累积的扭转弹性能不规则的释放，造成PDC钻头的破岩过程变得极不稳定，加速PDC钻头非正常损坏，降低了PDC钻头使用寿命。常规液动冲击器属于轴向冲击，不能增加PDC钻头的破岩扭矩为了提高深井机械钻速、解决PDC钻头的粘滑效应、间歇性卡钻等问题，促进PDC钻头稳定工作，延长钻头的使用寿命，本人设计了一种结合扭转、振荡作用的耦合冲击器，此冲击器结构简单、易损部件较少、且压耗较低，使用寿命也大大延长。3.1 双作用冲击器结构概述本次设计的双作用冲击器结构图如图3-1所示。1钻铤短节 2. 分流器 3. 螺纹压盘 4. 上盖体 5. 冲击器外壳6. 液力锤 7. 换向器 8. 节流喷嘴 9. 汇流喷嘴 10. 冲击传动短节11. 回流堵头 12. 中心导流器 13. 密封环图3-1 双作用冲击器结构图钻铤短节上端通过标准螺纹与上部钻铤母扣端连接，钻铤短接的下端与定位卡瓦和冲击传动短接间隙相连，钻铤短接内侧上端部与冲击传动短接之间安装有分流器、脉冲振荡腔和扭转冲击器。其中扭转冲击器是由螺纹压盘、上盖体、冲击器外壳、液力锤、换向器、节流喷嘴和密封环共同组成的多腔体结构。如图3-2所示，分流器是一个V形漏斗形部件，分流器下端口与扭转冲击器的入口相通，连接方式为螺纹连接，在分流器上端分布有个分流孔；分流器将钻井液流体分为内外两股，外边的流体流向高压流道，并通过高压孔、换向键孔流入到换向器中的换向槽中，不间断给换向器供液；其余内部流体给中心导流器供液。1钻铤短节 2. 分流器 3. 螺纹压盘 4. 上盖体 5. 冲击器外壳 6. 液力锤 7. 换向器 8. 节流喷嘴 9. 汇流喷嘴 10. 冲击传动短接 11. 回流堵头 12. 中心导流器 13. 密封环 14. 分流孔 15. 高压流道 16. 泄流通道 17. 栅形孔 18. 换向键孔 19. 换向键 20. 半圆槽 21. 换向槽 22. 高压孔 23. 扇形部 24. 过渡孔 25. 锤砧 26. 锤砧孔 27. 冲击槽 28. 泄压孔 29. 定位卡瓦 30. 外卡槽 31. 弹簧孔 32. 内卡槽。图3-2 双作用冲击器内部图扭转冲击器的冲击器外壳下端与冲击传动短接上端螺纹连接，中心相通。冲击传动短接下端通过标准螺纹与钻头公扣端相连接。在冲击传动短接上有4个定位卡瓦，用于固定分流器、扭转冲击器、脉冲振荡腔和冲击传动短接在钻铤短接中的位置。如图3-2所示，扭转冲击器的上盖体在冲击器外壳的上面，二者连接后内部形成液力冲击室，液力冲击室安装有液力锤、换向器、中心导流器、节流喷嘴，换向器套位于中心导流器与液力锤之间，节流喷嘴安装在中心导流器出口处，液力锤与冲击器外壳间隙安装，在密封环、换向器和冲击器外壳间做周期往复运动，换向器在密封环、中心导流器间做周期往复运动；液力锤的上、下轴安装在冲击器外壳上。冲击器外壳内壁有轴对称冲击槽、半圆槽和高压孔；液力锤外表面有轴对称的锤砧，内表面有轴对称的换向键，在锤砧和换向键两侧有锤砧孔和换向键孔；换向器外表面有轴对称扇形部和换向槽，在扇形部上有轴对称过渡孔，换向器下部有泄压孔；中心导流器由栅形孔、泄压孔及底座构成，其底座连接在冲击器外壳上，汇流喷嘴安装在中心导流器的底座内，螺纹连接；泄压通道由高压孔、换向槽、换向键孔、半圆槽依次相通构成，半圆槽与中心导流器的泄压孔相通；冲击流道由中心导流器的栅形孔、锤砧孔、冲击槽和泄流通道依次相通构成，冲击槽经锤砧孔与泄流通道相通，泄流通道与中心导流器的泄压孔相通。脉冲振荡腔有汇流喷嘴、冲击器外壳下端及回流堵头共同构成，从冲击器出来的流体从汇流喷嘴进入到振荡腔，并从回流堵头中心孔中流出。冲击传动短接上外卡槽和钻铤短接上内卡槽位置以及个数相对应，卡槽内安装有定位卡瓦，定位卡瓦内有弹簧孔，弹簧孔和外卡槽之间安装弹簧。3.2 双作用冲击器工作原理双作用冲击器工作时，旋转的钻铤驱动钻铤短接转动，钻铤短接下端的内卡槽通过定位卡瓦和冲击传动短接间隙连接，冲击传动短接与钻头连接并带动钻头旋转；流体从钻铤短接的进液孔进入到分流器中，并在导流器中分流，流体由冲击器外壳进入中心分流器，其余从分流器的分流孔流向分流器和钻铤短接形成的空间；由中心导流器到冲击器出口部分，内部流体可以分为两部分：一部分流体由中心导流器的节流喷嘴中出来，直接到汇流喷嘴；另一部分流体经中心导流器中的栅形孔流经换向器的扇形部的过渡孔进入锤砧孔，最终进入到冲击槽中，并最终从冲击槽由锤砧孔进入到泄压孔，这部分流体与前两部分流体在冲击器出口汇合，即到汇流喷嘴处；所有流体进入到脉冲振荡腔和冲击传动短接中，再经过钻头喷嘴进入环空空间；在冲击流道中流体和换向流道流体的共同作用下，液力锤、换向器和冲击器外壳协同实现了锤砧在冲击槽中反复运动，产生扭转冲击，并通过冲击传动短接传递给钻头。3.3 双作用冲击器工作特点由于能产生周期性的稳定的高频低幅的扭转、振荡耦合冲击振动，因此，该冲击扭矩有效消除PDC钻头的粘滑和间歇性卡钻现象，工具产生的振动轴向冲击载荷能够提高钻头牙齿吃入岩石、加速岩屑脱离井底。该冲击器没有电子部件，完全液力机械结构，尺寸较小，其冲击过程不会对随钻电测仪器产生干扰。该工具能保证钻进过程中钻柱内扭矩的稳定和平衡，降低了钻柱扭转震荡，有利于MWD、LWD等随钻电测仪器的稳定工作。本冲击器易损部件少，工作稳定，使用寿命长，有利于降低钻井成本。该冲击器能产生周期性的稳定的高频低幅的扭转、振荡耦合冲击振动，是一种多功能、多用途冲击器。3.4 弹簧设计和计算本冲击器的主要缺点是须用动力弹簧，其载荷较重，其刚度比正作用冲击器所用的弹簧大得多。同时这些弹簧还经受着冲洗液的磨损和化学腐蚀。所以这种弹簧必须严格设计和计算，还必须特殊制造工艺。即使这样，弹簧的工作寿命也只有40一100小时。3.4.1原始条件的确定1弹簧类别：液动锤的冲击频率f=2225HZ，弹簧的寿命是40100小时，所以，在其寿命期间内，弹簧的作用次数区间是：，即次，其大于次，所以该选用I类弹簧。2材料选择：选择锡青铜线（GB3124），因为此材料有较高的耐磨性，耐腐蚀性，而且具较好的性价比，所以选择次材料。3工作载荷：（1）最小工作载荷：（2）最大工作载荷： 4工作行程h：h=124mm5弹簧中径D：D=88mm 6端部结构：端部并紧，磨平，支承圈为1圈3.4.2参数计算1初算弹簧刚度：2工作极限载荷：因为是I类载荷：3弹簧材料直径d及弹簧中径D与有关参数：根据与D条件，从表11-2-19得：d D 16 90 10405 11.87 8774.有效圈数n：按照表11-2-10取标准值n=12.55总圈数：=n+2=12.5+2=14.56弹簧刚度：7工作极限载荷下的变形量：8节距t：9自由高度：，取标准值380mm10弹簧外径：11弹簧内径：12螺旋角：13展开长度L： 3.4.3验算1最小载荷时的高度：2最大载荷时的高度：3极限载荷时的高度：4实际工作行程h：5工作区范围：6高径比b：5.3b5.3，不必稳定性验算。第四章 扭转冲击效果因素评价中西部地区是我国未来的能源接替区，勘探目标逐渐转向深部地层。实践证明，深部地层机械钻速只有中上部地层机械钻速的1/41/10。因此，提高深部地层钻井速度对加快我国油气开发速度有着重要意义。PDC钻头高频扭转冲击破岩技术是基于扭力冲击钻井工具在硬地层中的应用。该工具主要用于克服PDC钻头在深部井段坚硬地层中的粘滑振动现象，提高破岩效率，现场应用效果好。为了实现工具的国产化，对影响破岩效果的因素进行分析很有必要。4.1 高频扭转冲击破岩技术应用现状2000年，加拿大阿特拉公司使用扭力冲击发生器配合高抗冲击性的PDC钻头，发生器以10002400/min的频率向钻头施加扭向脉冲转矩破岩，消除了钻头“粘滑振动”，延长了钻头使用寿命，扩展了PDC钻头适用范围，同时大幅提高了机械钻速。以Ulterra公司的扭力冲击工具Torkbuster为例，其在北美、亚太、中东、非洲均有广泛的应用，可提高机械钻速50300，中等深度井段单趟进尺可达3000m，深井超深井段单趟进尺可达1500m。国内已在陆地和海上多个区块试验和推广了Ulterra扭转冲击钻井技术，在钻深井硬地层中取得了很好的提速效果，机械钻速提高幅度达90300。4.2 高频扭转冲击破岩影响因素分析高频扭转冲击破岩改变了PDC钻头的破岩方式：从持续的转矩输入转变为持续转矩与周期性的高能冲击相互叠加，PDC钻头受力与岩石受力及破碎均不同于常规钻井。影响破岩效果的主要有切削齿安装角度、钻压、冲击频率和冲击能量个因素。4.2.1切削齿安装角度扭转冲击破岩PDC钻头产生切向冲击。陈敏，张菁等人对PDC钻头单齿工作角度进行了有限元仿真，得到的结论为：较大的侧转角有利于提高破岩效率。如图4-1所示，切削齿侧转角为13时，PDC切削齿受到的最大第一主应力最小。图4-1 切削齿侧转角与最大第一主应力关系钻头切削齿的安装角度对PDC钻头攻击性有较大影响。陈敏等通过有限元模拟，分析了不同安装角度对PDC的冲击过程的影响。在侧偏角设置为12时，建立了切削齿倾角与最大第一主应力之间关系曲线，如图4-2所示。由图4-2可知：PDC切削齿后倾角在420范围内变化时，随着后倾角的增大，最大第一主应力呈现减小趋势；后倾角为16或19时，既能保证有效冲击力，也能保证切削齿具有一定攻击性。图4-2 切削齿最大第一主应力与后倾角关系4.2.2钻压当钻压增大时，PDC钻头切削齿的压入深度增加，会导致破碎的岩屑尺寸更大，但此时切削齿也承受着更大的破碎抗力，钻头需要的转矩也就更大。当钻头具有的转矩能量小于岩石破碎需要的能量（临界能量）时，岩石得不到破碎；另一方面，当切削齿受到的破碎抗力超过切削齿强度极限时，切削齿聚晶金刚石复合片将产生疲劳或者被破坏。因此，对于扭转冲击破岩而言，钻压并非越大越好，应该保持一个合适的值，保证压入深度与冲击转矩相匹配，达到最佳的破岩效果。乌斯宾斯基的力学模型认为，切削齿压入岩石必须克服岩石抗破碎强度R和摩擦力F，即：岩石抗压强度为（假设接触面为矩形）：摩擦力为：切削齿面正压力为：式中：为单齿钻压，MPa；R为岩石破碎抗力合力，MPa；为摩擦力合力，MPa；h为压入深度，mm；为切削齿后倾角；L为接触面长度，mm；为岩石的抗压强度，MPa；为接触面摩擦因素；N为切削齿面正压力，MPa。4.2.3冲击频率在其他参数相同、冲击能量足够的条件下，随着冲击频率增大，岩石破碎速度成正比例增大；但当冲击频率增大到一定值后，频率过高，载荷作用时间太短，破碎过程得不到充分发展，冲击力即消失，影响破岩效果。所以，存在一个最佳冲击频率。模拟单齿冲击切削岩石得到关于切削齿受力波动曲线，如图4-3。由图4-3可以看出：最佳冲击频率确实存在，模拟的3个不同频率、分别为1700、2000、2300/min。当时，切削齿受力波动比其他个频率下的受力波动都小。图4-3 切削齿在不同冲击频率下的应力波动分析其原因为：当冲击频率太小时，冲击作用不能有效破碎前方岩石，粘滑振动不可避免地发生；当冲击频率太大时，没有足够的时间用于裂纹的扩展，冲击力即消失，没有破碎的前方岩石同样使粘滑振动发生，在切削齿受力上则体现为巨大的波动现象。4.2.4破岩效率岩石破碎过程是一个能量耗散过程，能量的耗散主要用于克服岩屑剪切滑移面岩石的内聚力与摩擦力，形成岩屑的表面积越大，则消耗的能量越多。当岩石受到切削齿压应力越大时，一方面正应力增大导致摩擦力更大；另一方面会形成更小岩屑，进一步增加比耗。因此，要减小岩石破碎比能，则尽量降低切削齿的压实效应和增大岩屑尺寸。岩石冲击破碎时的能量耗散模型如图4-4所示。图4-4 岩石能量耗散模型岩石吸收的能量主要用3部分组成：岩石破碎损伤能量；岩石动能；其他耗散能。式中：为入射能量；为反射能量；为投射能量；为吸收能量；为入射波应力；为反射波应力；为投射波应力；为冲击接触面积；为弹性波在杆件中的传播速度；E为弹性模量。岩石吸收能量的能力，用能量吸收率表示为：PDC切屑齿高速冲击岩石对岩石造成破裂，形成岩屑。为方便研究，假设，因此可以用岩石破碎能与切削齿输入能量的比值来比较切削齿破岩效率的高低，即：式中：输入转矩能量为；f为频率，E为单次冲击能量。4.2.5冲击能量冲击能量的大小直接决定破碎效果。冲击力太小，起不到冲击破岩的作用；冲击力过大，易造成切削齿损坏。本文就破岩比功法进行阐述。冲击能量和岩石破碎比功的关系如图4-5所示。伤痕区内冲击能量不足以使岩石产生裂纹，破碎比功大；只有当冲击能量接近临界冲击功时，破碎比功才趋于稳定。当冲击能量继续增加，切削齿面的压实效应增强，摩擦力增大，导致破碎比功出现上升趋势。同时，赵伏军等人在实验室进行的花岗岩静载、冲击静载下的岩石裂纹扩展与破碎比能研究得出：当冲击能上升时，岩石破碎体积增大，破岩比能下降，能量利用率高；当冲击能增加到某一值时，其破岩比能停止下降；静压与冲击共同作用明显地可以提高破岩效率，降低能耗。图4-5 破岩比功随冲击能量变化关系4.2.6 两
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号