井筒冲击钻井法设计研究

井筒冲击钻井法设计研究

通常，旋转钻孔法适用于约4000m的位移孔，其特点是岩石通常是坚硬的。一些钻探团队只能用1h的牙轮孔钻孔2.4英寸。针对这种情况,若使用旋转冲击钻进法则能奏效。由于国内现有的冲击钻装备不能完全满足钻深井的要求,必须对现有冲击器加以改进,以适应工况。现设计的是深井冲击器,为射吸双作用式。实质上是一个单缸往复式马达,主要利用来自循环钻井液的冲击能,靠转盘提供扭矩,钻压和扭矩由钻铤通过冲击钻具的筒体传给钻头,可提高机械钻速30%～50%。1阀控液压随动系统射吸式冲击器结构如图1所示,主要是利用泥浆液流过喷嘴时的卷吸作用,以及阀控液压随动系统的压力与位移综合反馈关系,使阀与活塞在上下腔内产生交变压力差,推动活塞往复运动,以冲击和振动2种方式输出能量。工作过程从回程开始至冲程结束。1.1喷射泵系统模型启动前,冲击器的阀与活塞均处于行程下限,阀呈开启状,液流通道畅通,喷嘴与随动阀控系统组成一只喷射泵(图2a)。启动时工作液从喷嘴射出,高速射流形成卷吸作用,上腔压力迅速下降,液流随着通道的扩大和流速的减慢,节流孔的增压作用使下腔压力升高,与上腔形成压力差,阀与活塞同时上升,但由于阀质量较小,先行到行程上限(图2b),随后活塞也到上限,回程完成(图2c)。1.2由带水击下腔产生的不同时点冲击引起的抗压水击当活塞和阀同时到达上限位置时,阀门关闭,高速液流阻断产生水击,上腔形成很大的压力;同时活塞下腔因上面液流不能下流,而原来的液体继续向下流动,压力急剧下降,即在上腔产生正水击的同时,下腔产生一次负水击,上下腔压力差推动活塞及阀一起向下运动(图2d),阀门逐渐开启,直至冲击砧子,阀门全部开启,冲程结束。2冲锤冲击压力p射吸式双作用冲击器的重要参数:锤质量m、冲击功W、冲击频率f、冲程s和冲击速度v。液动冲击器的设计计算步骤是:a)根据钻进工艺要求初定冲击频率、冲击功和冲程。b)根据频率,初算工作冲程时间ti,并求出行程h0。h0=3.142s/(4t2i⋅μ)‚h0=3.142s/(4t2i⋅μ)‚式中,μ为冲锤与缸体之间的摩擦因数。c)将h0、s代入下式求出冲击速度vv=3.142/4h0s⋅μ。v=3.142/4h0s⋅μ。d)将冲击功W及v代入能量公式,求出冲锤质量m。e)将代入式同样,对于回程h1可以计算出pA2=m(h1/gμ+1)。pA2=m(h1/gμ+1)。f)计算冲击器入口的工作压力p,此压力为泵的表压力减去钻具的压力损失,求出工作面积A1、A2。对于公式中无法看出的规律,可编计算机程序,并参考实际应用中对液动冲击器的要求,优化出一组结果:m=31.3kgW=68kJf=18Ηzv=6.53m/sm=31.3kgW=68kJf=18Hzv=6.53m/s3冲锤结构设计活塞也是一个多功能零件,它在冲锤回程时既是活塞又是承喷器。冲锤为一长圆柱体,锥体端为上锤头,与活塞连成一体(锥柄联接),另一端则由锥柄联接着锤头。活塞与锤头也是冲锤往复运动的导向和支承。从结构图上可以看出活塞冲锤部分是分3部分设计与制造的。这种设计考虑到:a)设计要求。首先是冲锤要与阀形成一个阀门,制造形状有一定要求。b)安装要求。因为锤重30kg,并且形状不规则,安装起来不方便。c)锤的设计一般采用细长形,弧面接触,克服锤偏打或力量不集中的缺点。另外,锤的加工工艺性要求较高。选材,热处理后材料综合力学性能较好,撞击表面高耐磨,同时疲劳强度也应满足要求,故选用耐磨工具钢45CrNi。锤头应先经调质处理到HB210～226,并在锤头与砧子相撞击的部分采用激光熔覆技术处理,使其表面硬度达到HRC50～57,耐磨性可大幅度提高。此外,加工过程中要进行表面磁粉探伤,确保无裂纹。与锤头相撞击的砧子材料及加工要求均与锤头相同。4密封设计4.1拉伸及压缩率要求静密封主要用于螺纹联接处,所用的是“O”形密封圈。按公式验证其压缩率和拉伸率应符合下列要求:ε=(d0+d1)/(d+d1)%‚式中,ε为拉伸率;d0为沟槽内直径,mm;d1为自由状态的“O”形圈内直径,mm;d为自由状态的“O”形圈截面直径,mm。k=[1-(D0-d0)/2d1]%‚式中,k为压缩率;D0为沟槽外直径。mm。4.2聚乙烯纤维在孔隙率测定中的应用主要结构见图3。采用组合密封,由隔离环、活塞环、皮碗、金属靠背环、压盖等组成。其主要特色表现在,一是活塞环用聚四氟乙烯制造,摩擦因数小,并且有自润滑作用。聚四氟乙烯的延伸性好,延伸率高达300%～500%,速度指数2.64～2.82,在腐蚀作用很强,而力学作用较弱的介质中作为耐冲蚀、耐腐蚀的部件使用,可起到保护环境的作用。二是可以更换的唇形大皮碗,通过改变皮碗尺寸,使之用于不同条件下的密封。这种软对硬的密封摩擦副由于皮碗的弹性,有利于克服泥浆冲刷造成的磨砺,使表面擦痕损伤大为减少。5冲击器内部各关键部位液动冲击器作业时,井下高温、腐蚀、振动等因素影响很大,故冲击器内部各关键部位必须达到设计要求。本设计对工作压力、密封寿命、螺纹强度、螺纹牙强度、八方等进行了设计计算校核,由于篇幅限制,不再赘述。6冲击器的使用,有利于提高经济效益国内石油系统采用液动冲击器经工业试验可提高钻速30%～50%,而对于工作情况复杂的深井,可能会更多。如果合理利用冲击器,可提高工作效率,节约大量的钻井时间,其经济效益可观。经过技术成本核算,包括材料、加工工时的成本及组装费用等,其制造成本约￥3～4万元,但这与提高钻速所得到的经济效益相比,用户一般可以承受,因而具有