弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置研究

摘要

旋转冲击钻井技术是提高钻进速度的有效途径之一，在钻井现场得到了广泛的实践与应用。该技术提速原理是在钻压基础上叠加冲击载荷，旋转钻头在动静载荷联合作用下冲击、切削破碎岩石。调研发现，国内旋冲钻井工具在冲击稳定性、参数可调性、工作寿命等方面还存在较大的不足，导致提速效果时好时坏。基于此，通过力学分析、有限元仿真模拟、旋冲破岩室内实验等方法，研究旋冲破岩机理、旋冲钻井参数对破岩体积和机械钻速的影响，为旋冲工具的参数优选和性能改进提供依据。同时，利用螺杆马达带动齿形冲击振套运转，将弹性元件蓄能与凸轮机构相结合，研制出弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置。该旋冲装置冲击参数可调可控，性能可靠，对现场复杂工况有较强适应性，具有良好的破岩提速潜力。 首先建立了PDC钻头常规钻井和旋冲钻井的岩石破碎体积计算模型，理论分析及计算实例表明，冲击载荷可以提高PDC齿吃入深度，造成齿底岩石的破碎，最终增大岩屑破碎体积；同时，对单PDC齿和全尺寸PDC钻头旋冲破岩进行仿真模拟，得到了冲击载荷与PDC齿吃入深度、岩石破碎体积的定量关系。建立了基于冲击破岩有效覆盖面积的冲击频率优选模型，有效覆盖面积随冲击频率增加呈先增大后减小态势。一系列冲击参数优选研究，为旋冲装置结构设计和参数优化提供了理论支撑。 建立旋转冲击破岩室内实验装置，并计算和测量该装置的冲击参数。常规钻井破岩实验表明，对于软地层及中硬地层，采用幂函数钻速方程彰显PDC钻头钻压、转速对机械钻速的影响更准确；对于坚硬地层，PDC钻头破岩存在“门限钻压”现象。旋冲破岩实验表明，弹簧蓄能激发式旋冲装置可以显著提高钻头破岩效率，提速效率最高可达73.6%。提高旋冲装置的冲击力和冲击频率都可以提高PDC钻头破岩效果，但冲击参数并非越大越好，还要与钻头钻压、转速复配。使用旋冲工具钻进不同岩性地层时，优选钻压是十分必要的；旋冲钻井技术在低钻头转速工况下有良好的提速效果。 利用螺杆马达带动齿形冲击振套运转，将弹性元件蓄能与凸轮机构相结合，研制出弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置。参考前期冲击参数优选结果，设计旋冲装置关键部件的结构参数，采用修正等速曲线设计冲锤齿形，螺杆马达采用2/3头结构。完善密封、润滑、抗磨蚀等细节，完成该装置全部加工图纸，并对危险部位进行强度校核与寿命分析，三维运动仿真表明该旋冲装置结构设计合理，满足预定设计要求。 加工了弹簧蓄能激发式旋冲装置原理样机，并对样机进行了性能分析和参数实测。冲击载荷计算结果及测试数据表明，该旋冲装置冲击频率为螺杆转速与冲锤齿数的乘积，冲击频率通过钻井液流量进行调节；冲击载荷可根据弹簧蓄能量进行预先设计，通过改变弹性元件压缩量、更换不同类型弹簧进行调整。冲击参数计算模型与实测数据较为符合，利用该模型可以准确地调整工具的冲击参数。 原理样机地面测试表明，该旋冲装置冲击频率实测值为25.7～37.2Hz，泥浆排量适用范围25～32L/s；冲击载荷峰值在20.2～41.8kN之间，为常规钻井钻压的0.2～0.5倍，可实现一套旋冲装置具有多套冲击参数和多种冲击特性，满足装置当初设计要求。齿形凸起长期运行未发生卷边、磨蚀现象，满足长时间井下工作要求。弹簧蓄能激发式旋冲钻井装置采用机械碰撞的方式产生冲击载荷，冲击强劲有力，工作性能稳定，调控方式简便高效，冲击参数在旋冲钻井最优取值范围内，对现场复杂工况有较强适应性，具有良好的破岩提速潜力，为提高深井、超深井机械钻速提供了一种新的方法和手段。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究目的及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究目的与意义

1.2 相关技术研究现状及发展趋势

1.2.1 旋转冲击破岩理论研究

1.2.2 钻井参数对机械钻速的影响

1.2.3 旋转冲击钻井工具研究现状

1.2.4 旋冲钻井仿真分析及实验研究现状

1.3 目前存在的问题及本文的研究内容

1.3.1 旋冲钻井技术存在的问题

1.3.2 本文研究内容

第二章 旋冲破岩机理分析与仿真模拟

2.1 岩石强度与破坏准则

2.1.1 岩石弹塑性本构关系

2.1.2 岩石破坏准则

2.1.3 实验用岩样物性参数实测

2.2 岩石破坏过程受力分析

2.2.1 常规切削破岩机理分析

2.3.2 旋转冲击破岩机理分析

2.3 冲击破岩的仿真模拟分析

2.3.1 PDC钻头破岩仿真模型建立

2.3.2 单PDC齿旋冲破岩仿真分析

2.3.3 全尺寸钻头旋冲破岩仿真分析

2.4 冲击频率优选

2.4.1 冲击频率优选理论

2.4.3 冲击频率优选实例

2.5 本章小结

第三章 旋转冲击破岩效率实验研究

3.1 旋冲破岩实验装置设计

3.1.1 实验装置总体设计

3.1.2 冲击发生装置设计

3.2 实验装置冲击特性分析

3.2.1 冲击载荷计算模型

3.2.2 冲击载荷实际测量

3.3 常规切削破岩实验研究

3.3.1 机械钻速影响因素分析

3.3.2 PDC钻头钻速方程建立

3.4 旋冲破岩室内实验研究

3.4.1 旋冲钻井参数对钻头破岩速率的影响

3.4.2 岩屑粒径分析

3.5 本章小节

第四章 弹簧蓄能激发式旋冲装置整体方案设计

4.1 螺杆钻具工作原理及特性分析

4.1.1 螺杆钻具工作原理

4.1.2 螺杆钻具工作特性分析

4.2 凸轮机构工作原理及特性分析

4.2.1 凸轮机构工作原理

4.2.2 凸轮机构工作特性分析

4.3 弹簧蓄能激发式旋冲钻井装置

4.4 装置各单元整体方案设计

4.4.1 动力单元设计

4.4.2 传动部件设计

4.4.3 冲击机构设计

4.4.4 密封及润滑方案设计

4.5 该旋冲装置性能参数预设

（1）冲击载荷预设

（2）冲击频率预设

（3）通用钻井参数预设

第五章 旋冲装置结构参数设计与校核

5.1 冲击机构参数设计

5.1.1 冲锤结构参数设计

5.1.2 蓄能弹簧参数设计

5.1.3 齿形轮廓曲线设计

5.2 马达动力机构参数设计

5.2.1 螺杆马达参数设计

5.2.2 冲击频率与转盘转速复配

5.3 装置关键部位强度校核与寿命分析

5.3.1 螺杆定子橡胶寿命分析

5.3.2 推力轴承串强度校核及结构改进

5.3.3 冲击机构外壳体强度校核

5.3.4 齿形耐冲击性寿命分析

5.3.5 砧体传扭设计与强度校核

5.4 整机动态仿真分析

5.4.1 冲击机构仿真建模

5.4.2 运动仿真结果分析

5.5 本章小结

第六章 旋冲装置特性分析与地面测试

6.1 冲击载荷的计算模型

6.1.1 冲锤下落速度计算模型

6.1.2 冲击载荷计算模型

6.2 各参数对冲击载荷影响规律研究

6.2.1 冲锤质量对冲击载荷影响

6.2.2 弹性元件弹力对冲击载荷影响

6.2.3 齿面变形系数对冲击载荷影响

6.3 冲击性能地面实测

6.3.1 测试目的

6.3.2 测试装置及测试过程

6.3.3 测试结果

6.4 原理样机整机性能实测

6.4.1 原理样机加工

6.4.2 整机测试试验

6.4.3 整机测试结果分析

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

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