XC-82型液力旋沖鉆具及配套鉆頭的性能測試

摘要XC—82型液力旋沖鉆具及配套鉆頭是為滿足深井硬地層鉆井需要而研制的，主要由水擊閥、支承座、沖錘、節(jié)流閥、砧軸、筒體及配套旋沖鉆頭組成。對這種鉆具進(jìn)行了沖擊力、沖擊頻率、配套旋沖鉆頭與牙輪鉆頭機(jī)械鉆速對比，以及泵流量、鉆具行程和背壓等參數(shù)對鉆具性能的影響等一系列測試。測試結(jié)果表明，在主泵流量為100～350L/min條件下，鉆具沖擊能為11.5～132J，沖擊頻率為10～18Hz。鉆具結(jié)構(gòu)簡單，零部件少，加工使用方便，性能穩(wěn)定、可靠，主要技術(shù)性能與國內(nèi)同類產(chǎn)品相比是比較先進(jìn)的。

主題詞鉆具鉆頭性能測試

為了滿足大慶油田深井硬地層鉆井的需要，大慶石油管理局鉆井研究所開展了液力旋沖鉆具及配套鉆頭的研制工作。1998年9月，對這種型號為XC—82的液力旋沖鉆具及配套鉆頭模擬樣機(jī)的主要技術(shù)性能進(jìn)行了測試，取得了可喜的效果。

結(jié)構(gòu)及工作原理

XC—82型液力旋沖鉆具及配套鉆頭(圖1)，主要由水擊閥、支承座、沖錘、節(jié)流閥、砧軸、筒體和鉆頭組成。這種鉆具能把鉆井液能量轉(zhuǎn)化成對鉆頭的高頻機(jī)械沖擊能量，巧妙地解決了影響鉆井速度的幾個因素（比載荷、加載速度、作用時間）與現(xiàn)有鉆井條件（鉆井設(shè)備、鉆井工具、鉆井工藝）之間的矛盾，從而實(shí)現(xiàn)了高效率體積破巖。當(dāng)鉆井液流經(jīng)液力旋沖鉆具及配套鉆頭的節(jié)流閥時，水擊閥、沖錘的上下端建立工作壓差。水擊閥和沖錘先后在工作壓差作用下上行。當(dāng)沖錘上行至與上死點(diǎn)的水擊閥閥心接觸時，沖錘的升力被截止。與此同時鉆井液通道被突然關(guān)閉，鉆井液速度突然降為零，隨之引起慣性水頭作用，使壓強(qiáng)突然增加，即產(chǎn)生水擊壓強(qiáng)。在水擊壓強(qiáng)作用下，水擊閥心與沖錘一同迅速下行，在水擊閥心下行一定行程時，被支承座限制而與沖錘分開，沖錘因慣性作用繼續(xù)向下運(yùn)動，直至沖擊砧軸，實(shí)現(xiàn)對巖石的沖擊。與此同時，鉆井液循環(huán)已恢復(fù)，水擊閥心和沖錘在工作壓差作用下又先后上行。

圖1XC—82型液力旋沖鉆具及配套鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖
1—水擊閥座；2—筒體；3—水擊閥心；4—支承座；
5—沖錘；6—砧軸；7—鉆頭；8—節(jié)流噴嘴；9—動密封件

主要技術(shù)參數(shù)與技術(shù)特點(diǎn)

1.主要技術(shù)參數(shù)

公稱尺寸：φ82mm;
總長：1670mm；
最大外徑：108mm;
最小內(nèi)徑：25mm;
有效長度：1620mm;
最大工作扭矩：7.75kN.m。

2.技術(shù)特點(diǎn)

目前，旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具及工藝因具有攻克硬地層的特點(diǎn)，已由地質(zhì)礦產(chǎn)部門推廣到石油部門，并且隨著油田勘探開發(fā)力度的逐漸加大，人們認(rèn)識水平的逐漸提高，以及材料科學(xué)的迅速發(fā)展，將在油田廣泛應(yīng)用。由于石油鉆井與地礦部門鉆井的差異，旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具及工藝還有如下不適應(yīng)石油鉆井的問題：①油井深井的溫度高，對密封材料要求很苛刻，靜密封稍好一些，高頻高速動密封壽命短，則是普遍存在的問題；②工具內(nèi)的零部件較多，不但影響了精度，也降低了可靠性；③旋沖鉆具所配鉆頭一般為牙輪鉆頭，牙輪鉆頭在常規(guī)鉆井時掉牙輪是常見的，旋沖鉆井將會增加這些事故的發(fā)生；④石油鉆井所用循環(huán)介質(zhì)是液體而不是氣體，致使用于石油鉆井的旋沖鉆具的破巖能量較低［1～3］。XC—82型液力旋沖鉆具及配套鉆頭的設(shè)計(jì)力爭解決或緩解以上問題。它具有以下幾個特點(diǎn)：

(1)動密封設(shè)計(jì)滿足耐高溫、耐高速、耐高頻及低摩阻的要求，從而能夠提高使用壽命；

(2)整套工具（包括鉆頭）僅由八大件組成，提高了精度和可靠性；

(3)旋沖鉆具所配鉆頭是不同于牙輪鉆頭和PDC鉆頭的新型旋沖鉆頭，具有很高的耐沖擊、耐磨損性能，能大大降低落魚事故的發(fā)生；

(4)由于工具內(nèi)各配合面的熱處理較好，可確保高精度配合，大大減小了液相和固相的摩阻損失，從而提高了沖錘破巖的沖擊能，例如在主泵流量100～350L/min的條件下，沖擊能為11.5～132J，與國內(nèi)外同類型旋沖鉆具相比，其沖擊能較大，性能優(yōu)良，與國內(nèi)外同規(guī)格普通風(fēng)動潛孔錘的工作參數(shù)接近。

沖擊力測試

1.測試系統(tǒng)及原理

液力旋沖鉆具測試系統(tǒng)見圖2。鉆具的沖擊力和沖擊頻率主要由BLR—1/10t型拉壓力傳感器及GF—1型放大器測得。通過變換接頭將BLR—1/10t型拉壓力傳感器連接在待測液力旋沖鉆具與旋沖鉆頭之間，液力旋沖鉆具的固定、動力來源、循環(huán)介質(zhì)均由WT—50型物探車載鉆機(jī)提供。測試時泵壓數(shù)據(jù)由車載鉆機(jī)鉆井泵上的壓力表提供；排量數(shù)據(jù)由車載流量計(jì)提供；時間數(shù)據(jù)由秒表提供。沖擊鉆頭下放置（或鉆進(jìn)）一塊1m×1m×0.5m的花崗巖。測試原理是：沖錘往復(fù)運(yùn)動時，其沖擊力作用在BLR—1/10t型拉壓力傳感器上，并傳給GF—1型放大器。沖擊力和沖擊頻率是經(jīng)過沖擊信號監(jiān)測系統(tǒng)測定的，該系統(tǒng)主要包括高速數(shù)據(jù)采集卡、微機(jī)、處理軟件系統(tǒng)和打印機(jī)。

1—泵；2—循環(huán)接頭2；3—流量計(jì)(車)；4—循環(huán)接頭1；5—水龍帶；6—動力頭；7—短鉆桿；8—旋沖鉆具主體；9—旋沖鉆具心軸；10—鉆柱變換接頭1；11—測試儀；12—鉆柱變換接頭2；13—旋沖鉆頭

2.測試方案及程序

(1)沖擊力和沖擊頻率的測試步驟為：①按圖2連接測試系統(tǒng)；②將鉆頭下放至距巖樣10cm處，開泵循環(huán)；③10s后將液力旋沖鉆頭下放至接觸巖樣,鉆機(jī)提供20～30kN軸向載荷（即旋沖鉆具主體剛好下行至下死點(diǎn)）,排量為2L/s，動力頭不轉(zhuǎn)；④測試旋沖鉆具的沖擊載荷和沖擊頻率。

(2)旋沖鉆頭與牙輪鉆頭的機(jī)械鉆速對比測試步驟為：①按圖2連接測試系統(tǒng)(不接測試儀和鉆柱變換接頭)；②將液力旋沖鉆頭下放至距巖樣10cm處，開泵循環(huán)；③10s后將液力旋沖鉆頭（或牙輪鉆頭）下放至接觸巖樣,鉆機(jī)提供20～30kN軸向載荷（即旋沖鉆具主體剛好下行至下死點(diǎn)）,排量為2L/s，旋轉(zhuǎn)動力頭；④測量、記錄進(jìn)尺。

3.測試數(shù)據(jù)及分析

旋沖鉆具的沖擊力、沖擊頻率的測試數(shù)據(jù)見表1。液力旋沖鉆頭與牙輪鉆頭的機(jī)械鉆速對比測試數(shù)據(jù)見表2。將實(shí)際測試數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，理論計(jì)算數(shù)據(jù)見表3。
此次測試所受干擾因素較多，影響測試效果，情況說明如下：

(1)量程為10t的BLR—1/10t型拉壓力傳感器的抗震性能差，因它的失效而性能測試告終。
(2)流量計(jì)的量程為20L/s，但在小流量范圍內(nèi)精度大大降低，鉆井泵的額定流量為5L/s，而流量計(jì)卻曾顯示過100 L/s，足見其精度及穩(wěn)定性較差；所記錄流量僅以動力機(jī)的擋位及其油門大小和操作手的經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)。
(3)花崗巖下面的大地很松，大大降低了沖擊力。沖錘以下至大地，共有6對螺紋副，若按每對螺紋副（將花崗巖與其下面的大地接觸、沖錘與砧軸的接觸及沖擊鉆頭與花崗巖的接觸也視為一對螺紋副，則共9對螺紋副）損失率為20%，最后僅剩13%的沖擊力。

4.測試結(jié)論

(1)由于干擾因素很多，測得的技術(shù)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的誤差較大。其中，沖擊力的測試數(shù)據(jù)僅達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的44.13%;沖擊頻率測試數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的74.2%。
(2)沖錘以下的接頭對沖擊載荷有很大的削弱作用。
(3)液力旋沖鉆頭與牙輪鉆頭的機(jī)械鉆速對比測試表明，在沖錘以下的接頭把沖擊載荷削弱到很小及巖石下為松土的情況下，液力旋沖鉆頭的機(jī)械鉆速是牙輪鉆頭機(jī)械鉆速的77%。這說明液力旋沖鉆頭在常規(guī)鉆井及松軟地層條件下，不能發(fā)揮出旋沖鉆井的優(yōu)勢。
(4)鑒于此次測試的誤差較大，有必要改換測試手段和方法。

沖擊能測試

大慶石油管理局鉆井研究所委托長春科技大學(xué)沖擊回轉(zhuǎn)試驗(yàn)室，對XC—82型液力旋沖模擬鉆具進(jìn)行了性能測試，其目的是了解各相關(guān)參數(shù)對液力旋沖鉆具性能的影響。從1998年12月7日至12日，歷時5天，共測得35組數(shù)據(jù)。通過對測試數(shù)據(jù)的分析，為該鉆具的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1.測試系統(tǒng)及測試原理

測試系統(tǒng)見圖3。

圖3技術(shù)性能測試系統(tǒng)示意圖
1—沖擊器；2—鋼絲繩；3—試驗(yàn)臺架；4—測桿；5—觸點(diǎn)傳感器；6—微機(jī)測試系統(tǒng)；7—水箱；8—電動機(jī)；9—水泵；10—閥；11—穩(wěn)壓器；12—泵壓表；13—流量計(jì)；14—背壓表

液力旋沖鉆具的性能參數(shù)如沖擊頻率、沖擊能主要由一套觸發(fā)式傳感器及沖擊信號監(jiān)測系統(tǒng)測得，其原理是：在待測液力旋沖鉆具沖錘底部連接一測試桿件，沖錘往復(fù)運(yùn)動時帶動桿件一起運(yùn)動，至下死點(diǎn)，測桿分別與觸點(diǎn)式傳感器的高低兩觸點(diǎn)接觸，構(gòu)成回路，在兩回路中分別觸發(fā)窄及寬兩個脈沖。兩脈沖間的時間間隔Δt即為沖錘由高觸點(diǎn)運(yùn)動到低觸點(diǎn)的時間，顯然沖錘末速度v=S/Δt，其中S為兩觸點(diǎn)高度差。Δt是經(jīng)過沖擊信號監(jiān)測系統(tǒng)測定的，該系統(tǒng)主要包括高速數(shù)據(jù)采集卡、PC286微機(jī)、處理軟件系統(tǒng)和打印機(jī)。液力旋沖鉆具工作時主泵壓力和背壓可由測試系統(tǒng)上相應(yīng)高精度壓力表讀出。

2.測試結(jié)果與分析

(1)泵流量對液力旋沖鉆具性能參數(shù)的影響測試時，通過調(diào)節(jié)管路系統(tǒng)中的三通閥門和變化柴油機(jī)擋位，來調(diào)節(jié)液力旋沖鉆具的輸入流量。具體測試結(jié)果見表4。
 

由測試數(shù)據(jù)可知，泵流量是影響液力旋沖鉆具單次沖擊功、沖擊頻率的主要因素。基本趨勢是隨泵流量的增加沖擊功和沖擊頻率也增加。

(2)行程對液力旋沖鉆具性能的影響 通過調(diào)節(jié)水擊閥上的墊圈，可調(diào)節(jié)液力旋沖鉆具的行程。本次共進(jìn)行了5組行程的測試，具體測試結(jié)果見表5。

由測試結(jié)果可得出，液力旋沖鉆具在20mm行程、5mm自由行程時，比較匹配，閥門關(guān)閉徹底，沖擊功最大。

(3)背壓對液力旋沖鉆具性能的影響 背壓由安裝在回水管路系統(tǒng)中的閥門調(diào)節(jié)，壓力值由壓力表讀出，測試數(shù)據(jù)見表6。

由測試數(shù)據(jù)可看出，隨著背壓的增高，液力旋沖鉆具的沖擊功呈下降趨勢，而沖擊頻率呈增高趨勢，這主要是由于背壓增高，沖錘下行時水墊阻力增加，特別是在自由行程階段，對沖錘的影響較大。

3.測試結(jié)論

(1)這種液力旋沖鉆具結(jié)構(gòu)簡單，零部件少，加工及使用方便。
(2)鉆具啟動靈活，工作性能穩(wěn)定、可靠。
(3)鉆具在主泵流量100～350L/min的條件下，沖擊能為11.5～132J；沖擊頻率10～18Hz，與國內(nèi)外同類型旋沖鉆具相比，其沖擊能較大，性能優(yōu)良，與國內(nèi)外同規(guī)格普通風(fēng)動潛孔錘工作參數(shù)相近，經(jīng)生產(chǎn)測試后可廣泛應(yīng)用。
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