XC-82型液力旋沖鉆具及配套鉆頭的性能測(cè)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(duì)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(duì)比，以及泵流量、鉆具行程和背壓等參數(shù)對(duì)鉆具性能的影響等一系列測(cè)試。測(cè)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(jiǎn)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(guó)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(cè)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(kāi)展了液力旋沖鉆具及配套鉆頭的研制工作。1998年9月，對(duì)這種型號(hào)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(cè)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(duì)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(gè)因素（比載荷、加載速度、作用時(shí)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(shí)，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(shí)，沖錘的升力被截止。與此同時(shí)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(shí)，被支承座限制而與沖錘分開(kāi)，沖錘因慣性作用繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，直至沖擊砧軸，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石的沖擊。與此同時(shí)，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—?jiǎng)用芊饧?/p>

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(zhǎng)：1670mm；
最大外徑：108mm;
最小內(nèi)徑：25mm;
有效長(zhǎng)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(mén)推廣到石油部門(mén)，并且隨著油田勘探開(kāi)發(fā)力度的逐漸加大，人們認(rèn)識(shí)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(mén)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(wèn)題：①油井深井的溫度高，對(duì)密封材料要求很苛刻，靜密封稍好一些，高頻高速動(dòng)密封壽命短，則是普遍存在的問(wèn)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(shí)掉牙輪是常見(jiàn)的，旋沖鉆井將會(huì)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(zhēng)解決或緩解以上問(wèn)題。它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)動(dòng)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(yú)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(guó)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(guó)內(nèi)外同規(guī)格普通風(fēng)動(dòng)潛孔錘的工作參數(shù)接近。

沖擊力測(cè)試

1.測(cè)試系統(tǒng)及原理

液力旋沖鉆具測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)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(cè)得。通過(guò)變換接頭將BLR—1/10t型拉壓力傳感器連接在待測(cè)液力旋沖鉆具與旋沖鉆頭之間，液力旋沖鉆具的固定、動(dòng)力來(lái)源、循環(huán)介質(zhì)均由WT—50型物探車(chē)載鉆機(jī)提供。測(cè)試時(shí)泵壓數(shù)據(jù)由車(chē)載鉆機(jī)鉆井泵上的壓力表提供；排量數(shù)據(jù)由車(chē)載流量計(jì)提供；時(shí)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(cè)試原理是：沖錘往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(guò)沖擊信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)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(chē))；4—循環(huán)接頭1；5—水龍帶；6—?jiǎng)恿︻^；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(cè)試儀；12—鉆柱變換接頭2；13—旋沖鉆頭

2.測(cè)試方案及程序

(1)沖擊力和沖擊頻率的測(cè)試步驟為：①按圖2連接測(cè)試系統(tǒng)；②將鉆頭下放至距巖樣10cm處，開(kāi)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(dòng)力頭不轉(zhuǎn)；④測(cè)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(duì)比測(cè)試步驟為：①按圖2連接測(cè)試系統(tǒng)(不接測(cè)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(kāi)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(dòng)力頭；④測(cè)量、記錄進(jìn)尺。

3.測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

旋沖鉆具的沖擊力、沖擊頻率的測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。液力旋沖鉆頭與牙輪鉆頭的機(jī)械鉆速對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。將實(shí)際測(cè)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(jiàn)表3。
此次測(cè)試所受干擾因素較多，影響測(cè)試效果，情況說(shuō)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(cè)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(guò)100 L/s，足見(jiàn)其精度及穩(wěn)定性較差；所記錄流量?jī)H以動(dòng)力機(jī)的擋位及其油門(mén)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(duì)螺紋副，若按每對(duì)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(duì)螺紋副，則共9對(duì)螺紋副）損失率為20%，最后僅剩13%的沖擊力。

4.測(cè)試結(jié)論

(1)由于干擾因素很多，測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(duì)比測(cè)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(shuō)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(shì)。
(4)鑒于此次測(cè)試的誤差較大，有必要改換測(cè)試手段和方法。

沖擊能測(cè)試

大慶石油管理局鉆井研究所委托長(zhǎng)春科技大學(xué)沖擊回轉(zhuǎn)試驗(yàn)室，對(duì)XC—82型液力旋沖模擬鉆具進(jìn)行了性能測(cè)試，其目的是了解各相關(guān)參數(shù)對(duì)液力旋沖鉆具性能的影響。從1998年12月7日至12日，歷時(shí)5天，共測(cè)得35組數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)測(cè)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(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試原理

測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)圖3。

圖3技術(shù)性能測(cè)試系統(tǒng)示意圖
1—沖擊器；2—鋼絲繩；3—試驗(yàn)臺(tái)架；4—測(cè)桿；5—觸點(diǎn)傳感器；6—微機(jī)測(cè)試系統(tǒng)；7—水箱；8—電動(dòng)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(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)得，其原理是：在待測(cè)液力旋沖鉆具沖錘底部連接一測(cè)試桿件，沖錘往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)桿件一起運(yùn)動(dòng)，至下死點(diǎn)，測(cè)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(gè)脈沖。兩脈沖間的時(shí)間間隔Δt即為沖錘由高觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到低觸點(diǎn)的時(shí)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(guò)沖擊信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)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(shí)主泵壓力和背壓可由測(cè)試系統(tǒng)上相應(yīng)高精度壓力表讀出。

2.測(cè)試結(jié)果與分析

(1)泵流量對(duì)液力旋沖鉆具性能參數(shù)的影響測(cè)試時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)管路系統(tǒng)中的三通閥門(mén)和變化柴油機(jī)擋位，來(lái)調(diào)節(jié)液力旋沖鉆具的輸入流量。具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。
 

由測(cè)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?；沮厔?shì)是隨泵流量的增加沖擊功和沖擊頻率也增加。

(2)行程對(duì)液力旋沖鉆具性能的影響 通過(guò)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(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

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

(3)背壓對(duì)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(mén)調(diào)節(jié)，壓力值由壓力表讀出，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

由測(cè)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(shì)，而沖擊頻率呈增高趨勢(shì)，這主要是由于背壓增高，沖錘下行時(shí)水墊阻力增加，特別是在自由行程階段，對(duì)沖錘的影響較大。

3.測(cè)試結(jié)論

(1)這種液力旋沖鉆具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件少，加工及使用方便。
(2)鉆具啟動(dòng)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(guó)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(guó)內(nèi)外同規(guī)格普通風(fēng)動(dòng)潛孔錘工作參數(shù)相近，經(jīng)生產(chǎn)測(cè)試后可廣泛應(yīng)用。
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