閥式雙作用液動沖擊器的研制與應(yīng)用

閥式雙作用液動沖擊器的研制與應(yīng)用

1外載作用的速度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響也就是說，根據(jù)普通旋轉(zhuǎn)鉆孔的基礎(chǔ)，增加了沖擊裝置。沖擊器是一種井底動力機(jī)械,一般是連接到井底鉆頭或巖芯管的上端,依靠鉆井液的能量推動其活塞沖錘上下運(yùn)動,撞擊鉆頭。鉆頭在沖擊動載和靜壓旋轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用下破碎巖石。沖擊力不同于靜壓力,它是一種加載速度極大的動載荷,作用力在極短的時間內(nèi)變化幅度很大。由圖1知,沖擊力在幾十微秒內(nèi)由零上升至幾十千牛,再經(jīng)幾百微秒又重新下降至零。實(shí)踐證明,外載作用的速度對巖石力學(xué)性質(zhì)有較大的影響,特別是其對巖石的彈性及塑性的影響。根據(jù)固體力學(xué)理論,巖石變形與應(yīng)力之間的關(guān)系為σ=Ex+ηdxdt(1)σ=Ex+ηdxdt(1)式中,σ為應(yīng)力;E為彈性模量;x為形變;η為粘滯系數(shù);t為荷載作用時間。由前所述,沖擊動載作用時間極短,式(1)中第2部分增大,巖石應(yīng)力很快接近或超過強(qiáng)度極限,發(fā)生脆性變形?？梢?隨沖擊速度的增加,巖石的塑性降低,表現(xiàn)為塑性體向脆性體轉(zhuǎn)化的趨勢。沖擊動載的這種特性有利于巖石中裂隙的擴(kuò)張,形成大體積的破碎,提高破碎巖石的速度。2國內(nèi)外發(fā)展2.1液動沖擊器的研制由于沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)能夠大幅度提高破巖效率,自從其誕生以來,發(fā)展速度很快,并很快應(yīng)用于礦山、采石、地質(zhì)勘探,水文水井、石油鉆井、地?zé)徙@井、工程施工及工程勘察等領(lǐng)域。20世紀(jì)初,俄國工程師B.沃爾斯基設(shè)計(jì)了石油鉆井的液動沖擊器,并開創(chuàng)了液動沖擊器的理論研究工作。此后,美國泛美石油公司研發(fā)了一種在石油鉆井中用的雙作用液動沖擊器,在2400m井深做過試驗(yàn),在石灰?guī)r中鉆進(jìn)速度比普通鉆進(jìn)方法提高效率96%~350%,主要參數(shù)如表1。德國克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)深鉆研究所也在開展液動沖擊器的工作理論試驗(yàn)研究及微機(jī)仿真電算研究,在1993年設(shè)計(jì)了一套閥式正作用沖擊器,采用2個彈簧,其結(jié)構(gòu)如圖2。經(jīng)初步試驗(yàn),流量在33L/s左右,泵壓在3~4MPa,沖擊功達(dá)800~900J。2.2中國研究2.2.1沖擊器運(yùn)行實(shí)驗(yàn)YZX-127型液動沖擊器由國土資源部勘探技術(shù)研究所研制,其為一種閥式雙作用類型沖擊器。該沖擊器于1999-06在江蘇東?？茖W(xué)鉆探先導(dǎo)孔的實(shí)驗(yàn)孔進(jìn)行了鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)。鉆進(jìn)地層為片麻巖,石英含量高,研磨性強(qiáng),采用?158mm的固定式硬質(zhì)合金球齒鉆頭和?152mm的三牙輪鉆頭,平均鉆速達(dá)2.55m/h,且用牙輪鉆頭比球齒鉆頭的效果更好。2.2.2活塞環(huán)沖擊器XC型液力沖擊器由大慶油田石油鉆井研究所設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)如圖3。該種沖擊器亦屬閥式雙作用類型,與國內(nèi)同類沖擊器的工作原理基本相同,其主要特點(diǎn)是采用活塞環(huán)密封,密封可靠,摩阻力小,壽命長;整個沖擊器只有8個零件,結(jié)構(gòu)簡單;單次沖擊能量較大。2.2.3雙閥沖水機(jī)機(jī)構(gòu)SYZJ液動沖擊器是為石油鉆井而設(shè)計(jì)的,為雙作用類型沖擊器,由石油大學(xué)研制。與一般雙作用沖擊器相比,其顯著特點(diǎn)是采用了一套雙閥配水機(jī)構(gòu),即活塞沖錘的沖程和回程是靠上下2個活閥的配水來完成的。其結(jié)構(gòu)如圖4。該沖擊器在2308~2351m井段進(jìn)行了入井試驗(yàn),地層為泥巖及粉砂巖,采用311.1mmHJ517牙輪鉆頭。試驗(yàn)結(jié)果表明,與純旋轉(zhuǎn)鉆井相比,在粉砂巖中鉆速提高63%,在泥巖中鉆速提高21%,并減少了井眼偏斜,獲得了很好的效果。2.2.4壓力位移綜合反饋該沖擊器由西安石油學(xué)院研制,結(jié)構(gòu)如圖5,是利用泥漿液流過噴嘴的卷吸作用,以及閥控液壓隨動系統(tǒng)的壓力位移綜合反饋關(guān)系,使閥和活塞產(chǎn)生交變壓力差,推動活塞往復(fù)運(yùn)動。2.2.5沖擊器工作穩(wěn)定性受井深、圍壓的影響主要分為3個井區(qū)該沖擊器主要由吉林大學(xué)研究,結(jié)構(gòu)如圖6,依靠雙穩(wěn)的射流元件控制活塞沖錘的上下運(yùn)動。沖擊器結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)動部件少,除活塞沖錘外無其他運(yùn)動零件,因而工作壽命長;沖擊器工作不受井深及圍壓的影響,可應(yīng)用于深井的石油鉆井;根據(jù)不同的地層、井深、鉆井工藝,沖擊器工作性能參數(shù)可以大幅度調(diào)整,而其工作的穩(wěn)定性不受影響;沖擊器的單次沖擊功可大幅度提高,可配套硬質(zhì)合金球齒鉆頭,實(shí)現(xiàn)全面的體積碎巖。3硬巖沖擊事件鉆井沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井的碎巖方式有別于傳統(tǒng)鉆井,從理論分析和試驗(yàn)與應(yīng)用效果來看,它可以有效地提高硬巖鉆速,有效防止硬巖及復(fù)雜地層鉆井中的井斜問題,減緩鉆頭磨損,延長鉆頭壽命,減少鉆具損壞,降低鉆井成本,是一種很有發(fā)展前景的鉆井方式。近期的研究重點(diǎn)是:a)沖擊器的直徑由小到大,并形成系列化產(chǎn)品,全面解決石油鉆井硬巖鉆進(jìn)難題。b)應(yīng)