冲击螺杆钻具结构设计与参数优化

姜华 李军 张鹏翔 汪伟 查春青

为了高效钻进硬岩地层，将螺杆钻具的大扭矩与轴向冲击工具的高频低幅沖击特性相结合，研制了一种冲击螺杆钻具。在工具结构原理讨论的基础上，建立了轴向冲击短节的冲锤运动控制方程，分析了冲锤的运动特性，并以工具冲击功和最大能量利用率为评价指标，采用正交试验方法对主要工具结构参数进行了优化研究。研究结果表明：冲锤往复运动过程为加速度逐渐减小的非线性加速运动，节流喷嘴直径和冲锤运动行程是影响冲击功的主要因素，而冲锤质量、承压面积和腔体通孔面积是次要因素。节流喷嘴直径和冲锤承压面积是影响最大能量利用率的主要因素；而冲锤运动行程、冲锤质量和腔体通孔面积是次要因素。所得结论可为对冲击螺杆钻具的进一步优化设计和现场应用提供参考。

冲击螺杆钻具；运动特性；正交试验；冲击功；最大能量利用率

Structural Design and Parameter Optimization of Percussion PDM Drill

In order to efficiently drill into hard rock formations，a percussion PDM drill was developed by combining the high torque of PDM drill with the high frequency and low amplitude impact property of axial percussion tool.On the basis of discussing the principle of tool structure，a motion control equation for the demolition hammer of axial percussion pup joint was established to analyze the motion characteristics of the demolition hammer.Then，taking the ballistic work and maximum energy utilization ratio as evaluation indicators，the orthogonal test method was used to conduct optimization research on the main tool structure parameters.The research results show that the reciprocation of the demolition hammer is a nonlinear accelerated motion with gradually decreasing acceleration.The diameter of the throttle nozzle and the stroke of the demolition hammer motion are the main factors affecting the ballistic work，while the mass and bearing area of the demolition hammer and the through-hole area of the cavity are minor factors.The diameter of the throttle nozzle and the bearing area of the demolition hammer are the main factors affecting the maximum energy utilization ratio，while the stroke of the demolition hammer motion，the mass of the demolition hammer and the through-hole of the cavity are minor factors.The conclusions provide reference for further optimization design and field application of percussion PDM drill.

percussion PDM drill tool；motion characteristic；orthogonal test；ballistic work；maximum energy utilization ratio

0 引 言

深层油气藏是我国油气勘探开发的重要接续区，然而，由于深部地层岩石强度较高、可钻性较差，导致深层钻井岩石破碎效率和机械钻速均大幅降低［1-3］。如何提高深部地层的机械钻速、降低钻井成本成为目前技术攻关的重难点。工程实践表明，在当前钻井工艺水平下，井下动力钻具与冲击钻井技术相结合是深部地层提速的有效途径［4-5］。螺杆马达具有功率大、性能稳定、工作寿命长的特点，广泛应用于钻井作业［6-7］。冲击钻井技术能够为钻头提供额外的冲击能量，是提高硬地层破岩效率的有效方法之一［8-9］。将大功率螺杆马达与冲击钻具相配合，能够同时为钻头提供大扭矩和冲击动载，降低岩石抵抗破碎能力，有助于岩石被旋转剪切破碎，从而有效提高深部地层的机械钻速［10］。现场应用也表明冲击螺杆钻具在深井硬地层中具有明显提速效果［11-12］。张海平［12］、甘心等［13］提出，机械式旋冲螺杆通过凸轮与滚轮相配合，依靠钻柱重力势能产生冲击载荷，能够提供低频高幅的轴线冲击载荷。王四一等［14］、王勇军等［15］设计的冲击螺杆采用凸轮冲锤与弹簧相配合，依靠弹簧蓄能推动冲锤产生冲击载荷，能够提供稳定的冲击力。但以上冲击螺杆工具存在结构复杂、凸轮冲击机构易磨损、工具寿命较短的问题。于洋等［16］应用的旋冲螺杆钻具采用自激振荡腔产生轴向冲击载荷，但该工具的轴向压力波动对钻井液性质要求较高。

针对目前存在的技术问题，笔者设计了一种新型冲击螺杆钻具，利用高压钻井液推动冲锤产生轴向冲击载荷。该工具兼具螺杆马达和冲击钻井工具的优点，在螺杆+转盘复合钻井的同时，为钻头提供高频低幅的冲击载荷，以提高破岩效率。通过对工具结构的优化设计和性能参数的计算分析，以期为深部硬地层增速提效提供有效的技术手段。

1 技术分析

1.1 工具结构

冲击螺杆钻具是在螺杆传动轴下端增加轴向冲击短节形成的一种井下提速工具，其结构示意图如图1所示。

由图1可知，轴向冲击短节主要由叶轮转筒、换向筒、轴向冲锤、节流喷嘴以及下接头组成。轴向冲击短节安装在在螺杆钻具传动轴内部，下接头与钻头相连接。

1.2 工作原理

钻进过程中，螺杆传动轴中心孔内的高压钻井液流入轴向冲击短节，驱动叶轮转筒连续转动。叶轮转筒的连续转动使得冲锤上、下腔体与工具内部的高、低压流道交替连通，周期性改变作用在冲锤端面的压差力方向，驱动冲锤沿轴向往复运动。在正向冲击阶段产生的冲击载荷传递至钻头，辅助提高钻头破岩效率。轴向冲击短节利用叶轮旋转配流以实现冲锤换向动作，冲击频率可通过改变叶轮转速调节。工具整体结构简单，冲击短节长度较短，对螺杆钻具的定向作业影响较小。

1.3 主要技术参数

设计的冲击螺杆钻具的主要技术参数如表1所示。

2 冲锤运动特性分析

2.1 冲锤运动控制方程

冲锤往复运动与钻头座碰撞产生周期性冲击载荷，分析冲锤的运动特性能够为工具结构参数和冲击性能的优化设计提供依据。由于冲锤流道为对称结构设计，冲锤在正向与反向冲击阶段的钻井液流动过程一致，以换向筒单侧冲锤回程运动阶段的钻井液流动过程为例进行分析。图2为冲锤回程阶段的钻井液流动示意图。

由图2可知，总流量为Q1的高压钻井液进入工具的中心流道后，一部分通过换向筒侧壁上腔体通孔进入冲锤一侧的高压腔，剩余部分经由工具内部的节流喷嘴产生压降。钻井液作用在冲锤端面的压差Δpc为：

Δpc=pH-pL=Δpp-2Δpk（1）

式中：pH为冲锤高压腔压力，Pa；pL为冲锤低压腔压力，Pa；Δpp和Δpk分别为钻井液流经节流喷嘴和腔体通孔形成的压差，Pa。

钻井液通过节流喷嘴和腔体通孔处形成的压差一般计算表达式为：

式中：ρ为钻井液密度，kg/m3；Q2和Q3分别为进入节流喷嘴和高压腔的流量，L/s；Ap和Ak分别为节流喷嘴和腔体通孔面积，m2；ξ为压耗系数，一般取0.8～1.1。

进入高压腔的流量与冲锤运动速度相关，其表达式为：

Q3=vcAc（4）

式中：vc为冲锤运动速度，m/s；Ac为冲锤端面承压面积，m2。

由牛顿第二定律，综合式（1）～式（4），得到正向冲击阶段和反向复位阶段内冲锤的运动方程：

式中：Mc为冲锤质量，kg；ac为冲锤的瞬时加速度，m/s2。

2.2 冲锤运动规律分析

根据式（5）的冲锤运动数学模型，基于有限差分原理，利用Matlab编制模拟计算程序，对所设计的轴向冲击工具进行冲锤运动的迭代计算。分析采用的工具结构参数为：节流喷嘴直径20 mm，冲锤运动行程40 mm，冲锤质量20 kg，承压面外径115 mm，承压面内径95 mm，腔体通孔面积400 mm2。水力参数为：钻井液排量30 L/s，钻井液密度1.2 g/cm3。计算得到在正向冲击阶段，冲锤速度随位移的变化曲线如图3所示。

由图3可以看出，冲锤速度随运动时间的延长而升高，但曲线斜率逐渐减小，冲锤运动为加速度减小的非线性加速运动。冲锤加速度减小的主要原因是随着冲锤运动速度升高，进入腔体的高压钻井液瞬时流量Q3增大，叶轮转筒内流经节流喷嘴处的流量Q2減小，从而导致钻井液流经喷嘴时形成的压差降低。与此同时，腔体通孔产生的压降随瞬时流量的增大而增大，导致作用在冲锤两端的压差力逐渐减小。

3 参数优化设计

3.1 工具冲击参数

在水力参数、工具结构参数给定条件下，根据冲锤运动特性的分析，得到冲锤在正向冲击阶段的末速度和运动时间，进而计算用于评价轴向冲击钻井工具性能的冲击参数，主要包括冲锤冲击功和最大能量利用率，具体表达式为：

式中：Ec为冲锤冲击功，J；ve为冲击末速度，m/s；η为最大能量利用率；fc为固有冲击频率，Hz；Ptotal为总输入功率，W。

3.2 结构参数对冲击性能的影响

从冲锤运动特性分析可知，影响冲击性能的结构参数涉及节流喷嘴直径、运动行程、冲锤质量、承压面积和腔体通孔面积5个单因素。其中承压面积与承压面内外径尺寸相关，分析时保持承压面内径尺寸不变，仅改变承压面外径尺寸。计算得到各结构参数对工具冲击性能的影响规律如图4所示。

由图4可知：随着节流喷嘴直径的增加，工具冲击功和最大能量利用效率均会逐渐减小；随着冲锤质量、腔体通孔面积的增加，工具冲击功和最大能量利用效率逐渐增大;当节流喷嘴直径增加、腔体通孔面积的减小时，喷嘴产生的节流增压效果减弱，流经通孔产生的压力损失增大，导致钻井液作用在冲锤端面的压差力减小，从而引起冲击功的减小，最大能量利用率随之减小。在相同作用压差和运动行程条件下，冲锤冲击速度和冲击频率均随质量的增大而减小;但在较小的冲锤质量变化范围内，冲锤冲击速度和频率的减小幅度小于冲锤质量的增大幅度，因此冲击功和最大能量利用效率仍随冲锤质量的增大而增大。

随着运动行程的增大，工具冲击功逐渐增大，而最大能量利用效率则呈现相反的变化规律。在相同作用压差条件下，冲锤受钻井液驱动的作用时间随运动行程的增大而延长，冲锤的冲击速度随之增加，从而提高工具冲击功；随着冲锤运动时间的延长，钻井液流经换向筒上腔体通孔的能量损耗也相应增大，导致最大能量利用率降低。

随着冲锤承压面外径的增大，工具冲击功和最大能量利用效率均呈先增大后减小的变化趋势，即承压面积存在最优值。当冲锤承压面面积在一定范围增大时，能够增大钻井液作用在冲锤端面的压差力，从而增大冲击功和最大能量利用率；随着冲锤承压面面积的继续增大，进入高压腔的流量增大，流入节流喷嘴的流量随之减小，导致喷嘴产生的节流增压效果减弱，从而会对冲击功和最大能量利用率产生负面影响。

3.3 多因素变化对冲击性能的影响

单因素分析能够研究各结构参数对工具冲击性能的影响规律，但还存在各因素之间的相互作用，从而对工具的冲击性能产生额外影响。正交试验能够分析多个结构参数间的相互作用对工具性能的影响效果，并筛选最优工具结构参数组合。设计L16（45）正交试验表格，将5个因素依次编号为A（节流喷嘴直径）、B（冲锤行程）、C（冲锤质量）、D（承压面外径）、E（腔体通孔面积），并计算得到不同参数组合下的单次冲击功和最大能量利用率。计算过程中钻井液排量取30 L/s，密度为1.2 g/cm3，冲锤承压面内径固定为95 mm。其方案及计算结果如表2所示。

以冲锤冲击功和最大能量利用率作为评价指标，通过方差分析和直观分析研究各因素的主次关系，并确定最佳因素水平组合。以冲锤冲击功为评价指标时，计算得到各因素方差分析和平均值变化趋势如表3和图5所示。

以最大能量利用率为评价指标时，计算得到各因素方差分析和平均值变化趋势如表4和图6所示。

对比表3数据中F值的大小，可以得出5个结构参数中，对冲锤冲击功的影响重要程度排序如下：节流喷嘴直径（A）>运动行程（B）>冲锤质量（C）>承压面外径（D）>腔体通孔面积（E）。其中节流喷嘴直径和运动行程是影响冲击功的主要因素，而冲锤质量、承压面外径和腔体通孔面积是次要因素。由图5可寻求以冲锤冲击功为评价指标的各结构参数最佳组合方式，最佳组合取各因素较大的平均数对应的水平值。由图5可知，冲击功达到最佳的工具结构参数组合：节流喷嘴直径为18 mm，运动行程为50 mm，冲锤质量为30 kg，承压面内径为110 mm，腔体通孔面积为600 mm2。该结构参数组合下的冲击功达到352.9 J，相比算例分析中原结构的166.24 J，提高了112.3%。值得注意的是，在实际应用中不能一味追求高冲击功，工具节流喷嘴直径的选择通常还需综合考虑现场钻井液排量和密度，防止工具压降过高。

对比表4数据中F值的大小，可以得出各因素对工具最大能量利用率的影响重要程度排序如下：节流喷嘴直径（A）>承压面外径（D）>冲锤质量（C）>腔体通孔面积（E）>运动行程（B）。其中节流喷嘴直径和冲锤承压面外径是影响最大能量利用率的主要因素，而冲锤质量、腔体通孔面积和运动行程是次要因素。由图6可知，能量利用率达到最优的工具结构参数组合：节流喷嘴直径为18 mm，运动行程为30 mm，冲锤质量为20 kg，承压面内径为115 mm，腔体通孔面积为600 mm2。与高冲击功下的最优参数组合类似，节流喷嘴直径越小，工具最大能量利用率越高。因此，在实际应用时仍需根据现场工况进行节流喷嘴尺寸的优选。

4 结 论

（1）为提高硬地层机械钻速，将大功率螺杆与轴向冲击钻具相结合，研制了一种冲击螺杆钻具，能够同时为钻头提供大扭矩和高频低幅冲击载荷。

（2）冲锤运动特性分析表明：冲锤运动过程中，进入高压腔的流量增大，流入节流喷嘴的流量减小，喷嘴产生的节流增压效果减弱，冲锤做加速度减小的非线性加速运动。

（3）工具结构参数优化结果表明：节流喷嘴直径和运动行程是影响冲击功的主要因素，而冲锤质量、承压面积和和腔体通孔面积是次要因素；节流喷嘴直径和冲锤承压面积是影响最大能量利用率的主要因素，而运动行程、冲锤质量和腔体通孔面积是次要因素。

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