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、節流閥、砧軸、筒體及配套旋沖鉆頭組成。對這種鉆具進行了沖擊力、沖擊頻率、配套旋沖鉆頭與牙輪鉆頭機械鉆速對比，以及泵流量、鉆具行程和背壓等參數對鉆具性能的影響等一系列測試。測試結果表明，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。鉆具結構簡單，零部件少，加工使用方便，性能穩定、可靠，主要技術性能與國內同類產品相比是比較先進的。

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的主要技術性能進行了測試，取得了可喜的效果。

結構及工作原理

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、節流閥、砧軸、筒體和鉆頭組成。這種鉆具能把鉆井液能量轉化成對鉆頭的高頻機械沖擊能量，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）與現有鉆井條件（鉆井設備、鉆井工具、鉆井工藝）之間的矛盾，從而實現了高效率體積破巖。當鉆井液流經液力旋沖鉆具及配套鉆頭的節流閥時，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。當沖錘上行至與上死點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閉，鉆井液速度突然降為零，隨之引起慣性水頭作用，使壓強突然增加，即產生水擊壓強。在水擊壓強作用下，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向下運動，直至沖擊砧軸，實現對巖石的沖擊。與此同時，鉆井液循環已恢復，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構示意圖
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—節流噴嘴；9—動密封件

主要技術參數與技術特點

1.主要技術參數

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

2.技術特點

目前，旋轉沖擊鉆井工具及工藝因具有攻克硬地層的特點，已由地質礦產部門推廣到石油部門，并且隨著油田勘探開發力度的逐漸加大，人們認識水平的逐漸提高，以及材料科學的迅速發展，將在油田廣泛應用。由于石油鉆井與地礦部門鉆井的差異，旋轉沖擊鉆井工具及工藝還有如下不適應石油鉆井的問題：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，牙輪鉆頭在常規鉆井時掉牙輪是常見的，旋沖鉆井將會增加這些事故的發生；④石油鉆井所用循環介質是液體而不是氣體，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計力爭解決或緩解以上問題。它具有以下幾個特點：

(1)動密封設計滿足耐高溫、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生；

(4)由于工具內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，與國內外同類型旋沖鉆具相比，其沖擊能較大，性能優良，與國內外同規格普通風動潛孔錘的工作參數接近。

沖擊力測試

1.測試系統及原理

液力旋沖鉆具測試系統見圖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、循環介質均由WT—50型物探車載鉆機提供。測試時泵壓數據由車載鉆機鉆井泵上的壓力表提供；排量數據由車載流量計提供；時間數據由秒表提供。沖擊鉆頭下放置（或鉆進）一塊1m×1m×0.5m的花崗巖。測試原理是：沖錘往復運動時，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過沖擊信號監測系統測定的，該系統主要包括高速數據采集卡、微機、處理軟件系統和打印機。

1—泵；2—循環接頭2；3—流量計(車)；4—循環接頭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；②將鉆頭下放至距巖樣10cm處，開泵循環；③10s后將液力旋沖鉆頭下放至接觸巖樣,鉆機提供20～30kN軸向載荷（即旋沖鉆具主體剛好下行至下死點）,排量為2L/s，動力頭不轉；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械鉆速對比測試步驟為：①按圖2連接測試系統(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；③10s后將液力旋沖鉆頭（或牙輪鉆頭）下放至接觸巖樣,鉆機提供20～30kN軸向載荷（即旋沖鉆具主體剛好下行至下死點）,排量為2L/s，旋轉動力頭；④測量、記錄進尺。

3.測試數據及分析

旋沖鉆具的沖擊力、沖擊頻率的測試數據見表1。液力旋沖鉆頭與牙輪鉆頭的機械鉆速對比測試數據見表2。將實際測試數據與理論計算數據進行比較，理論計算數據見表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)流量計的量程為20L/s，但在小流量范圍內精度大大降低，鉆井泵的額定流量為5L/s，而流量計卻曾顯示過100 L/s，足見其精度及穩定性較差；所記錄流量僅以動力機的擋位及其油門大小和操作手的經驗為依據。
(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.測試結論

(1)由于干擾因素很多，測得的技術數據與設計技術指標的誤差較大。其中，沖擊力的測試數據僅達到設計技術指標的44.13%;沖擊頻率測試數據達到設計技術指標的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，液力旋沖鉆頭的機械鉆速是牙輪鉆頭機械鉆速的77%。這說明液力旋沖鉆頭在常規鉆井及松軟地層條件下，不能發揮出旋沖鉆井的優勢。
(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沖擊回轉試驗室，對XC—82型液力旋沖模擬鉆具進行了性能測試，其目的是了解各相關參數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組數據。通過對測試數據的分析，為該鉆具的進一步優化設計提供了依據。

1.測試系統及測試原理

測試系統見圖3。

圖3技術性能測試系統示意圖
1—沖擊器；2—鋼絲繩；3—試驗臺架；4—測桿；5—觸點傳感器；6—微機測試系統；7—水箱；8—電動機；9—水泵；10—閥；11—穩壓器；12—泵壓表；13—流量計；14—背壓表

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

2.測試結果與分析

(1)泵流量對液力旋沖鉆具性能參數的影響測試時，通過調節管路系統中的三通閥門和變化柴油機擋位，來調節液力旋沖鉆具的輸入流量。具體測試結果見表4。
 

由測試數據可知，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 通過調節水擊閥上的墊圈，可調節液力旋沖鉆具的行程。本次共進行了5組行程的測試，具體測試結果見表5。

由測試結果可得出，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中的閥門調節，壓力值由壓力表讀出，測試數據見表6。

由測試數據可看出，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.測試結論

(1)這種液力旋沖鉆具結構簡單，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，與國內外同類型旋沖鉆具相比，其沖擊能較大，性能優良，與國內外同規格普通風動潛孔錘工作參數相近，經生產測試后可廣泛應用。
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