NPJ-1型高效破岩脉冲射流轴向冲击器研制

李　玮，纪照生，王琪琪，赵增伟，刘婉莹（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318）

·开发应用·

NPJ-1型高效破岩脉冲射流轴向冲击器研制

李玮，纪照生，王琪琪，赵增伟，刘婉莹
（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318）①

冲击器是提高深井机械钻速的主要井下工具。针对冲击器核心部件易损坏，寿命短，提速效果不明显等问题，设计了NPJ-1型高效脉冲射流轴向冲击器。该工具通过水力调节机构使钻头在旋转的同时产生纵向振动，可显著改善钻头与井底附近岩石的受力状况，有效提高机械钻速。通过数值模拟分析，室内强度试验、原理试验，该脉冲射流轴向冲击器工作原理正确，结构简单、可靠，明显提高了钻井速度，且使用寿命长。

高效破岩；脉冲射流轴向冲击器；强度校核；原理试验

破岩技术是油气钻井技术的核心内容，也是钻井工程基础理论研究的重点［1］。在深井、超深井中，高效破岩技术更显重要，破岩效率的好坏直接决定着钻井速度和成本，更决定着钻井工程的经济效益［2］。目前，各类冲击器是提高深井机械钻速的主要井下动力工具［3］。其中的液力冲击器以其不需要额外补充能量，仅利用钻井液的压力即可进行工作而受到了业界科研人员的重视。在国外，泛美石油公司，Perth钻探设备公司，美国Smith Tool公司，德国克劳斯塔尔工业大学等研制出了自己特有的液力冲击器。在国内，近几年也研制出了多种型号的液动冲击器，例如YZX-127型高冲击功液动冲击器，XC型液动冲击器，YSC-178型液动射流式冲击器，SYZJ液动冲击器［4-10］。笔者调研发现，这些冲击器在野外试验及生产中虽然一定程度上提高了钻井效率，但是出现了核心部件较易损坏，寿命短等问题。因此，笔者研发了一种新的脉冲射流轴向冲击器——NPJ-1型高效脉冲射流轴向冲击器（以下简称脉冲射流轴向冲击器）。

1　结构及工作原理

脉冲射流轴向冲击器是针对目前其他冲击器使用寿命不能满足石油钻井生产实际需求而研制的一种新型液动冲击器，其结构如图1所示。

图1　脉冲射流轴向冲击器结构

脉冲射流轴向冲击器的叶轮在高压大排量钻井液的作用下持续不断地转动，带动下部的密封块，交替封堵下部周期性导流平板上的通孔，使钻井液产生压力波动。该压力波动经收缩装置收拢聚能后作用于下部的传动短接进而作用于钻头，使钻头在旋转的同时产生纵向振动。

由旋转冲击钻井的实践可知，冲击器在旋转的同时具有振动效应，不仅能够显著改善井底附近岩石的受力状况，提高破岩效率，进而提高钻井速度，而且能够改善钻头的受力，延长钻头使用时间，缩短建井周期。由于水力脉冲直接作用而使钻头产生机械振动，没有旋转冲击钻井技术中普遍采用的冲击锤等中间机构，减少了能量损耗。另外，工具的结构也得到了简化，提高了系统的可靠性和安全性。该技术能够简单有效调节振幅、频率，可显著降低对钻头等配套工具的要求，有效降低制造和使用成本。

2　强度校核

利用三维建模软件Solid Works对脉冲射流轴向冲击器进行了建模和参数化设计后，又利用该软件的Simulation插件对其进行了相关分析，以确保其可靠性。

模拟井下实际工况：井深5000m、地温梯度3．2℃／100m、地表温度20℃、钻井液密度1．0g／cm3。确定模拟实际工作载荷为：钻压80kN、转矩2500N·m、内压16MPa、外压15MPa。选用材料为AISI1045钢，其属性如表1。

对装配体进行有限元网格划分。由于建立的模型比较复杂，单元类型选择实体网格划分；同时为了提高仿真分析的精度，选择高品质的网格；并且打开网格化自动过渡功能，其目的是产生自适用网格，在容易产生较大应力的部位形成较大的网格密度，而其余部位产生相对较小网格密度（如图2）。这样不仅可有效提高仿真分析精度，也可以控制计算规模，节约仿真分析时间。

表1　材料属性

图2　网格划分

对算例进行运算，得到应力、位移、应变、安全系数，如图3～4。

图3　应力

从有限元算例分析结果可知，范式应力和对等应变的分布较均匀，不存在应力集中或应变集中区域。位移变化最大的位置在壳体上部。为了防止生产事故的发生，对其进行优化设计。默认失败准则为最大Von Mises应力，从Von Mises应力分析图上可以看出，最大应力为184．2 MPa，远小于屈服强度530 MPa，安全系数达到2．88，不发生应力破坏。从位移分析图来看，最大位移为0．033 059mm，位移变形较小。

图4　合位移

3　室内试验

3．1 强度试验

加工了全尺寸试验样件，利用东北石油大学油气钻井技术国家工程试验室液压机对其强度进行了测试，如图5。强度校核试验中，在样件上加载荷2 500 k N，并稳定10min，样件没有明显变形，说明其强度可靠，满足现场使用要求。

图5　工具室内强度试验

3．2 功能试验

依托东北石油大学油气钻井技术国家工程试验室的多功能液相高压循环系统对冲击器进行了室内原理试验，如图6。开泵，待水流稳定后，可清晰的听到脉冲液体冲击传动短接声响，用手接触工具样件，可明显感受到纵向振动作用，说明了工具原理可行。

图6　工具室内原理试验

4　结论

1） 设计了一种高效脉冲射流轴向冲击器。

2） 结构强度的数值模拟分析及室内试验表明，脉冲射流轴向冲击器工作原理正确，结构可靠。

3） NPJ1型冲击器结构简单，无易损薄弱部件，可显著提高使用寿命。冲击器频率、振幅可调，不仅破岩效率高，而且配套性强，成本低，提速效果好，易于在现场大面积推广应用。

4） 加工全尺寸工具，进行现场试验，进一步验证设计的合理性及有效性，并为后续的结构设计优化提供更可靠、更准确的资料，是脉冲射流轴向冲击器研究下一步要做的工作和重点。

［1］ 闫铁，杜婕妤，李玮，等．高效破岩前沿钻井技术综述［J］．石油矿场机械，2012，41（1）：50-55．

［2］ 张熊栋．高压水射流破岩技术的特点［J］．国外金属矿采矿，1980（11）：12-25．

［3］ 刘华洁，高文金，涂辉，等．一种能有效提高机械钻速的水力振荡器［J］．石油机械，2013（7）：46-48．

［4］Marx V C，Gloth H，Zhao Guangzhuo．Entwicklung eines leistungsstarken hydraulischen bohrhammers ［C］／／FELSBAU 17 NR．4，S，1999：296-301．

［5］ 菅志军，殷琨，蒋荣庆，等．油气勘探钻井用液动射流式冲击器的研究与应用［J］．世界地质，1998（4）：89-93．

［6］ 谢文卫，苏长寿，宋爱志．新型高冲击功液动潜孔锤的研究［J］．探矿工程（岩土钻掘工程），1998（6）：33-34．

［7］ 刘玉民，韩玉安，孙艳龙，等．XC-82型液力旋冲钻具及配套钻头的性能测试［J］．石油机械，1999（5）：20-23．

［8］ 王克雄．冲击旋转钻井技术在石油钻井中的应用研究［J］．石油钻采工艺，1999（5）：5-9．

［9］ 文平，陈波，雷巨鹏，等．液动冲击旋转钻井技术在玉门青西油田的应用［J］．天然气工业，2004（9）：64-67．

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Development of Efficient Pulse Jet Axial Impactor

LI Wei，JI Zhaosheng，WANG Qiqi，ZHAO Zengwei，LIUWanying
（College of Petroleum Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）

Rock breaking technology is the core technology for oil and gas drilling and the focus of drilling engineering basic research．At present，all kinds of deep shock aremain downhole tools of improving ROP．For the problems of current shocks that core components is easily damaged，lifeis short，speed is not obvious，we designed a new type of pulsed axial impactor．The pulsed axial im-pactor allows longitudinal vibration while rotating through certain hydraulic adjustmentmecha-nism can significantly improve the situation of drill bit and downhole nearby rocks and improve drilling speed．By numerical analysis tool strength check，interior strength test and principle ex-periment，the pulse jet axial impact device works properly，have reliable structure，and achieve the aim of a simple structure，no wearing parts were found，meeting the basic requirements for extend-ed service life．

efficient rock breaking；axial pulse jet impactor；strength check；mechanism experiment

1001－3482（2015）08－0053－03

TE921．203

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．012

①2015－01－28

中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目“钻井新技术新方法研究”二级子课题：高研磨地层破岩新

技术研究（2014A-4211）；东北石油大学培育基金项目：高频低幅冲击钻井破岩理论研究（PY120121）

李 玮（1979-），男，黑龙江大庆人，教授，博士生导师，主要从事高效钻井破岩、水力压裂、钻井优化等方面的理论与技术研究工作，Email：cyyping＠sina．com。