井下冲击器固定套流道性能优化分析

乔东宇，张 昕，王 新，刘 顽，杨 强

（1.西部钻探工程技术研究院，新疆 乌鲁木齐830011；2.西部钻探工程技术处，新疆 乌鲁木齐830011；3.西部钻探青海钻井公司，青海 海西蒙古族藏族自治州817000；4.西南石油大学，四川 成都610500）

1 引言

提高深部地层的钻速是钻井工程中急需解决的一个关键问题，目前的井下冲击工具设计仍存在井下寿命短、冲击振动的参数不匹配等问题[1]。国内外学者针对该问题也进行了系统研究，祝效华等[2]分析了旋冲钻井的技术特点，介绍了液动轴向冲击器的工作机理；杨顺辉等[3]提出在液动射流式冲击器的活塞杆与缸体之间增设储能机构，增大了冲程的冲击功；王清岩[4]提出了冲击器工作机理，描述了冲击器工作过程，预测了使用性能等方面的相关结论。

本文研究的凸轮式轴向冲击器由螺杆输出轴、冲击传动轴和钻头接头等组成，凸轮轨道体上端面均布3个连续的凸轮面；3个滚轮在凸轮轨道上滚动，形成轴向往复冲击，其中固定套可以将上芯轴上的冲击力传递到下芯轴，上芯轴底部布置有花键，可以将扭矩传递到下芯轴。凸轮式轴向冲击器模型如图1所示。

图1 凸轮式轴向冲击器模型

2 旋冲工具固定套流道仿真分析

本结构中花键和凸轮机构均浸泡在密闭的润滑油腔体内，因此固定套和下芯轴之间的空腔内存在高压润滑油，当固定套向下产生冲击时，会挤压该空腔内的润滑油，因此固定套和上芯轴外壁开槽会极大地影响该工具的轴向冲击力。本文基于流体分析软件，对该问题进行探讨。

2.1 旋冲工具固定套流道模型

本文针对现场旋冲工具固定套的结构尺寸，设计了密封式和沟槽式两种结构，几何模型如图2所示。可以看出上芯轴的外壁上均开有油槽，但固定套上有所区别，开有油槽的固定套向下冲击时，腔体内的润滑油可以迅速上返，对冲击能量吸收较少。

图2 旋冲工具固定套结构的几何模型

2.2 旋冲工具固定套流道结构的流场分析

润滑油的密度为870 kg/m3，动力粘度为0.002 Pa·s。本文分析流速分别为0.1 m/s和1 m/s，分别分析低流速和高流速下的流道压降和下端面的作用力。流速为0.1 m/s时的压力分布如图3所示。当流速为0.1 m/s时，密封式固定套流道的最大总压为5.267e3 Pa，沟槽式固定套流道的最大总压为3.91e3 Pa。流速为1 m/s时的压力分布如图4所示，可以看出密封式固定套流道的最大总压为4.53e5 Pa，沟槽式固定套流道的最大总压为3.834e5 Pa。

分析结果表明，最大总压位于入口边界处，密封式固定套流道的最大总压低于沟槽式固定套流道的最大总压。因此，可以断定密封式固定套流道在冲击腔内产生较高的液压阻尼作用，冲击力较小；而沟槽式固定套流道在冲击腔内产生较低的液压阻尼作用，允许更快的下行冲击动作，冲击力相对更高。

图3 流速为0.1 m/s时壁面的压力分布

根据流体计算结果，得到了流速为0.1 m/s和1 m/s时固定套流体域入口面和下端面的作用力大小，如表1所示，结果表明，当流速一定时，密封式固定套流道入口面和下端面的作用力大于沟槽式固定套流道的作用力。因此，进一步验证了密封式固定套较沟槽式固定套产生更大的阻尼作用。

3 结束语

凸轮式轴向冲击器的固定套外侧开槽结构流场分析结果表明：当流速为0.1 m/s时，密封式和沟槽式固定套流道的最大总压分别为5.267e3 Pa和3.91e3 Pa；流速为1 m/s时的压力分布，密封式和沟槽式固定套流道的最大总压分别为4.53e5 Pa和3.834e5 Pa。因此，沟槽式固定套流道的冲击力相对更大，密封式固定套下端面的作用力远远大于沟槽式固定套下端面的作用力。

图4 流速为1 m/s时壁面的压力分布

表1 入口面和下端面的作用力