XC—82型液力旋冲钻具及配套钻头的性能测试

摘要　XC—82型液力旋冲钻具及配套钻头是为满足深井硬地层钻井需要而研制的，主要由水击阀、支承座、冲锤、节流阀、砧轴、筒体及配套旋冲钻头组成。对这种钻具进行了冲击力、冲击频率、配套旋冲钻头与牙轮钻头机械钻速对比，以及泵流量、钻具行程和背压等参数对钻具性能的影响等一系列测试。测试结果表明，在主泵流量为100～350L/min条件下，钻具冲击能为11.5～132J，冲击频率为10～18Hz。钻具结构简单，零部件少，加工使用方便，性能稳定、可靠，主要技术性能与国内同类产品相比是比较先进的。

主题词　钻具　钻头　性能　测试

为了满足大庆油田深井硬地层钻井的需要，大庆石油管理局钻井研究所开展了液力旋冲钻具及配套钻头的研制工作。1998年9月，对这种型号为XC—82的液力旋冲钻具及配套钻头模拟样机的主要技术性能进行了测试，取得了可喜的效果。

结构及工作原理

　　XC—82型液力旋冲钻具及配套钻头(图1)，主要由水击阀、支承座、冲锤、节流阀、砧轴、筒体和钻头组成。这种钻具能把钻井液能量转化成对钻头的高频机械冲击能量，巧妙地解决了影响钻井速度的几个因素（比载荷、加载速度、作用时间）与现有钻井条件（钻井设备、钻井工具、钻井工艺）之间的矛盾，从而实现了高效率体积破岩。当钻井液流经液力旋冲钻具及配套钻头的节流阀时，水击阀、冲锤的上下端建立工作压差。水击阀和冲锤先后在工作压差作用下上行。当冲锤上行至与上死点的水击阀阀心接触时，冲锤的升力被截止。与此同时钻井液通道被突然关闭，钻井液速度突然降为零，随之引起惯性水头作用，使压强突然增加，即产生水击压强。在水击压强作用下，水击阀心与冲锤一同迅速下行，在水击阀心下行一定行程时，被支承座限制而与冲锤分开，冲锤因惯性作用继续向下运动，直至冲击砧轴，实现对岩石的冲击。与此同时，钻井液循环已恢复，水击阀心和冲锤在工作压差作用下又先后上行。

图1　XC—82型液力旋冲钻具及配套钻头结构示意图
1—水击阀座；2—筒体；3—水击阀心；4—支承座；
5—冲锤；6—砧轴；7—钻头；8—节流喷嘴；9—动密封件

主要技术参数与技术特点

　　1.主要技术参数

　　公称尺寸：φ82mm;
　　总长：1670mm；
　　最大外径：108mm;
　　最小内径：25mm;
　　有效长度：1620mm;
　　最大工作扭矩：7.75kN^.m。

　　2.技术特点

　　目前，旋转冲击钻井工具及工艺因具有攻克硬地层的特点，已由地质矿产部门推广到石油部门，并且随着油田勘探开发力度的逐渐加大，人们认识水平的逐渐提高，以及材料科学的迅速发展，将在油田广泛应用。由于石油钻井与地矿部门钻井的差异，旋转冲击钻井工具及工艺还有如下不适应石油钻井的问题：①油井深井的温度高，对密封材料要求很苛刻，静密封稍好一些，高频高速动密封寿命短，则是普遍存在的问题；②工具内的零部件较多，不但影响了精度，也降低了可靠性；③旋冲钻具所配钻头一般为牙轮钻头，牙轮钻头在常规钻井时掉牙轮是常见的，旋冲钻井将会增加这些事故的发生；④石油钻井所用循环介质是液体而不是气体，致使用于石油钻井的旋冲钻具的破岩能量较低^{［1～3］。XC—82型液力旋冲钻具及配套钻头的设计力争解决或缓解以上问题。它具有以下几个特点：
　　(1)动密封设计满足耐高温、耐高速、耐高频及低摩阻的要求，从而能够提高使用寿命；
　　(2)整套工具（包括钻头）仅由八大件组成，提高了精度和可靠性；
　　(3)旋冲钻具所配钻头是不同于牙轮钻头和PDC钻头的新型旋冲钻头，具有很高的耐冲击、耐磨损性能，能大大降低落鱼事故的发生；
　　(4)由于工具内各配合面的热处理较好，可确保高精度配合，大大减小了液相和固相的摩阻损失，从而提高了冲锤破岩的冲击能，例如在主泵流量100～350L/min的条件下，冲击能为11.5～132J，与国内外同类型旋冲钻具相比，其冲击能较大，性能优良，与国内外同规格普通风动潜孔锤的工作参数接近。}

冲击力测试

　　1.测试系统及原理

　　液力旋冲钻具测试系统见图2。钻具的冲击力和冲击频率主要由BLR—1/10t型拉压力传感器及GF—1型放大器测得。通过变换接头将BLR—1/10t型拉压力传感器连接在待测液力旋冲钻具与旋冲钻头之间，液力旋冲钻具的固定、动力来源、循环介质均由WT—50型物探车载钻机提供。测试时泵压数据由车载钻机钻井泵上的压力表提供；排量数据由车载流量计提供；时间数据由秒表提供。冲击钻头下放置（或钻进）一块1m×1m×0.5m的花岗岩。测试原理是：冲锤往复运动时，其冲击力作用在BLR—1/10t型拉压力传感器上，并传给GF—1型放大器。冲击力和冲击频率是经过冲击信号监测系统测定的，该系统主要包括高速数据采集卡、微机、处理软件系统和打印机。

图2　性能测试系统示意图
1—泵；2—循环接头2；3—流量计(车)；4—循环接头1；5—水龙带；6—动力头；7—短钻杆；8—旋冲钻具主体；9—旋冲钻具心轴；10—钻柱变换接头1；11—测试仪；12—钻柱变换接头2；13—旋冲钻头

　　2.测试方案及程序

　　(1)冲击力和冲击频率的测试　步骤为：①按图2连接测试系统；②将钻头下放至距岩样10cm处，开泵循环；③10s后将液力旋冲钻头下放至接触岩样,钻机提供20～30kN轴向载荷（即旋冲钻具主体刚好下行至下死点）,排量为2L/s，动力头不转；④测试旋冲钻具的冲击载荷和冲击频率。
　　(2)旋冲钻头与牙轮钻头的机械钻速对比测试　步骤为：①按图2连接测试系统(不接测试仪和钻柱变换接头)；②将液力旋冲钻头下放至距岩样10cm处，开泵循环；③10s后将液力旋冲钻头（或牙轮钻头）下放至接触岩样,钻机提供20～30kN轴向载荷（即旋冲钻具主体刚好下行至下死点）,排量为2L/s，旋转动力头；④测量、记录进尺。
　　3.测试数据及分析
　　旋冲钻具的冲击力、冲击频率的测试数据见表1。液力旋冲钻头与牙轮钻头的机械钻速对比测试数据见表2。将实际测试数据与理论计算数据进行比较，理论计算数据见表3。

表1　旋冲钻具冲击力和冲击频率测试数据

钻头水眼
直径(mm)

排量
(L/s)

泵压
(Mpa)

冲击频率
(Hz)

冲击载荷
(kN)

时间
(s)

10.0

1～2

1.5～2.8

8.0

2.09

120

13.0

1.60

120

13.5

2.37

120

13.2

2.19

60

13.0

1.19

120

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表2　旋冲钻具与牙轮钻头机械钻速对比测试数据

名　　称进　尺
(m)时　间
(min-s)机械钻速
(m/h)泵　压
(Mpa)旋冲钻头0.0253-000.502.5牙轮钻头0.0302-450.652.5

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表3　理论计算数据

排　　量(L/s)　　2.00　　3.00　　4.00峰值压强(Mpa)1.131.692.25冲击频率(Hz)17.9916.1815.88冲击载荷
(kN)无接头31.8037.3843.74有接头4.265.025.87上　抬　力(kN)2.684.015.34钻头水眼直径(mm)10.0010.0010.00

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此次测试所受干扰因素较多，影响测试效果，情况说明如下：
　　(1)量程为10t的BLR—1/10t型拉压力传感器的抗震性能差，因它的失效而性能测试告终。
　　(2)流量计的量程为20L/s，但在小流量范围内精度大大降低，钻井泵的额定流量为5L/s，而流量计却曾显示过100 L/s，足见其精度及稳定性较差；所记录流量仅以动力机的挡位及其油门大小和操作手的经验为依据。
　　(3)花岗岩下面的大地很松，大大降低了冲击力。冲锤以下至大地，共有6对螺纹副，若按每对螺纹副（将花岗岩与其下面的大地接触、冲锤与砧轴的接触及冲击钻头与花岗岩的接触也视为一对螺纹副，则共9对螺纹副）损失率为20%，最后仅剩13%的冲击力。

　　4.测试结论

　　(1)由于干扰因素很多，测得的技术数据与设计技术指标的误差较大。其中，冲击力的测试数据仅达到设计技术指标的44.13%;冲击频率测试数据达到设计技术指标的74.2%。
　　(2)冲锤以下的接头对冲击载荷有很大的削弱作用。
　　(3)液力旋冲钻头与牙轮钻头的机械钻速对比测试表明，在冲锤以下的接头把冲击载荷削弱到很小及岩石下为松土的情况下，液力旋冲钻头的机械钻速是牙轮钻头机械钻速的77%。这说明液力旋冲钻头在常规钻井及松软地层条件下，不能发挥出旋冲钻井的优势。
　　(4)鉴于此次测试的误差较大，有必要改换测试手段和方法。

冲击能测试

　　大庆石油管理局钻井研究所委托长春科技大学冲击回转试验室，对XC—82型液力旋冲模拟钻具进行了性能测试，其目的是了解各相关参数对液力旋冲钻具性能的影响。从1998年12月7日至12日，历时5天，共测得35组数据。通过对测试数据的分析，为该钻具的进一步优化设计提供了依据。

　　1.测试系统及测试原理

　　测试系统见图3。

图3　技术性能测试系统示意图
1—冲击器；2—钢丝绳；3—试验台架；4—测杆；5—触点传感器；6—微机测试系统；7—水箱；8—电动机；9—水泵；10—阀；11—稳压器；12—泵压表；13—流量计；14—背压表

　　液力旋冲钻具的性能参数如冲击频率、冲击能主要由一套触发式传感器及冲击信号监测系统测得，其原理是：在待测液力旋冲钻具冲锤底部连接一测试杆件，冲锤往复运动时带动杆件一起运动，至下死点，测杆分别与触点式传感器的高低两触点接触，构成回路，在两回路中分别触发窄及宽两个脉冲。两脉冲间的时间间隔Δt即为冲锤由高触点运动到低触点的时间，显然冲锤末速度v=S/Δt，其中S为两触点高度差。Δt是经过冲击信号监测系统测定的，该系统主要包括高速数据采集卡、PC286微机、处理软件系统和打印机。液力旋冲钻具工作时主泵压力和背压可由测试系统上相应高精度压力表读出。

　　2.测试结果与分析

　　(1)泵流量对液力旋冲钻具性能参数的影响　测试时，通过调节管路系统中的三通阀门和变化柴油机挡位，来调节液力旋冲钻具的输入流量。具体测试结果见表4。

表4　泵流量对性能参数影响测试数据

流量
(L/min)主泵压力
(kPa)背压
(kPa)冲击功
(J)频率
(Hz)981274.861078.73　　7.00　　8.401501961.331471.0034.6011.502032402.631863.2665.8915.033002942.001765.2095.4016.673673628.461961.33132.9417.76

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注：冲锤质量23kg，冲锤行程20mm。

　　由测试数据可知，泵流量是影响液力旋冲钻具单次冲击功、冲击频率的主要因素。基本趋势是随泵流量的增加冲击功和冲击频率也增加。
　　(2)行程对液力旋冲钻具性能的影响　 通过调节水击阀上的垫圈，可调节液力旋冲钻具的行程。本次共进行了5组行程的测试，具体测试结果见表5。

表5　行程对性能参数影响测试数据

冲锤行程
(mm)主泵压力
(kPa)背压
(kPa)流量
(L/min)冲击功
(J)频率
(Hz)112549.731569.0630219.4417.80172255.531372.9329825.2016.12203138.132353.6029038.9314.45242255.531569.0631626.9213.00272353.601569.0630021.6512.47

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注：冲锤质量23kg。

　　由测试结果可得出，液力旋冲钻具在20mm行程、5mm自由行程时，比较匹配，阀门关闭彻底，冲击功最大。
　　(3)背压对液力旋冲钻具性能的影响　 背压由安装在回水管路系统中的阀门调节，压力值由压力表读出，测试数据见表6。

表6　背压对性能参数影响测试数据

背　压
(kPa)主泵压力
(kPa)冲击功
(J)频　率
(Hz)　　784.531765.20　　11.50　　15.131176.801961.308.0015.921569.062157.465.9617.80

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注：冲锤质量23kg，冲锤行程21mm。

　　由测试数据可看出，随着背压的增高，液力旋冲钻具的冲击功呈下降趋势，而冲击频率呈增高趋势，这主要是由于背压增高，冲锤下行时水垫阻力增加，特别是在自由行程阶段，对冲锤的影响较大。

　　3.测试结论

　　(1)这种液力旋冲钻具结构简单，零部件少，加工及使用方便。
　　(2)钻具启动灵活，工作性能稳定、可靠。
　　(3)钻具在主泵流量100～350L/min的条件下，冲击能为11.5～132J；冲击频率10～18Hz，与国内外同类型旋冲钻具相比，其冲击能较大，性能优良，与国内外同规格普通风动潜孔锤工作参数相近，经生产测试后可广泛应用。