电动冲击回转钻具的研究详解.docx

机械工程学科技前沿研一期末作业班 级：硕2013级10班专 业： 机械工程 姓 名： 王xx学 号：电动冲击回转钻具的研究王xx（西南石油大学，四川成都610500）摘要：近年来,我国钻探工作量大部分是在硬岩和较复杂地层中进行的,需要大量采用冲击─回转或回转─冲击钻进技术。冲击回转钻进是一种高效、优质的钻探工艺，冲击器的好坏直接决定着冲击回转钻进的效果。在分析传统液动、风动冲击器使用过程中存在的不足的基础上，介绍了一种新型电动冲击器的设计思路、结构、工作原理及其技术优点。该新型电动冲击器用可充电电池组供电。通过开、关地表钻井泵来调节冲击 器的冲击频率和中击功。室内试验研究表明，该电动冲击器设计方案科学合理，技术优点显著，应用前景广泛 。 关键词：冲击回转钻进；电动冲击器；工作原理；可充电电池组1引言1.1 研制新型电动冲击回转钻具的目的和意义为弥补传统液动和气动冲击器的不足，特引进了直线电动机、可充电动力电池技术，研制出结构简单、调试方便的新型电动冲击钻具，并应用于冲击─回转或回转─冲击钻进。由于电动冲击钻具的冲击功和冲击频率可以单独调整，互不影响；同时，电动冲击钻具的动力源来自于动力电池，摒弃了对泵 (空压机)排量和压力的依赖，从而不会影响正常钻进对循环介质参数的要求，对于复杂地层的钻进更显意义重大。1.2应用前景冲击回转钻进的实质是在回转钻进的基础上叠加一个周期性的冲击载荷，以冲击载荷和回转切削联合作用破碎岩石的一种方法。理论分析和实践表明，冲击 回转钻进具有钻进效率高、钻头寿命长、钻具磨损小、防止井斜和减少井下事故 等一系列优点，是现代钻探的先进技术之一，广泛应用于石油、天然气及固体矿 床勘探等领域。提供周期性冲击功的关键设备是冲击器。目前，冲击器主要有两种：一种是 液动冲击器，另一种是风动冲击器。国内对这两种冲击器进行了大量研究，取得了显著成果，但传统液动和风动冲击器在使用过程中仍存在一些不理想的地方，主要表现在以下几个方面 ：1)对钻井循环介质要求高，适合于低固相或无固相的循环介质，实际钻进过程中很难满足，岩屑总会混入循环介质中，而这将大大降低冲击器的使用寿命 ； 2)冲击器工作性能参数的调节比较复杂，现场不易操作，维护和保养的成本高 ；3)由于重力的影响，在大斜度井及水平井中使用受到一定的限制 ；4)需要的液体量或风量大，这不仅需要大设备，还可能会对井壁的稳定性 带来一定的负面影响。2新型电动冲击钻具的设计2.1设计思路近年来，直线电机和动力电池技术发展迅速，广泛应用于国民经济的众多领域。针对传统冲击器使用过程中的不足，电动冲击钻具的设计思路是：把直线电机当作冲击器，利用可充电的高容量电池组为直线电机供电，通过控制模块调 节直线电机的运行速度从而达到调节冲击器的冲击功和冲击频率的目的。由于直 线电机和动力电池都完全密封在内管中，因此直线电机对冲洗介质没有特定的要求，且通过传感触发元件能够较容易地调节冲击器，对井斜角也无要求。2.2新型电动冲击钻具的结构与工作原理新型电动冲击钻具主要由上接头、电池组、传感触发元件、控制模块、外管、内筒、直线电机、冲锤、铁砧和岩心管接头等部件组成，如图1所示 。新型电动冲击回转钻具按如下方式工作：电池组为控制模块和直线电机供电，直线电机的动子(中心杆)通过球铰带动冲锤冲击铁砧，铁砧与外管之间通过内外六方套连接，并且铁砧与外管之间允许有定的轴向位移，这样冲锤的冲击能量可 以尽可能地传递至岩心管接头上，再通过岩心管传递在钻头上，提高碎岩效率。1．上接头；2．电池组；3．传感触发元件；4．控制模块 ；5．外管；6．过水间隙；7．直线电机；8．内管；9．球铰；1O．冲锤；11．铁砧；12．岩心管接头图1新型电动冲击回转钻具结构不同硬度的岩石需要叠加不同的冲击功和冲击频率才能达到理想的钻进效果，可以在地表轻易调节新型电动冲击回转钻具的冲击频率和冲击功，甚至遇到较软的岩层，使电动冲击钻具停止工作，进行纯回转切削钻进。电动冲击器的启动、停止和调频主要是通过短时间内不同次数地开关地表 钻井泵来实现的。其控制机理是利用短时间开泵、关钻井泵产生的水击效应，借助钻井液将压 力脉冲传至井底，井底压力传感触发元件感知钻井液压力的变化，控制模块接收压力脉冲信号并进行解码，解码后按预先编好的指令控制直线电机的运行速度，从而达到调频的目的，也即对冲击器的冲击频率和冲击功进行调节。 图2为压力脉冲信号编码与时序。从图2可以看出，除了开机、关机外，还 有00、01、10和11等4种调频状态，其中O0代表冲击频率和冲击功最低的状态，11代表冲击频率和冲击功最高的状态，01和10状态的冲击功和冲击频率介 于OO和11二者之间。图2压力脉冲信号编码与时序电池组，一个回次结束后换下电池组进行充电，同时把另