液动旋冲工具及涡轮钻具的优化设计_郑瑞强.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-11-04 基金项目 国家科技重大专项项目 “大型油气田及煤层气开发” ， 课题2 深井超深井高效快速钻井技术及装备 ， 课题编号2016ZX05020-002。 第一作者简介 郑瑞强1983-， 男 （汉族） ， 河北饶阳人， 高级工程师， 现从事钻完井工具的研发工作。 液动旋冲工具及涡轮钻具的优化设计 郑瑞强*， 赵毅， 王伟， 侯圣， 李博， 柳长鹏 大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院， 黑龙江 大庆 163413 摘要 大庆液动旋冲工具和涡轮钻具在现场应用过程中出现寿命低、 稳定性差的问题。通过设计 十字键插接结构、 镶嵌硬质合金， 摩擦副表面应用高温火焰喷涂技术， 提高了液动旋冲工具的耐冲蚀 及耐磨损性能； 通过四牙坎止推轴承设计， 涡轮材质及结构设计， 提高了涡轮钻具轴承的强度及涡轮 寿命。经现场验证设计合理， 为两种钻井提速工具的大规模应用提供了技术保障。 关键词 液动旋冲工具； 涡轮钻具； 优化设计 中图分类号 TE921 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202010-0031-04 近年来， 大庆油田针对深部地层研磨性强 （硬度 2000～5000MPa） 、 可钻性差 （可钻性级值8～10.38级） 、 机械钻速低等特点研发了液动旋冲工具和涡轮钻具[1-8]， 但 在应用过程中发现两种钻井提速工具仍存在寿命低、 稳定 性不高等问题， 为此开展了相应研究， 旨在通过对原有液 动旋冲工具和涡轮钻具的结构、 材质进行优化设计， 提高 工具的耐冲蚀及耐磨损的性能， 最终形成寿命高、 性能稳 定的钻井提速工具产品， 以适应油田大规模应用的要求。 1液动旋冲工具优化 1.1中心总成的优化设计 液动旋冲工具由动力系统和冲击系统组成。工作 时， 钻井液驱动动力系统运转， 利用中心总成输出旋转 动力。中心总成输出端为销轴铰接形式， 优点是同轴 度高， 缺点是结构复杂， 抗扭能力低， 现场使用120h发 现销轴损坏现象， 如图1所示。 针对此问题将原销轴铰接结构改进设计成十字键 插接结构。该结构兼具自扶正与传扭功能， 结构简单， 抗剪切面积由597.3mm2增至1797.4mm2， 抗扭能力增 加2倍， 不仅装配简单， 而且磨损后也能保证扭矩平稳 输出， 平均有效使用寿命达200h以上， 如图2所示。 1.2供液管优化设计 液动旋冲工具中心总成的旋转输出动力直接作用于 供液管， 使其高速旋转。同时， 由增压机构使供液管内的 钻井液压力升高， 产生的高压液体通过旋转的供液管窗 口进入冲击系统。在这个过程中， 供液管窗口受高压液 体冲蚀后损坏严重， 外表面在冲蚀和摩擦的共同作用下 加速损坏， 现场使用100h后的冲蚀效果如图3所示。 图1销轴铰接结构 （工作120.00h后， 销轴断裂失效） 图2十字键插接结构 （工作243.35h仍运转平稳） 石油与钻掘工程 31 2020年第10期西部探矿工程 针对此问题对供液管进行优化设计 在窗口处设 计采用WC基硬质合金镶嵌的强化技术， 如图4所示， 硬质合金具有较强的抗冲蚀能力， 其中WC基硬质合 金的抗冲蚀能力高于TiC基硬质合金； 同时， 在摩擦副 表面采用高温火焰喷涂技术， 喷涂设备如图5所示。高 温火焰喷涂可改变表面晶格结构， 增加硬度的同时增 强耐磨性。优化设计后， 通过150h的现场试验， 供液管 高压窗口及摩擦副表面未出现损坏， 因此保证了工具 的整体使用寿命， 如图6所示。 图3供液管改进使用效果 图4硬质合金镶嵌技术 图5高温火焰喷涂技术 图6旋转供液管改进后使用效果 2涡轮钻具优化 2.1PDC止推轴承优化设计 涡轮钻具由涡轮节和支撑节组成。其支撑节的核心 部分是PDC止推轴承组， PDC止推轴承起轴向支撑， 传 递旋转扭矩的作用。涡轮钻具在长时间 （高于200h） 高转 速 （800～1300r/min） 工作环境下， 对PDC止推轴承的工 作寿命要求较高。PDC止推轴承座在工作中表现出了 抗挤压变形能力差， 轴承系统稳定性低的问题， 见图7。 针对此问题对PDC止推轴承进行优化设计， 将原 有双牙嵌结构改进设计为四牙嵌结构， 如图8所示。同 时， 严格控制材料热处理硬度要求HB300以上， 硬度增 加， 抗挤压能力增强， 加上挤压面积增加2倍， 使止推轴 承环的强度及止推轴承系统的稳定性提高了2倍以上。 图7双牙坎止推轴承使用后牙坎变形 图8四牙坎止推轴承 2.2涡轮优化设计 涡轮是涡轮钻具涡轮节的核心部件， 在钻井液驱 动下旋转， 输出旋转扭矩。在现场应用中涡轮表现为 寿命低， 制动扭矩小， 工作100h后冲蚀严重， 功率下降 50以上等问题。 针对此问题对涡轮进行优化设计 将材质45优化 设 计 为 ZG34（ 屈 服 极 限 1238MPa，拉 伸 极 限 1686MPa， 利用有限元法对ZG34材质的涡轮定转子 进行强度校核， 安全系数1.9， 分析云图如图9所示。表 明优化设计后的涡轮强度满足要求。同时该材质也提 高了涡轮定转子的抗冲蚀能力。 32 2020年第10期西部探矿工程 优化叶片叶形。应用Concept NREC Axial模块进 行涡轮定转子的一维设计， 优化涡轮定转子叶片流动 参数及几何参数， 涡轮通流图和平均直径上的速度三 角形如图10、 图11所示。 图10涡轮级通流图 图11平均直径速度三角形 应用Concept NREC Axcent模块涡轮定转子叶片 全三元流动分析。分析过程中采用结构化网格进行流 场模拟及叶型优化， 网格总数为80万， 如图12所示， 经 过多次验证此网格数目对单级涡轮计算而言满足工程 精度， 涡轮优化设计结果如表1所示。 通过优化设计， 使涡轮的制动扭矩由1.7kNm增 至2.2kNm， 提高30， 实现了涡轮钻具动力性能和整 机效率的最优化。 图12流场网格模型 表1涡轮优化设计参数结果 序号 1 2 3 6 7 8 9 10 名称 功率NCT 总压降 按滞止参数的有效效率 转速 入口滞止压力 入口滞止温度 流量 绝对出口角 参数 1.521kW 82.55kPa 0.756 1000r/min 8000kPa 373K 39kg/s 9.8 3结论 （1） 通过对液动旋冲工具中心总成输出端传扭机 构及供液管的结构进行优化设计， 以及利用硬质合金 镶嵌、 高温火焰喷涂等技术手段， 提高了液动旋冲工具 的使用寿命和稳定性。 （2） 通过优化设计涡轮钻具PDC止推轴承结构， 改变涡轮定转子材质， 利用有限元法优化设计涡轮定 图9涡轮定转子有限元云图 33 2020年第10期西部探矿工程 转子结构参数， 提高了PDC止推轴承及涡轮定转子的 使用寿命及稳定性。 （3） 通过优化设计， 使液动旋冲工具及涡轮钻具具 备了大规模推广应用的能力， 为钻井提速类工具的优 化设计提供了参考依据。 参考文献 [1]郑瑞强.液动旋冲工具的研制[J].石油机械，2017，45130-33. 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The erosion resistance and wear resistance of hydrau- lic rotary punching tools are improved by designing cross key in- sertion structure, inlaying cemented carbide and applying high tem- perature flame spraying technology on the surface of friction pairs; Through the design of thrust bearing, turbine material and struc- ture, the strength and turbine life of turbodrill bearing are im- proved. Through field verification, the design is reasonable, which provides technical support for the large- scale application of the two drilling speed increasing tools. Key words hydraulic rotary punching tool；turbodrill；optimiza- tion design （上接第28页） 件下保证施工质量和安全； ②承担施工的单位要有专 门的施工组织设计， 该组织设计同样要报相关部门审 查批复才可实施； ③准确理解设计意图， 施工发现问题 及时和设计沟通， 确保工程安全可靠。 参考文献 [1]杨魁，等.泥石流滑坡的稳定性评价与灾害治理[J].探矿工程， 2009173-75. [2]刘子振， 等.泥石流地质灾害治理工程勘察的实践[J].岩土工 程技术，2007422-26. [3]李德强.地质灾害危险性评估在福建某高速公路工程中的 应用[J].福建建材，2018710-11. [4]刘慧，吴继红.地质灾害危险性评估在某工程建设中的应用 [J].上海地质，2001434-37. （上接第30页） 时进行引流注浆， 同时封闭， 防止因水量过大造成无法 封闭的情况出现。在加固处理28d后对该桩孔再次进 行抽芯， 芯样明显完整有胶结， 且无地下水涌出。经复 验收， 该桩判定为Ⅱ类桩， 说明本次处理已经成功， 工 程可以继续进行。 5结论 （1） 对于人工挖孔桩， 设计与施工时均应充分理解 工程资料及工程所处环境， 若处于承压裂隙水区域， 须 引起充分重视， 施工过程中要做好降排水措施， 保证桩 的质量。 （2） 对于承压裂隙水的处理， 除了直接封堵， 还可 以借鉴煤炭地质工程中引流注浆的方法， 通过前期的 引流为后续的加固提供有利的施工条件， 后期的封孔 压力注浆能够有效地提高止水的效果及封孔的可靠 性。 参考文献 [1]钟文深，陈刚，邵泉，等.广州新电视塔挖孔桩岩层承压裂隙水 处理[J].施工技术，2009，38318-20. [2]任胜文.井下高压突水钻孔引流注浆封孔方法研究[J].煤炭 科学技术，2019，476213-218. 34