螺杆式旋冲工具凸轮机构性能测试装置设计及试验研究

甘 心，梁应红，李伟廷，耿 燕

中石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院

0 引言

随着油气勘探区域不断扩大，钻井过程中遇到研磨性强、可钻性差的复杂地层越来越多[1]。而随着井深的增加，岩石抗压强度会有所增大、可钻性变差，现有常规螺杆钻具配合PDC钻头的复合钻井技术，已经不能满足复杂地层提速提效的需求[2-5]，丰富和提升现有螺杆钻具的功能已经成为国内外研究人员的广泛共识。

在这背景下，螺杆式旋冲工具应运而生，比较有代表性的有：NOV(国民油井公司)的旋冲工具[6]、中石化石油工程院的旋冲钻井工具[7]和中石化胜利钻井院的振动冲击工具[8]等。这些螺杆式旋冲工具普遍在常规螺杆钻具结构基础上，引入了凸轮机构，实现了在保持常规螺杆大扭矩高转速特点的同时，增加轴向冲击功能，提高了破岩能量，并且通过现场应用取得了一定的效果。但对工具凸轮机构性能变化规律及影响因素分析方面缺乏有效的室内测试装置和试验方法，常常导致工具与钻头类型及地层岩性不匹配。为此，笔者设计了针对螺杆式旋冲工具凸轮机构性能参数测试用的试验装置，并开展了冲击力、冲击频率和损耗扭矩等性能参数的试验研究，以获取各参数的变化规律及影响因素，为螺杆式旋冲工具的性能参数计算及凸轮机构类型优选提供理论依据。

1 测试装置设计

1.1 结构组成

螺杆式旋冲工具凸轮机构性能测试装置结构如图1所示，整个装置由底座、调速电机、万向轴、扭矩传感器、支撑架、主轴、调节丝杠、推力板、调节板、弹簧、凸轮机构、卡板、冲击力传感器、端板和螺栓等零部件组成。其中凸轮机构又分为双凸轮机构和滚轮—凸轮机构两种类型，双凸轮机构主要由上凸轮和下凸轮组成(如图2所示)，滚轮—凸轮机构则主要由滚轮座、滚轮、凸轮组成(如图3所示)。

1.底座;2.调速电机;3.万向轴;4.扭矩传感器;5.支撑架;6.主轴;7.调节丝杠;8.推力板;9.调节板;10.弹簧;11.凸轮机构;12.卡板;13.冲击力传感器;14.端板。

图2 双凸轮机构示意图

图3 滚轮—凸轮机构示意图

1.2 工作原理及参数设计

螺杆式旋冲工具凸轮机构性能测试装置的工作原理为：调速电机输出转速和扭矩，经万向轴带动主轴和上凸轮(或者滚轮座和滚轮)旋转，而下凸轮则穿过卡板六方孔并与固定在端板上的冲击力传感器连接，保证冲击力传感器可以实时监测并记录冲击力大小及变化情况，而相邻两个冲击力峰值间的时间差经过换算即为冲击频率。凸轮机构左右两部分由于存在转速差从而产生周期性抬升和冲击作用，而在抬升过程中需要损耗调速电机的输出扭矩，通过连接在万向轴和主轴之间的扭矩传感器可以对其进行实时监测并记录。此外，连接在推力板上的调节丝杠可以调整调节板的位置，从而改变弹簧压缩量来施加轴向静压力，静压力大小通过冲击力传感器进行监测。

调速电机的转速分别为30 r/min、60 r/min、90 r/min和120 r/min，弹簧产生的轴向静压力为0～200 kg，螺旋面个数分别为4个、6个和8个，冲程高度为3～12 mm。

2 冲击力分析

2.1 冲击力与冲程高度的关系

冲击力与冲程高度的关系如图4所示，从图4中可知：不同静压力作用下，冲击力随着冲程高度的增大而增大，并且增大幅度各不相同。其中，静压力为20 kg时的增大幅度最小，静压力为80 kg时次之，而静压力为160 kg时的增大幅度最大，可见冲程高度和静压力是凸轮机构冲击力的两个主要影响因素。

图4 冲击力与冲程高度的变化关系曲线

为了进一步分析冲程高度与静压力对冲击力的内在关系，需要对不同冲程高度条件下的冲击力与静压力关系开展进一步分析。

2.2 冲击力与静压力的关系

冲程高度为6 mm时，冲击力与静压力的关系如图5所示，采用线性回归分析得出的冲击力与静压力关系可知：转速为30 r/min时，冲击力约为静压力的1.504 1倍；转速为60 r/min时，冲击力约为静压力的1.509 7倍；在转速为90 r/min时，冲击力约为静压力的1.466 4倍；转速为120 r/min时，冲击力约为静压力的1.455 8倍。综合分析以上冲击力与静压力的关系，得出在冲程高度6 mm时，冲击力F与静压力p的关系为：

图5 冲程高度6 mm时，冲击力与静压力的变化关系曲线

F=(1.45～1.50)p

(1)

接下来依次分析了冲程高度分别为3 mm、5 mm、8 mm、10 mm和12 mm时的冲击力与静压力关系，得出了不同冲程高度下冲击力与静压力的关系式：

F=λ·p

(2)

式中：F—冲击力,kg；p—静压力,kg；λ—影响因子。

影响因子具体取值范围见表1所示，随着冲程高度的增加，影响因子也会随之增大。

表1 不同冲程高度下影响因子取值范围

3 冲击频率分析

3.1 冲击频率与转速的关系

在螺旋面个数为4个条件下，冲击力波形随转速的变化曲线如图6所示，从图6中可知1 s时间内，转速为30 r/min时，产生2次冲击，转速为60 r/min时，产生4次冲击，而转速为90 r/min时，则产生了6次冲击，从而表明冲击频率随着转速的增大而呈线性增大关系。

图6 不同转速下冲击力波形曲线

3.2 冲击频率与螺旋面个数的关系

在转速为30 r/min条件下，冲击力波形随螺旋面个数的变化曲线见图7，从图7中可知1 s时间内，4个螺旋面产生2次冲击，6个螺旋面产生3次冲击，而8个螺旋面则产生4次冲击，从而表明冲击频率随着螺旋面个数的增大而呈线性增大关系。

图7 不同螺旋面个数下冲击力波形曲线

综合冲击频率分别与转速和螺旋面个数的变化关系，推导出了冲击频率的计算式：

(3)

式中：F频—冲击频率，Hz；n—转速,r/min；N—螺旋面个数。

4 损耗扭矩分析

4.1 损耗扭矩与静压力及冲程高度的关系

损耗扭矩与静压力及冲程高度的关系如图8所示，从图8中可知：损耗扭矩随着静压力的增大而增大，并且增加幅度在不同冲程高度下各不相同。其中，冲程高度为3 mm时的增大幅度最小，冲程高度为8 mm时次之，而冲程高度为12 mm时的增大幅度最大，从而也说明随着冲程高度的增大，损耗扭矩也会随之增大。

图8 损耗扭矩与静压力及冲程高度的变化关系

4.2 损耗扭矩与螺旋面个数的关系

损耗扭矩与凸轮机构螺旋面个数的关系如图9所示，从图9中可知：在相同静压力作用下，损耗扭矩会随着螺旋面个数的增加而增大，并且静压力越大，增大幅度越显著。

图9 损耗扭矩与螺旋面个数的变化关系

4.3 不同凸轮机构类型的损耗扭矩对比

在冲程高度和螺旋面个数相同条件下，双凸轮机构与滚轮—凸轮机构的损耗扭矩情况如图10所示，通过对比可知：滚轮—凸轮机构与双凸轮机构相比，损耗扭矩明显减小，并且随着静压力的增大，二者之间的差异越显著。

图10 双凸轮机构与滚轮—凸轮机构的损耗扭矩对比

综合以上损耗扭矩的分析，发现：静压力、螺旋面个数和冲程高度均为损耗扭矩的主要影响因素，并且在同等条件作用下滚轮—凸轮机构损耗扭矩明显小于双凸轮机构。

5 结论

自主研发的螺杆式旋冲工具凸轮机构性能测试装置，通过测试发现：

(1)冲程高度和静压力是影响冲击力大小的主要因素，冲程高度和静压力越大，产生的冲击力也越大。

(2)转速和凸轮螺旋面个数是影响冲击频率大小的主要因素，转速越高、螺旋面个数越多，产生的冲击频率越大。

(3)冲程高度、静压力、凸轮螺旋面个数、凸轮机构类型是影响损耗扭矩的主要因素，冲程高度和静压力越大、螺旋面个数越多，产生的损耗扭矩越大；在同等加载作用下，滚轮—凸轮机构产生的损耗扭矩明显小于双凸轮机构。