旋转冲击钻井技术(简称旋冲钻井)提高了钻头牙齿的吃入深度，形成大体积的岩屑剪切和破碎，是现有条件下提高深井、超深井钻速的有效途径之一^[1-2]。研究表明，旋冲钻井工具的冲击载荷、冲击频率等参数是影响钻头破岩效率的关键^[3]。根据地层岩石软硬程度，钻井时通常选择冲击器的冲击功为150~350 J，冲击力为10～40 kN^[4-6]，冲击频率为20~40 Hz^[7]。随着旋冲钻井技术的推广应用，国内旋冲钻井工具的不足也日益显现，自激震荡式、射吸式旋冲钻井工具的冲击频率受钻井液流量波动影响明显,规律性较差^[8-9]；阀式、射流式旋冲钻井工具的水力元件易被超高速射流冲蚀，影响了该类工具的井下寿命^[10]；上述冲击器加工成型后无法再对冲击载荷的大小进行调整，跟现场复杂工况的匹配还有一定差距。为此，笔者摒弃了易被冲蚀的射流元件，利用螺杆马达作为动力源，将弹性蓄能元件与凸轮机构相结合，研制了一种弹性蓄能激发式旋冲钻井工具，基于冲击动力学理论建立了其冲击载荷计算模型，并对工具样机进行多工况性能测试。

螺杆为常见的井下动力钻具，螺杆转子转速通过钻井液流量调控，具有性能稳定、井下寿命长的特点^[11]；凸轮机构用来改变运动方向，还可以利用碰撞产生冲击载荷^[12]。笔者将二者结合，并利用弹性元件的蓄能作用，设计研制了弹性蓄能激发式旋冲钻井工具。

弹性蓄能激发式旋冲钻井工具主要分为3个部分：上部为高转速短螺杆，中间部分为传动和扶正部件，下部为冲击振套(见图 1)。冲击振套为该工具的核心部件，由弹性元件、冲锤和砧体构成。冲锤上端压紧弹性元件，下端为周期分布齿形凸起结构。砧体上部也为齿形结构，与冲锤齿形相配合，中部通过六方结构卡在传扭壳内。弹性元件选用碟簧或矩形弹簧并密封在润滑油内，避免了腐蚀与疲劳破坏。冲锤与砧体的齿形凸起内部镶嵌硬质合金块，提高了冲击面的强度与寿命^[13]。

图1 弹性蓄能激发式旋冲工具结构 Fig.1 Structure of the innovative rotary impact drilling tool with an elastic element accumulator 1.上接头；2.防掉；3.短螺杆；4.万向轴外筒；5.万向轴；6.水帽；7.密封件；8.轴承串；9.传动轴；10.弹性元件；11.主轴；12.冲锤；13.砧体；14.传扭壳；15.下接头

图选项

钻井时，该旋冲钻井工具靠近钻头，钻压和扭矩通过外壳体、砧体和下接头传递到钻头。高压钻井液驱动螺杆转子高速旋转，螺杆转子通过万向轴、传动轴带动冲锤旋转，冲锤的齿形凸起不断与砧体的凸起交错、啮合。二者交错时，冲锤沿砧体齿面爬升，迫使弹性元件压缩并蓄能；冲锤到达顶端后在弹性元件推动下加速下落，最终冲锤高速撞击砧体产生冲击载荷。碰撞结束之后，螺杆转子带动冲锤继续旋转运动，冲锤与砧体间歇性碰撞产生冲击载荷，提高钻头破岩速率。该工具利用机械碰撞的方式产生冲击，冲击载荷峰值高；利用螺杆作为井下动力，其寿命长且参数稳定。

冲击振套的齿形凸起线型设计采用修正梯形曲线，适用于高速轻载情况，具有载荷平稳、振动较小的特点。冲锤沿砧体齿面上升时，原本已经蓄能的弹性元件进一步被压缩；冲锤下落过程中，弹性元件和重力对其加速，冲锤加速下落过程满足：

式中：m为冲锤的质量，kg；s为冲锤位移，m；t为时间，s；g为重力加速度，m/s²；K_T为弹性元件刚度，N/m；L_y为弹性元件形变量，m。

L_y随冲锤下落而减小：

式中：L₁为弹性元件预压缩量，m。

求解得到冲锤下落过程的位移函数s(t)和速度函数v(t)：

其中

式中：υ为冲锤下落速度，m/s。

冲锤下落行程为齿形凸起高度，可求得冲锤下落最大速度：

式中：H为冲锤齿形凸起高度，m；v_max为冲锤下落最大速度，m/s。

冲锤与砧体碰撞过程将冲锤动能转化为砧体上的应力波，在此瞬间弹性元件压缩量基本不变，忽略其对冲击碰撞过程的影响。在冲击振套碰撞发生瞬间，齿形凸起的多点接触、部分变形等因素在中间承担了缓冲作用，使冲击载荷先逐渐增大后逐渐消退，而非矩形应力波形态。这相当于在冲锤与砧体之间安放一个对位移非常敏感的弹簧(见图 2)，弹簧刚度与冲锤的材料性能、齿形凸起线型和接触面粗糙度等因素有关^[14]。冲击载荷以应力波的形式从砧体齿形传递到下接头、钻头，最终作用于钻头切屑齿破岩。

图2 工具冲击过程力学模型 Fig.2 The mechanical model for impact process of the tool

图选项

对冲锤、砧体结构进行简化，应用动力学理论建立该工具冲击过程的力学模型：

式中：F为冲击载荷，N；v_c为冲锤冲击过程速度，m/s；v_z为砧体冲击过程速度，m/s；K_c为齿面变形系数，N/m；l为齿面变形量，m；m_z为砧体波阻，kg/s。

整合上述方程组，得到二阶微分方程：

冲击过程初始条件即为冲锤最大速度v_max，求解得到冲击载荷函数F(t)：

其中

弹性蓄能激发式旋冲钻井工具m²_z数量级远大于mK_c，适用工况Ⅲ。冲击载荷由冲击齿面向下传播，传扭壳与下接头之间的间隙保证冲击能量全部传递到钻头。对冲击载荷函数F(t)进一步分析，得到该旋冲工具的冲击力作用时间与载荷峰值：

式中：t₀为冲击作用时间，s；F_max为冲击载荷峰值，N。

该工具冲击频率为螺杆转速与冲锤齿数的乘积，冲锤齿数改变通过更换冲击套件实现，螺杆的转速特性由定转子头数和线型决定，随钻井液排量增大而增大。设计冲锤的6个齿形凸起完全相同，螺杆额定排量25~32 L/s，转速区间为255~364 r/min，该工具额定冲击频率为25~37 Hz。

式中：f为冲击频率，Hz；n为螺杆转速，r/min；N为冲击套件齿数；η为螺杆效率系数；Q为钻井液流量，L/s；q为螺杆每转排量，L/r。

上述计算模型揭示该旋冲工具冲击特性的主要影响参数包括：冲锤质量m、弹性元件压缩量L₁与刚度K_T、齿面变形系数K_c。根据该工具设计及实际加工情况，确定各参数的合理变化范围，并将各参数带入上述力学模型利用单一变量法进行计算，分析各参数对冲击载荷和冲击作用时间的影响规律。

保持L₁=0.5 m，K_T=90 kN/m，K_c=3.5 μN/m不变，增大冲锤质量，冲击载荷峰值基本不变，波动在3%以内(见图 3)。综合考虑冲锤质量对冲击过程的影响，增大冲锤质量虽然减小了冲锤末速度，但冲锤惯性增大提高了齿面碰撞效果，最终冲锤质量改变并未显著提高冲击载荷峰值。由图 3可以看出，增大冲锤质量可以延长冲击作用时间和钻头牙齿吃入地层时间，增大岩石破碎体积^[15]。

图3 冲锤质量对冲击载荷的影响 Fig.3 The influence of the hammer weight on impact load

图选项

分析式(11)可以看出，冲击作用时间并不是冲锤末速度的函数，弹性蓄能量增加不会影响单次冲击的作用时间。将弹性元件压缩量代入式(5)计算冲锤的冲击末速度，再将该速度代入式(12)求得冲击装置的冲击载荷峰值，计算结果见图 4。由图 4可以看出，随着弹性元件压缩量的增加，冲击载荷峰值呈幂函数形式增加。

图4 弹性元件压缩量对冲击载荷峰值的影响 Fig.4 The influence of the elastic component on the peak of impact load

图选项

该旋冲钻井工具冲击载荷可调范围大，更换大刚度弹性元件或增加压缩量都可以提高冲锤的末速度，最终达到增大冲击载荷峰值的目的，调整方式操作简单、效果明显。大载荷冲击推荐使用碟簧，小载荷冲击可使用矩形弹簧，对软硬地层均有良好的适应性。

齿面变形系数K_c对冲击载荷峰值和冲击作用时间都有显著影响，增大齿面变形系数K_c,可以提高冲击载荷峰值、缩短冲击作用时间(见图 5)。试验研究表明，齿面变形系数是齿形凸起的自身属性，齿形凸起高度和线型确定之后，齿面变形系数K_c基本保持不变。更换冲击振套、改变齿形凸起线型可以调整旋冲钻井工具冲击载荷波形，使其适应不同钻井工况。

图5 齿面变形系数对冲击载荷的影响 Fig.5 The influence of the teeth deformation coefficient on impact load

图选项

为了获取旋冲钻井工具性能参数、检测冲击部件寿命，对旋冲钻井工具进行了地面测试和参数测量。将弹性蓄能激发式旋冲工具样机固定在基座上，在其尾部安装NOS-F306测力传感器，利用高速力值数据采集系统记录其冲击载荷，设置采样频率20 kHz。用F-1600钻井泵驱动该旋冲钻井工具运转，多次改变矩形弹簧压缩量和钻井泵排量，对旋冲钻井工具整体性能进行测试。

多次调整矩形弹簧压缩量，测试单次冲击过程的载荷，载荷波形呈渐长渐消态势，峰值停留时间较长(见图 6)。由图 6可见，冲击载荷的计算值与实测波形有较高相似度，冲击载荷较为接近于正弦曲线，实测数据有碎齿状噪声影响；增大弹性元件压缩量，可以提高冲击载荷峰值；单次冲击的作用时间为4.1~4.4 ms，增加弹性蓄能并未显著影响冲击作用时间。总体来说，计算模型的冲击波形、作用时间与实测值基本吻合，为工具调整和改进提供了理论依据。

图6 单次冲击过程的冲击载荷计算值与实测值对比 Fig.6 Comparison of calculated and measured result of impact load in the single impact process

图选项

该工具在连续冲击工况下，冲击载荷的时间间隔相同，这是由螺杆转速的硬特性决定的；冲击载荷峰值波动在10%以内，冲击过程具有明显的周期性和重复性(见图 7)，这是因为冲击套件6个齿形凸起结构完全相同，冲锤每次下落、碰撞过程基本相同的缘故。对比2种工况可以看出，改变钻井泵排量可以调整该旋冲工具的冲击频率，通过地面调节就能改变工具的井下工作参数，提高了工具在不同钻井工况下的适应能力。

图7 连续冲击工况下冲击载荷实测值 Fig.7 Test result of impact load in the continuous impact process

图选项

该旋冲工具采用机械碰撞的方式产生冲击载荷，冲击力大，工作性能稳定。改变矩形弹簧压缩量可以调整冲击载荷峰值，改变钻井泵排量可以调整冲击频率，调整方式简便高效，对现场复杂工况具有较强的适应性。该工具综合性能测试结果见表 1。

由表 1可以看出，该工具冲击载荷峰值为18.73~42.56 kN，为常规钻井钻压的0.2~0.4倍，工具的额定排量为25~32 L/s，冲击频率为25.7~37.2 Hz，整机压耗1.1~1.2 MPa。齿形凸起镶嵌硬质合金块可以有效提高冲击面的强度与寿命，长时间运行未发生卷边、磨蚀现象。该工具冲击载荷与冲击频率在常规旋冲钻井最优取值范围内，具有良好的破岩提速潜力。

1) 弹性蓄能激发式旋冲钻井工具将弹性蓄能元件与凸轮机构相结合，利用螺杆带动齿形冲击振套产生冲击载荷，长期运转性能稳定，具有良好的破岩提速潜力。

2) 弹性蓄能激发式旋冲钻井工具的冲击参数计算结果表明：冲击作用时间随冲锤质量增加而增长,冲击载荷峰值受弹性元件预紧力的影响,冲击频率为螺杆转速与冲锤齿数的乘积。计算模型测试结果与实测数据吻合度较高，利用该模型可以准确地调整和优化旋冲工具的冲击特性。

3) 工具样机测试试验表明，改变钻井泵排量可以调节冲击频率，改变弹性元件压缩量及刚度可以调整工具冲击载荷；但工具的井下寿命还难以确定，需要通过实际钻井试验进一步研究。