0 引言

随着连续管相关技术的不断发展，其应用也越来越广泛，涉及到石油行业上游各个领域。在国内，连续管钻井也已经开始应用，并开展了相关研究^[1-2]。在连续管钻井过程中，由于连续管自身的特性，一旦轴向加压后极易发生屈曲失稳，进而导致在水平段内的摩擦自锁，降低轴向力传递效率，严重影响作业进度和效率^[3-6]。为了解决连续管的延伸能力问题，连续管震击工具被广泛使用，但由于震击工具结构复杂，研制难度较大，目前基本被国外少数公司所垄断，且国内的震击工具大多数只有轴向的震击^[7-9]。为此，笔者设计了一种连续管震击工具，除了能够产生轴向震击之外，还能施加周向的旋转，从而显著消减钻头在钻进过程中的“黏滑”效应，在一定程度上解决了连续管钻井过程中的加压和托压问题，并且能提高机械钻速，延长钻头寿命。

1 技术分析 1.1 工具结构

连续管钻井震击工具结构如图 1所示，主要包括梭子总成、冲击获能机构及冲击转换分配机构等三大部分。

1.1.1 梭子总成

梭子总成主要由梭子挂、射吸喷嘴、节流喷嘴、阀体、阀基梭子架和阀组成。梭子总成的作用是截取钻井液能量并转换为梭子的快速往复运动。梭子挂和梭子架用于支撑和固定梭子总成。梭子总成通过梭子挂和梭子架由上接头固定在外筒内，保证工具在大斜度井及水平井的正常工作，同时当梭子部件出现异常断裂时，能够保证启冲喷嘴的阀口保持在开启状态，以使起钻过程中钻柱内的钻井液能正常流入井筒。节流喷嘴用于截取钻井液能量，从而为梭子的往复运动提供动力，通过改变节流喷嘴的大小以获得不同的节流状态，可以据此调整梭子往复运动的频率。射吸喷嘴用来使阀基和阀体上腔形成射吸作用。

1.1.2 冲击获能机构

冲击获能机构主要由冲击砧、启冲喷嘴及压缩弹簧组成，其与梭子总成一起获得轴向的冲击能量。冲击砧是水击冲击发生的主要部位，在此处获取主要的冲击能量。启冲喷嘴和压缩弹簧的作用：一是保证水击与冲击砧的充分作用；二是在钻头加钻压(这种情况较少发生)和遇阻状态下，保证工具的正常启动和工作。

1.1.3 冲击转换分配机构

冲击转换分配机构由旋冲套、圆柱销、离合器套、单向轴承及下接头构成，其作用是对轴向的冲击能量进行轴向和周向分配。旋冲套与外筒连接，下接头与冲击砧连接，从而保证该部分与整体工具的连接。圆柱销、离合器套及单向轴承在工具下部组成一个离合装置，其作用是下冲击过程中将轴向冲击能量部分转换为周向旋转能量，并使工具下端在冲击结束后不随工具内部一起产生复位旋转。

1.2 工作原理 1.2.1 轴向震击过程

连续管钻井时，通过提高泵排量，使钻井液流经连续管及井下工具后进入震击工具液流通道，这时阀口开启，由于节流喷嘴作用所形成的节流压差增大，部分钻井液通过射吸喷嘴流经梭子总成。钻井液流经射吸喷嘴形成射流和卷吸，在阀体和阀基上腔形成卷吸负压，并作用在阀体和阀基上共同带动阀上行。当阀基到达上死点后，阀体带动阀继续上行，直至阀口关闭(见图 2)，此时在梭子内腔形成憋压，在憋压作用下，阀基的下行速度大于阀体和阀一起下行的速度，使整体下行中阀口处于关闭状态。当阀基下行至下死点后，阀基停止下行，阀体带动阀继续下行，当梭子下行到阀下部的球面将启冲喷嘴的阀口关闭时，工具内流动的钻井液被瞬间截断，形成水击，所产生的正水击和负水击同时作用在冲击砧上，从而获得向下的轴向冲击能量(见图 3)。水击压力作用在启冲喷嘴上，使启冲阀口迅速开启，工具流体恢复流动，梭子上行，如图 4所示。随着梭子的往复运动，水击以一定的频率发生，工具便获得稳定的脉冲冲击能量。

1.2.2 周向旋转过程

当水击发生时，下接头与冲击砧一起获得轴向冲击能量，并一起带动离合器套产生向下的运动趋势。同时，旋冲套与外筒一起在水击发生时产生向上的运动趋势。旋冲套上有大螺距螺旋滑槽与装配在离合器套上的圆柱销相配合，当以上两种相对运动发生时，圆柱销在旋冲套的螺旋滑槽内带动离合器套旋转，并通过单向轴承带动下接头一起产生周向旋转，如图 5所示。此时，在形成轴向向下的冲击力的同时，也产生强大的周向扭矩冲击。当梭子上行，工具内流动恢复时，前述相对运动复位，由于单向轴承运动对力的单向传递作用，离合器套复位时，下接头保持在冲击发生后的位置，如图 6所示。随着梭子的动作及水击按一定频率发生，下接头在获得旋冲能量的同时，还能产生与冲击频率一致的间歇性旋转。

需要指出的是，钻头遇阻时因受重力作用，启冲喷嘴的阀口处于关闭状态，当工具内流体作用在启冲喷嘴上的力大于压缩弹簧的预紧力时，启冲喷嘴下行，启冲阀口开启，工具内流体恢复正常流动，此时梭子开始工作使得工具正常工作。钻头处于悬吊状态时，由于重力作用，梭子阀口处于开启状态，当排量达到一定值时，梭子开始工作，但由于冲击砧上启冲喷嘴和阀口处于常开位，所以工具不形成冲击。

1.3 主要技术参数

工具外径73.0 mm ()，压降2.4~5.2 MPa，泵入液体流量4~10 L/s，冲击频率17.3~24.8 Hz，冲击自转转速3~11 r/min，额定工作温度200 ℃。

1.4 主要部件分析

冲击砧所在位置是轴向水击发生的主要部位，在此处产生的正负水击是震击工具冲击能量的主要来源，因此冲击砧的承载能力非常重要。同时水击通过冲击砧内部与阀体的接触而产生，所以冲击砧本身在反复震击过程中不能发生过多形变，以免水击效果受到影响。而圆柱销是承受轴向冲击力并转换为扭向力的关键部件，负责连接离合器套与旋冲套，轴向冲击向下传递时，通过圆柱销在螺旋槽内的移动将轴向力转换为旋转动作，在这个过程中圆柱销承受了极大的冲击力。因此，应用工程软件来模拟冲击砧和圆柱销在震击过程中的载荷情况，对其进行强度校核，为震击工具的设计改进及现场应用提供一定的依据。两种部件均采用35CrMo材料，其抗拉强度为985 MPa，屈服强度为835 MPa，泊松比为0.3，弹性模量为206 GPa。

根据冲击砧和圆柱销的结构绘出部件三维图，运用四面体网格单元对其进行网格划分，如图 7和图 8所示。按照冲击砧和圆柱销在冲击过程中的受力方式对模型施加约束和载荷，以最大承受35 kN的力作用在冲击砧上端和圆柱销侧向受力端。强度校核的结果如图 9~图 12所示。

从图 9和图 10可以看出，冲击砧发生变形最大的部位在与流体和弹簧接触的3个部位，最大变形量为0.004 mm，变形量符合要求，同时最大应力出现在冲击砧顶部，为138 MPa，安全系数为7。由图 11和图 12可以看出，圆柱销发生变形最大的部位位于圆柱销的中部，最大变形量为0.003 mm，变形量在公差允许范围内，而最大应力则出现在与旋冲套和离合器套接触的两端，其值为176.6 MPa，安全系数为5.5。由此可看出，冲击砧和圆柱销作为承受冲击力的关键部件，其强度设计合理。

2 地面试验

2018年7月对连续管钻井震击工具进行了地面试验，主要针对工具的工作机理、震击频率和密封强度进行了相关测试和试验。主要试验装备有连续管井下工具试验台架、液压泵、液体循环装置以及压力测试器等。选用ø73 mm震击工具作为试验对象，首先将工具通过上接头固定在试验台架上，下接头通过可旋转的连接器与液体循环装置连接，使其可自由旋转且不影响液体循环装置工作。随后在循环装置底部安装压力测试器，通过压力的规律性变化测得工具的工作频率。最后开启液压泵，从4 L/s开始测试，逐渐提高泵压，并记录相关数据。试验数据如表 1所示。

当流体流量为5.5 L/s时，工具动作，此时工具压降为2 MPa。随着泵排量的提升，工具的震击频率不断提升，同时冲击提供的转速也随之加快。可根据现场工作需求，通过调节泵入排量来调节工具的震击频率，从而达到符合要求的工作状态。试验过程中，连续管震击工具在长时间的高频震击下工作正常，无流体外泄，且各项参数正常。

3 结论

(1) 针对连续管钻井过程中存在的摩阻较大、延伸困难等问题，设计了一种连续管震击工具，该工具不仅能在轴向产生震击，同时还可以产生周向旋转。运用工程软件对工具进行了有限元分析，结果表明工具结构合理，设计强度符合要求。

(2) 地面试验结果表明，工具能产生17 Hz以上的轴向震动，若继续提高排量，可获得更大频率，而且还能在强大的轴向冲击扭矩作用下，实现3~11 r/min的转速。工具经过长时间的反复震击，没有出现泄漏，工作正常，证明其设计合理，技术性能可靠。