黄雪琴 胡 贵 孟庆昆 郑晓峰

中国石油勘探开发研究院

摘 要 YDC型液动锤是一种适用于油气钻井的新型阀式双作用液动锤，因其内部压力匹配关系复杂、影响冲击性能的因素多，难以依靠经验和试验的方法找到各种因素的最佳匹配关系。为此，在分析该液动锤工作原理的基础上，对其主要运动部件——阀芯和冲锤进行了受力分析，建立了阀芯和冲锤各个工作阶段的动力学模型 ；基于Matlab软件平台开发了液动锤性能优化设计软件，并将软件计算的性能参数结果与室内试验的结果进行了对比。

结果表明 ：

①单次冲击功、冲击频率和冲击功率，随泵排量的增大或节流嘴直径的减小而增大，随冲锤上下腔面积差的增大而先增大后减小 ；

②单次冲击功和冲击功率随冲锤质量的增大而增大，但冲击频率缓慢下降 ；

③随着冲锤行程的增大，单次冲击功呈增大趋势，而冲击频率则呈下降趋势，冲击功率基本保持不变 ；

④随着阀芯质量的增大，单次冲击功呈增大趋势，但冲击频率和冲击功率均下降 ；

⑤单次冲击功和冲击功率最优时的参数组合是a5b1c5d4e3f2，排量对单次冲击功和冲击功率的影响最大。

结论认为，在现有钻井泵排量和泵压条件下，通过改进液动锤的结构来实现大的做功排量，可有效提高液动锤的冲击性能。

关键词 液动锤 冲锤 阀芯 排量 受力分析 动力学模型软件 冲击性能 影响规律 参数组合

随着油气资源消耗的日益增长，全球油气资源勘探开发从浅层逐步向深层、超深层发展。深部地层岩性复杂，岩石强度高、硬度大、研磨性强、可钻性差，给钻井工程带来极大的挑战。冲击旋转钻井是在传统的旋转钻井技术基础上，将冲击破岩和旋转切削结合起来的一种钻井方法，具有大幅提高硬岩地层钻进速度、防止井斜、延长钻头寿命等优点，是解决硬地层钻进难题的有效方法之一。液动锤是冲击旋转钻井技术的核心工具之一，按照冲锤往复运动的驱动方式可分为正作用式、反作用式及双作用式。双作用式又可分为阀式、射流式和射吸式。前人对适用于油气钻井的液动锤做了大量研究，总体看多选用冲锤上下行均由压差驱动的阀式双作用液动锤，但冲击功率不高，大排量条件下使用寿命短，阀式双作用液动锤总体处于试验研究阶段，尚未推广应用。新型阀式双作用液动锤（以下简称YDC型液动锤）是一种适用于油气钻井用的液动锤，因其内部压力匹配关系复杂，冲击性能的影响因素多，依靠经验和试验的方法难以找到各种因素的最佳匹配关系。因此，建立了YDC型液动锤工作的动力学模型，开发软件程序，通过分析揭示了其运动的内在规律，以期为YDC型液动锤的设计及优化提供理论依据。

1 YDC型液动锤工作原理

YDC型液动锤的结构如图1所示，主要由上接头、过滤器、节流嘴、阀芯、控制管、冲锤等组成。

其工作原理如下 ：

YDC型液动冲击锤开始工作前，阀体和冲锤在各自重力作用下均位于各自行程最下端。从钻井泵泵送来的高压流体经上接头处流出过滤器后，分为3部分流体 ：一部分高压流体经过节流嘴节流后变为低压流体冲洗钻头，第二部分高压流体进入阀芯下腔推动阀芯上行，第三部分高压流体进入冲锤的上腔使冲锤继续保持在其行程最下端。当阀芯上行至一定高度后，阀室与冲锤上腔通道连通，低压流体流入冲锤上腔，此时冲锤上腔压力低于下腔压力，在压力差作用下冲锤开始上行 ；当冲锤上行至一定高度后，阀芯下腔流入低压流体，阀芯在其上下腔压力差作用下开始下行 ；当阀芯继续下行至一定位置时，冲锤上腔流入高压流体，冲锤在其上下腔压力差作用下开始下行 ；当冲锤继续下行至一定位置时，高压流体流入阀芯下腔，阀芯在其上下腔压力差作用下开始上行。这样，一个工作回程与一个工作冲程即为一个工作周期，如此循环周而复始。可以看出，冲锤的工作冲程和工作回程均由液压推动，属于双作用式液动锤。

与现有阀式双作用液动锤相比，YDC型液动锤的结构及制造工艺具有以下特点 ：

1）现有阀式双作用液动锤多设计有分流通孔，钻井液排量大时分流通孔冲蚀严重。YDC型液动锤采用中心排空通道设计，无分流通孔，能够满足油气钻井现场所用的大排量需求，解决了现有液动锤工作排量与钻井现场所用排量不匹配的矛盾。

2）现有阀式双作用液动锤一般有3个运动部件，YDC型液动锤只有阀芯和冲锤两个运动部件，可提高液动锤的工作可靠性。

3）YDC型液动锤仅有六道静密封，无动密封，大大提高了密封可靠性。

4）活塞是运动部件，在含固相钻井液的高速冲刷下，活塞表面易被冲蚀。因此，活塞表面采用高抗磨热处理工艺，耐冲蚀能力得到改善，能够适应油气钻井用钻井液固相含量高的特点。

2 受力分析

2.1 阀芯受力分析

YDC型液动锤阀芯受力示意图如图2所示。

2.1.1 阀芯重力（G_阀）

图1 YDC型液动锤结构示意图

图2 阀芯受力分析示意图

式中m_阀表示阀芯质量，kg；g表示重力加速度，m/s²。