隨著全球能源需求的持續(xù)攀升，油氣資源開采逐漸向深層、超深井領(lǐng)域延伸。然而，深層地層多為復雜硬巖結(jié)構(gòu)，不僅大幅降低鉆井效率，還易引發(fā)卡鉆、粘滑、回旋及鉆頭跳動等問題，嚴重制約開采進程。同時，檢測技術(shù)的進步發(fā)現(xiàn)了高頻扭轉(zhuǎn)振動現(xiàn)象，對鉆柱穩(wěn)定性和鉆井效率提出了更高要求。傳統(tǒng)沖擊鉆井工具多依賴機械碰撞實現(xiàn)振動，沖擊頻率普遍低于 20Hz，難以滿足深層硬巖鉆井的高效需求。在此背景下，基于亥姆霍茲噴嘴結(jié)構(gòu)自激振蕩原理的高頻軸扭復合沖擊鉆具應(yīng)運而生，為解決深層鉆井難題提供了新方案。
高頻軸扭復合沖擊鉆具內(nèi)部結(jié)構(gòu)
鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理
高頻軸扭復合沖擊鉆具的核心設(shè)計思路是利用亥姆霍茲噴嘴的自激振蕩，實現(xiàn)高頻軸向與扭轉(zhuǎn)沖擊的復合輸出，其結(jié)構(gòu)主要由上部接頭、脈沖噴嘴、扭轉(zhuǎn)沖擊結(jié)構(gòu)和下部接頭組成，整體長度僅 650 毫米，既能降低制造成本，又能最大限度減少對鉆柱系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，適配 9 英寸和 9.5 英寸鉆頭（對應(yīng)孔徑 228.6-241.3 毫米）。
其工作流程清晰且高效：當鉆井液進入脈沖噴嘴結(jié)構(gòu)的腔體時，會觸發(fā)自激振蕩效應(yīng)，產(chǎn)生主頻大于 200Hz 的高頻軸向沖擊載荷；隨后，振蕩射流進入扭沖腔，沖擊腔體內(nèi)徑向壁面，轉(zhuǎn)化為高頻扭轉(zhuǎn)沖擊載荷；最終，這兩種復合沖擊載荷通過下部接頭傳遞至鉆頭，同時實現(xiàn)軸向和扭轉(zhuǎn)方向的高頻沖擊，有效緩解粘滑現(xiàn)象，顯著提升鉆井速度。
分析理論與模擬方法
為精準分析鉆具的沖擊性能，研究采用計算流體動力學（CFD）方法，結(jié)合大渦模擬技術(shù)研究鉆具內(nèi)部流動模式與沖擊振動特性。由于脈沖噴嘴內(nèi)部存在劇烈渦流，傳統(tǒng)模擬方法難以精準捕捉流場細節(jié)，而大渦模擬能更準確地模擬噴嘴結(jié)構(gòu)的自激振蕩過程，為后續(xù)分析提供可靠理論支撐。
分析理論模型以介觀模型和格子玻爾茲曼方法為基礎(chǔ)，將雷諾平均 Navier-Stokes 方程作為控制方程，通過概率分布函數(shù)（f）描述流體粒子的相互作用，確保質(zhì)量、動量與能量守恒。在模擬湍流時，晶格玻爾茲曼模型通過調(diào)整無因次松弛時間（τ）實現(xiàn)對不同粘度流體的模擬，與傳統(tǒng)網(wǎng)格模型形成互補。同時，采用自適應(yīng)壁面的局部渦流粘度模型，引入隨時空變化的湍流渦流粘度（vt），模擬未解析的亞網(wǎng)格湍流，進一步提升流場模擬的準確性。
關(guān)鍵參數(shù)數(shù)值分析。為確定鉆具的最優(yōu)性能參數(shù)，研究團隊針對入口流量、脈沖噴嘴出口直徑（d2）、腔體長度（L）、螺旋面高度（h）四個關(guān)鍵參數(shù)，開展了系統(tǒng)的數(shù)值模擬分析，探究各參數(shù)對鉆具沖擊載荷、頻率及壓差的影響規(guī)律。
入口流量的影響。入口流量直接決定鉆具的沖擊性能。在 d2=24mm、L=110mm、h=70mm 的固定參數(shù)下，分別設(shè)置 20L/s、30L/s、40L/s 三種入口流量進行模擬。結(jié)果顯示，當流體進入脈沖噴嘴后，軸向沖擊載荷（Fx）先快速上升后劇烈波動，0.2 秒后趨于穩(wěn)定并呈現(xiàn)規(guī)律波動。隨著入口流量增加，平均 Fx 從 6979N 增至 31736N，沖擊主頻從 365Hz 提升至 526Hz，單側(cè)振幅也從 190N 增至 766N；扭轉(zhuǎn)沖擊載荷（Mx）的變化趨勢類似，平均 Mx 從 33N?m 增至 266N?m，主頻從 247Hz 提升至 376Hz。但需注意，入口流量增大同時導致壓差顯著上升（從 1.66MPa 增至 8.4MPa），增加了能量損耗，需通過結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化平衡性能與能耗。
脈沖噴嘴出口直徑（d2）的影響。在入口流量 30kg/s、L=110mm、h=70mm 的條件下，調(diào)整 d2 為 24mm、26mm、28mm、30mm 進行分析。結(jié)果表明，d2 對沖擊主頻影響較?。ㄝS向約 410Hz、扭轉(zhuǎn)約 280Hz），但對沖擊振幅和壓差影響顯著。當 d2 為 26mm 時，平均 Fx 達 13000N、平均 Mx 達 135N?m，F(xiàn)x 單側(cè)振幅 1480N、Mx 單側(cè)振幅 19.2N?m，沖擊性能最優(yōu)；且隨著 d2 增大，壓差明顯降低，有效減少能量損耗。過大或過小的 d2 均不利于振幅提升，過小的 d2 還會導致壓力驟增，加劇能耗浪費。
腔體長度（L）的影響。固定入口流量 30kg/s、d2=26mm，將 L 設(shè)為 90mm、110mm、130mm 進行模擬。數(shù)據(jù)顯示，L 對軸向沖擊主頻影響顯著，隨著 L 從 90mm 增至 130mm，軸向沖擊主頻從 495Hz 降至 348Hz；而扭轉(zhuǎn)沖擊主頻基本穩(wěn)定在 270Hz 左右。振幅方面，L=110mm 時表現(xiàn)最佳，軸向沖擊單側(cè)振幅 1480N、扭轉(zhuǎn)沖擊單側(cè)振幅 19.2N?m，遠高于 L=90mm（359N、5.43N?m）和 L=130mm（870N、17N?m）。此外，L 越小壓差越小（L=90mm 時壓差 2.8MPa），但振幅隨之降低，因此需選擇適中的 L 值以平衡頻率與振幅。
螺旋面高度（h）的影響。在入口流量 30kg/s、d2=26mm、L=110mm 的參數(shù)下，測試 h=65mm、70mm、75mm、80mm 的性能差異。結(jié)果顯示，h 對沖擊主頻影響較?。ㄝS向約 420Hz、扭轉(zhuǎn)約 280Hz），但對振幅和壓差作用明顯。隨著 h 增大，沖擊載荷振幅逐漸提升，h=80mm 時，軸向沖擊單側(cè)振幅 1511N、扭轉(zhuǎn)沖擊單側(cè)振幅 19.3N?m，為所有測試值中最優(yōu)；同時，壓差隨 h 增大而逐漸減小，有效降低能耗。綜合來看，在一定范圍內(nèi)增大 h 值，可在不影響頻率的前提下提升沖擊性能。
通過對上述參數(shù)的綜合分析，研究確定鉆具的相對最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：d2=26mm、L=110mm、h=80mm。在此參數(shù)下，入口流量 30kg/s 時，平均軸向沖擊載荷達 12000N、平均扭轉(zhuǎn)沖擊載荷 140N?m，軸向沖擊主頻 421Hz、扭轉(zhuǎn)沖擊主頻 284Hz，軸向與扭轉(zhuǎn)載荷單側(cè)振幅分別為 1511N 和 19.3N?m，壓差僅 2.998MPa，實現(xiàn)了沖擊性能與能量效率的最佳平衡。
實驗驗證與結(jié)果分析
為驗證數(shù)值分析的可靠性，研究團隊搭建了脈沖噴嘴實驗平臺，以水為鉆井液介質(zhì)，通過加速計、壓力變送器和數(shù)據(jù)采集卡，測量不同工況下脈沖噴嘴的入口 / 出口壓力及軸向加速度，對比實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果。實驗主要圍繞管道入口壓力、簡化腔體長度（L'）、簡化出口直徑（d'2）三個參數(shù)展開。
在管道入口壓力測試中（L'=27.5mm、d'2=5.5mm），分別設(shè)置 0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa 三個壓力等級。結(jié)果顯示，當壓力為 0.3MPa 和 0.4MPa 時，實驗與數(shù)值分析的沖擊頻率、振幅匹配度均超過 70%，平均 Fx 分別約為 40N 和 97N，趨勢高度一致；僅在 0.2MPa 低壓力下，因流體流動不穩(wěn)定，實驗與模擬差異稍大。
在 L' 影響測試中（入口壓力 0.3MPa、d'2=5.5mm），L'=22.5mm、27.5mm、32.5mm 時，實驗與數(shù)值分析的平均 Fx 幾乎一致，頻率與振幅匹配度分別超過 67% 和 81%，且均呈現(xiàn) “L' 增大，平均 Fx 與振幅降低、頻率略升” 的趨勢，模型入口壓力實驗值達數(shù)值分析值的 90%，匹配效果良好。
在 d'2 影響測試中（入口壓力 0.3MPa、L'=27.5mm），d'2=5mm、5.5mm、6mm 時，實驗與數(shù)值模擬的平均 Fx 分別約為 36N、40N、98N，頻率與振幅匹配度超過 73% 和 81%，且均表現(xiàn)為 “d'2 增大，F(xiàn)x 平均值與振幅顯著提升、頻率基本穩(wěn)定”，模型入口壓力實驗值達數(shù)值分析值的 88% 以上。
實驗與數(shù)值分析的差異主要源于實驗中水泵壓力波動、管道入口壓力不穩(wěn)定、模型尺寸精度及測量誤差，但整體匹配度較高，間接證實了高頻軸扭復合沖擊鉆具可穩(wěn)定輸出高頻軸向與扭轉(zhuǎn)沖擊載荷。
高頻軸扭復合沖擊鉆具基于亥姆霍茲噴嘴自激振蕩原理，突破了傳統(tǒng)沖擊工具的頻率限制，實現(xiàn)了軸向主頻超 350Hz、扭轉(zhuǎn)主頻超 240Hz 的復合沖擊，有效解決了深層硬巖鉆井效率低、故障多的難題。通過參數(shù)優(yōu)化，確定 d2=26mm、L=110mm、h=80mm 為最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，在此配置下，鉆具既能輸出高強度沖擊載荷，又能控制能量損耗，綜合性能優(yōu)異。
實驗驗證進一步證實了該鉆具的可行性與可靠性，為其工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。未來，該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于深層、超深井硬巖地層鉆井，顯著提升鉆井效率、降低作業(yè)成本，為全球能源深層開采提供重要技術(shù)支撐。
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