气体钻井不仅用于提高机械钻速和治理井漏，还在发现和保护储层方面展现出广阔的应用前景^[1]。然而，地层出水、井眼失稳等工程瓶颈使其受到严重制约，随钻超前探测技术可提前预测到钻头前方的地层界面、断层、溶洞和异常高压等风险地层，降低钻头前方地层信息的不确定性，保证气体钻井的安全性^[2-5]。当井下冲击震源工具产生可控的振动波信号时，可根据钻柱顶端振动波的主频预测钻头前方地层的岩性，而牙轮钻头产生的轴向冲击能量弱、振动无规律，无法用于声波前探^[6-7]，因此气体钻井近钻头冲击震源工具的设计与研发成为迫切需要。国内外学者对井下冲击振动工具开展了大量研究，倪红坚等人^[8]研制了自激振荡式旋转冲击钻井工具，王冠^[9]对该工具结构进行了优化。为了克服钻头震源强度不足的问题，J. J. KOLLE等人^[10]研制了一种扫频水力脉冲震击器。由于气体钻井的环空介质为空气，压缩性比较强，因此上述类型冲击结构不适合气体钻井的工况。管志川等人^[11-12]设计了一种机械式井下吸振冲击钻井工具，基于此工具的功能，可考虑采用花键带动冲击块上下移动。张玉英^[13]设计了一种整体机械式随钻震击器，由于卡瓦需要较大的阻力情况下才能产生震击力，因此卡瓦不能被用于井下冲击震源工具设计中，但可以借鉴随钻震击器上提、下放钻柱的方式，使工具产生冲击力。刘刚等人^[14]设计了一种卡瓦式井下震源，由于井下环境比较复杂，其锚定装置可能会影响井壁的稳定性和引发井下故障，因此该震源不适合作为气体钻井的井下震源。

综合分析井下冲击震源工具的工作原理发现，采用摩擦卡瓦机构需要较大的井下阻力，且设计难度很大，因此设计气体钻井井下冲击震源工具时，可采用上提钻柱的方式带动冲击结构产生振动波信号。笔者基于气体钻井随钻声波探测原理，并结合室内冲击试验结果，优化了冲击震源工具的结构及尺寸，并对关键部件进行了力学性能分析，设计了适用于气体钻井的井下冲击震源工具。该工具可显著衰减钻柱振动波的尾波，有利于地层反射波信号的识别。

1.   冲击震源工具结构及工作原理

基于气体钻井环境下随钻前探工具自激自收的原理，确定了冲击震源工具的关键机构，设计了适用于气体钻井的随钻近钻头冲击震源工具（见图1），其主要由传动机构、冲击机构和吸振机构组成。冲击震源工具的上接头与弹片连接件通过螺纹连接，弹片肩带动冲击块一起上行并压缩弹簧。底部吸振机构由金属圆盘和减振材料组成，用于衰减纵向上的振动尾波，吸振圆筒用于衰减径向上的振动尾波。连接体的内花键与传动杆的外花键相连接，正常钻进时可为下部钻具组合传递钻压和扭矩。该震源工具采用上提钻柱的方式产生振动波信号，激发方式操作方便，冲击能量强且不需要井下供电，作业时间短，降低了卡钻、溢流风险。

图  1  冲击震源工具的结构

1.上接头；2.内花键；3.连接体；4.锥形螺纹；5.弹簧；6.弹片连接件；7.弹片肩；8.冲击块；9.吸振圆筒；10.金属圆盘；11.减振材料；12.下筒体

Figure  1.  Structure of impact source tool

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根据冲击震源工具的结构，结合现场钻井工况，可知其工作原理为：

1）正常钻进时，上接头的花键与连接头的花键相连接，冲击震源工具处于关闭状态。冲击震源工具可为钻柱传递钻压和扭矩，保证气体的循环流通。起钻时，传动杆的限位机构带动下部钻具组合一起上行，更换钻头。

2）当钻遇需要超前探测的层段时，停止钻进，保持气体循环流通；上提钻柱，传动杆带动冲击块一起上行，并压缩弹簧；当弹簧被压缩到一定距离时，冲击块在重力和弹力的作用下脱离弹片肩，向下冲击吸振圆盘，产生标志性的振动波信号，实现超前探测的目的；下筒体内的吸振圆筒和吸振圆盘用于衰减钻铤振动波信号，提高识别地层反射波的能力。

3）当冲击震源工具完成一次冲击后，下放钻柱传动杆下行，弹片连接件的弹片肩与冲击块的凹槽相连接，冲击震源工具处于关闭状态。根据超前探测的需要，需要井下冲击震源产生振动波信号时，重复上提、下放钻柱即可。

2.   冲击震源工具机构优化

2.1   吸振机构优化

冲击源测距试验结果表明，聚四氟乙烯的衰减系数大，因此选用聚四氟乙烯作为吸振机构的减振材料^[15]。为分析井下冲击震源内底部吸振机构对钻铤振动波的衰减效果，在地面建立了相应的冲击试验装置，模拟井下震源工具的冲击方式。用空心圆管和钢球来模拟钻铤和冲击块，用玻璃圆筒模拟冲击块所处的腔室，分析钢球冲击不同吸振机构对钻铤振动波的影响。

钢球冲击未使用聚四氟乙烯的吸振机构时，空心圆柱上接收到的振动波形和频谱如图2所示。从图2可以看出，振动波形中的尾波非常显著，并存在二次冲击振动波；频谱图中存在各种频率成分的振动波，主频在5 000 Hz左右。

图  2  未使用聚四氟乙烯时的振动波形和频谱

Figure  2.  Vibration waveform and frequency spectrum without PTFE

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用同一钢球冲击使用聚四氟乙烯的吸振机构，不同冲击高度下加速度传感器接收到的振动波形和频谱如图3所示。

图  3  使用聚四氟乙烯后钢球在不同冲击高度的振动波形和频谱

Figure  3.  Vibration waveform and frequency spectrum with PTFE of steel ball at different impact heights

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从图3可以看出，首波为雷克子波且加速度最大，振动波形中的尾波显著衰减，振动波形中存在二次冲击振动波，这是因为钢球在玻璃圆筒内落下时会多次冲击金属；随着冲击高度增大，首波的加速度逐渐增大。冲击高度大于50 cm时，振动波内未发现二次冲击振动波，这是因为随着冲击高度增大，钢球第一次冲击金属与第二次冲击金属的时间间隔增长，导致加速度传感器未记录到二次冲击振动波。不同冲击高度下冲击振动波的主频分别为501和612 Hz，表明聚四氟乙烯可以显著衰减振动波的高频成分，且介于地震勘探和测井的频率之间，可实现高分辨率、远距离探测的目的。随着冲击高度增大，振动波形中的二次冲击振动波减少，频谱图中的低频成分减少。因此，为了更好地提取钻铤振动波内弱地层的反射波信号，选用聚四氟乙烯衰减钻铤振动波的尾波。同时，提高冲击块的冲击高度，可增大首波的加速度幅值，降低二次冲击振动波对地层反射波信号的干扰。

使用钢球冲击聚四氟乙烯吸振机构，得到冲击力与冲击能量的关系（见图4）。由图4可知，冲击力随冲击能量增加呈线性增加，并在落石冲击力研究中得到验证^[16]。根据图4的拟合关系式可求得，当冲击能量为50 J时，冲击力为1 330 N，再根据牛顿第二定律可计算出质量为12.94 kg金属圆盘的振动加速度为102.75 m/s²。

图  4  冲击力与冲击能量的关系曲线

Figure  4.  Relationship between impact force and impact energy

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砂岩中的振动波加速度幅值与传播距离呈负指数关系^[17]，可表示为：

式中：y为不同传播距离时接收到的振动波幅值，m/s²；x为振动波的传播距离，m；$\alpha$为砂岩的衰减系数，取0.25；A₀为震源强度，m/s²。

冲击试验时加速度传感器的最小分辨率为0.98 m/s²，当冲击能量为50 J时，砂岩上振动波的最远传播距离为18.61 m，可实现气体钻井超前探测的目的。

2.2   冲击机构优化

VIBSIT-50微型可控震源单次冲击的能量为50 J，可产生频率高达1 500 Hz的震源信号，在较长时间内而不是在短时间用大功率发射，可以在不损失分辨率或略有损失的情况下达到较大的穿透深度^[18-19]。聚四氟乙烯在长时间载荷的作用下会发生塑性变形，冲击能量越强，聚四氟乙烯的塑性变形越大，从而影响底部吸振机构的性能。因此，选择冲击震源的激发能量为50 J，冲击块的质量为10 kg，不仅能实现超前探测的目的，同时也可延长吸振机构的使用寿命。

根据冲击震源的激发能量，利用RecurDyn软件对冲击块的运动过程进行模拟计算，得到震源装置外筒的长度为1 076 mm，传动杆的长度为1 064 mm。冲击块的运动速度与时间的关系曲线如图5所示，冲击块与底部金属圆盘碰撞时的速度为3 411.1 mm/s，根据动能方程，计算得到碰撞时的能量为58.18 J。

图  5  改进后冲击块的运动速度与时间的关系

Figure  5.  Relationship between movement speed and time of impact block after improvement

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底部金属圆盘受到的冲击力与时间的关系曲线如图6所示，此时金属圆盘受到的最大冲击力为1 652.98 N，远小于金属的屈服强度。底部聚四氟乙烯受到的冲击力与时间的关系曲线如图7所示，此时聚四氟乙烯受到的最大冲击力为1 796.88 N。

图  6  改进后底部金属圆盘受到的冲击力与时间的关系

Figure  6.  Relationship between impact force and time of bottom metal disc after improvement

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图  7  改进后聚四氟乙烯受到的冲击力与时间的关系

Figure  7.  Relationship between impact force and time of PTFE after improvement

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3.   工具关键部件的力学性能研究

3.1   底部吸振圆盘的力学性能

为了增强吸振圆盘的强度，考虑将不锈钢和聚四氟乙烯复合为一体，以增强聚四氟乙烯的抗冲击能力。为分析复合吸振圆盘的抗冲击能力，首先通过单轴压缩试验获取聚四氟乙烯的应力−应变关系，优选出准确描述聚四氟乙烯力学性能的本构模型；然后利用Abaqus软件分析吸振圆盘中聚四氟乙烯变形量与冲击力的关系，为震源冲击力设计提供依据。

单轴压缩试验中，聚四氟乙烯的长度为50 mm，直径为25 mm，在Abaqus软件中设置其泊松比为0.40，输入聚四氟乙烯的单轴应力−应变数据；选择适用于小应变的超弹性材料的Mooney-Rivlin模型。将聚四氟乙烯网格模型的底端固定，顶部施加载荷，模拟单轴压缩试验。模拟结果表明，顶部中心处应力较小，边缘处应力较大。随着聚四氟乙烯压缩位移的增加，顶部中心处的应力逐渐增加。将该模拟结果与试验结果进行对比（见表1），发现模拟结果与试验结果的相对误差在±20%以内，验证了该本构模型及试验参数的准确性。

表  1  不同压缩位移下聚四氟乙烯的模拟结果与试验结果

Table  1.  Simulation results and test results of PTFE under different compression displacements

聚四氟乙烯变形 后的位移/mm	模拟得到的 应力/MPa	单轴试验得到 的应力/MPa	相对 误差,%
0.50	2.88	3.11	−7.4
0.75	4.45	5.08	−12.4
1.00	6.12	6.52	−6.1
1.25	7.87	7.43	5.9
1.50	9.72	8.42	15.4

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基于选取的本构模型和试验参数，利用Abaqus软件对冲击机构中聚四氟乙烯进行力学性能模拟研究。冲击机构的网格模型从上到下依次为冲击块、金属垫片和聚四氟乙烯。该模型中聚四氟乙烯和金属垫片固定在一起，然后将模型底部固定，在顶部施加载荷，分析不同压缩位移下冲击块的冲击力。模拟结果表明，不同冲击力下聚四氟乙烯的中心处应力较小，边缘处的应力最大；随着冲击力增大，聚四氟乙烯中心处的压力显著增大。根据不同压缩位移下聚四氟乙烯的应力，计算得到了聚四氟乙烯所承受的冲击力（见表2）。聚四氟乙烯的压缩位移为0.1 mm时，聚四氟乙烯承受的冲击力为2 003.95 N，此时聚四氟乙烯的相对变形仅为0.03%。由图7可知，冲击震源工具优化后，聚四氟乙烯受到的最大冲击力为1 796.88 N，因此该冲击震源工具中的底部吸振机构可以承受冲击块的冲击。

表  2  聚四氟乙烯不同压缩位移下承受的冲击力

Table  2.  Impact force on PTFE under different compression displacements

聚四氟乙烯变形后 的位移/mm	聚四氟乙烯变形后 的最大应力/MPa	聚四氟乙烯承受 的冲击力/kN
0.1	0.139	2.004
0.2	0.279	4.017
0.3	0.420	6.038
0.4	0.561	8.068
0.5	0.702	10.105
1.0	1.420	20.427
2.0	2.900	41.725
5.0	7.706	110.884

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图  8  不同拉力下螺纹连接面的应力分布云图

Figure  8.  Stress distribution on threaded connection surface under different tensions

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3.2   传动杆限位机构的力学性能

利用SolidWorks软件对传动杆螺纹连接面处进行力学性能模拟研究，确定该限位机构的抗拉能力。传动杆参数采用钻铤材质参数，其弹性模量为216 GPa，泊松比为0.30，屈服强度为710 MPa。将传动杆的顶端固定，在限位机构处施加相当于下部钻具组合重量的拉力，得到传动杆台阶在拉力600，800和1 150 kN下的应力分布云图（见图8）。

从图8可以看出，随着传动杆台阶处载荷增大，螺纹面的应力主要集中在螺纹第一圈和第二圈上，因此第一圈和第二圈螺纹容易产生疲劳失效；当台阶处的拉力增大到1 150 kN时，螺纹面的应力主要集中在第一圈螺纹处，且已经达到了材料的屈服强度。因此，限位机构处承受下部钻具的重量不能超过1 150 kN。

4.   现场施工方案及其主要优势

气体钻井过程中，可将冲击震源工具安装在两根钻铤间（要尽可能靠近钻头），传动杆承受下面钻铤的拉力，钻铤的重量全部施加到钻头上，保证钻头与地层紧密耦合，提高识别弱地层反射波信号的能力。当钻遇需要超前探测的层位时，停止顶驱钻进，保持气体循环，上提钻具使冲击震源工具激发低频振动波信号，安装于空气锤上的检波器接收钻头前方地层的反射波信号，利用钻柱内微波中继器接力传输的方式将探测数据传输至地面。

目前，随钻声波探测技术主要采用单极纵波源、偶极横波源和方位纵波源，随钻条件下声源激发的波场容易受到环空介质和钻柱的强烈调制，且钻铤模式波会严重干扰地层反射波的识别^[20-23]。因此，上述施工方案中，利用钻头与地层的接触将冲击振动波信号传入地层，可降低振动波在环空介质中的衰减，提高振动波的透射能力。吸振圆盘结构可承受冲击块的冲击，吸振圆盘内的聚四氟乙烯能显著衰减钻铤上的振动尾波，提高识别地层弱反射波信号的能力。起下钻作业过程中，传动杆限位结构可承受下部钻具的拉力。该震源工具产生的冲击能量强且不需井下供电，冲击振动波的频率介于地震勘探和测井频率之间，可满足气体钻井条件下高分辨率、远距离探测的目的。

5.   结　论

1）基于气体钻井的环境，设计了冲击震源工具的关键结构，优化了震源工具的吸振机构和冲击机构。在气体钻井过程中，当钻遇到需要超前探测的风险地层时，停止钻进，通过上提钻柱的方式产生高能量的低频振动波信号，该震源激发方式可降低钻进过程中噪音的干扰，震源能量强且不需要供电系统，可以很好地适应气体钻井的井下环境。

2）震源工具关键部件的抗冲击能力有限元分析结果表明，金属垫片和聚四氟乙烯组成的吸振机构可承受冲击块的冲击，可用于衰减钻柱的振动尾波。起下钻过程中，传动杆的限位机构可承受下部钻具的拉力，其可靠性满足气体钻井作业要求。

3）该随钻冲击震源工具可在钻井液环境中应用，当钻遇需要超前探测的地层时，停止钻进和钻井液循环，可以减少井底的噪音干扰，更易于识别钻头前方的弱地层反射波信号，提高随钻前探的能力。