夏文安，李文飛，楊永印，張建濤

（1.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257017；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東東營(yíng)257061） ＊

·試驗(yàn)研究·

定轉(zhuǎn)子式低壓脈沖射流調(diào)制器低壓調(diào)制特性試驗(yàn)研究

夏文安1，李文飛1，楊永印2，張建濤1

（1.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257017；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東東營(yíng)257061）＊

利用B ＆K聲壓測(cè)試系統(tǒng)對(duì)新型低壓脈沖射流調(diào)制器樣機(jī)振動(dòng)特性進(jìn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了調(diào)制器工作特性隨鉆頭壓降、鉆井液流量及定子傾角等參數(shù)變化的規(guī)律。結(jié)果表明：調(diào)制器振動(dòng)頻率隨鉆井液流量的增加而增大，隨鉆頭壓降上升而基本不變，隨定子流道傾角的增大而增高。為全尺寸定轉(zhuǎn)子式脈沖調(diào)制器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供依據(jù)。

低壓脈沖；射流；調(diào)制；振動(dòng)；試驗(yàn)

在鉆深井、超深井中，除了鉆井設(shè)備、地層巖石可鉆性降低等客觀因素外，井底壓差過(guò)大是影響深井、超深井機(jī)械鉆速提高的重要因素之一［1］。對(duì)低壓脈沖射流提高鉆速機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，脈動(dòng)性的低壓波更有利于克服井底壓差、提高鉆速［2］，而研發(fā)可產(chǎn)生脈沖射流的設(shè)備成為該技術(shù)由理論走向?qū)嶋H應(yīng)用的重要途徑。定轉(zhuǎn)子式低壓脈沖射流調(diào)制器就是專門(mén)設(shè)計(jì)的一種產(chǎn)生低壓脈沖的調(diào)制設(shè)備，為了更進(jìn)一步開(kāi)發(fā)全尺寸的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用設(shè)備［3］，有必要對(duì)該設(shè)備的工作特性進(jìn)行試驗(yàn)。

1 工作原理

定轉(zhuǎn)子式低壓脈沖射流調(diào)制器是根據(jù)瞬變流理論［4］設(shè)計(jì)的，能產(chǎn)生一定低壓脈動(dòng)波［5］。其工作原理為：當(dāng)液流通過(guò)調(diào)制器時(shí)，在定子流道的作用下液流被迫受力而改變流向，同時(shí)由于流體通道變窄，液流流速增大；改變流向后的液流沖擊轉(zhuǎn)子使其以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，在機(jī)械（中心軸、下部墊片）和水力摩擦阻力的作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)力矩達(dá)到平衡（即Mz＝0），這時(shí)轉(zhuǎn)子以一定的角速度旋轉(zhuǎn)；當(dāng)其旋轉(zhuǎn)到一定位置并瞬間阻斷定子的流道時(shí)，調(diào)制器下部的流體便依靠自身的慣性繼續(xù)向下流動(dòng)，從而產(chǎn)生瞬時(shí)低壓波［2］；隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，該低壓波逐漸向下游傳播并達(dá)到井底，所到之處的壓力狀態(tài)則變?yōu)榈蛪籂顟B(tài)（如果該低壓狀態(tài)的壓力等于地層壓力，井底則為平衡壓力狀態(tài)；如果壓力低于地層壓力，井底呈負(fù)壓狀態(tài)［6－8］）；轉(zhuǎn)子在慣性的作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，流體又通過(guò)轉(zhuǎn)子的流道向下部流去，主流開(kāi)通后，脈動(dòng)器內(nèi)部的壓力由低壓狀態(tài)恢復(fù)到正常壓力值，井底也隨之升至正常壓力狀態(tài)。通過(guò)上述周期性的旋轉(zhuǎn)，上部的連續(xù)流動(dòng)即轉(zhuǎn)變?yōu)橹芷谛缘膲毫γ}動(dòng)［9］液流。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

本試驗(yàn)在中國(guó)石油大學(xué)（華東）高壓水射流研究中心進(jìn)行，主要研究定轉(zhuǎn)子式低壓脈沖射流調(diào)制器的動(dòng)態(tài)特性隨鉆頭壓降p、鉆井液流量Q、定子傾角θ等3組參數(shù)變化的規(guī)律，測(cè)試調(diào)制器產(chǎn)生的脈動(dòng)低壓的波動(dòng)范圍。試驗(yàn)設(shè)備主要包括高壓供水系統(tǒng)、定轉(zhuǎn)子式低壓脈沖射流調(diào)制器、100kHz的B ＆K聲壓測(cè)試系統(tǒng)、壓力表、壓力傳感器（如圖1）。

試驗(yàn)時(shí)，在調(diào)制器出口處安裝壓力傳感器，測(cè)試數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)后以波形圖顯示。根據(jù)波形圖中波峰、波谷的變化特點(diǎn)，確定低壓脈沖射流調(diào)制器的振動(dòng)頻率、低壓幅值的變化及脈動(dòng)低壓的波動(dòng)范圍。

圖1 低壓脈沖射流調(diào)制器脈動(dòng)低壓試驗(yàn)系統(tǒng)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2 調(diào)制器下游流體脈動(dòng)波形

在試驗(yàn)條件下（定子流道傾角20°、流量Q＝240 L／min、壓力p＝5MPa，質(zhì)量m＝1.6kg），測(cè)量的定轉(zhuǎn)子式低壓脈沖射流調(diào)制器下部流體脈動(dòng)波形如圖2。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納、采集和回歸，即可得到定轉(zhuǎn)子式低壓脈沖射流調(diào)制器的振動(dòng)頻率隨鉆頭壓降p、鉆井液流量Q、定子傾角θ等參數(shù)變化的規(guī)律以及調(diào)制器產(chǎn)生脈動(dòng)低壓的幅值。

3.1 水力參數(shù)對(duì)性能的影響

3.1.1 流體流量

1） 對(duì)振動(dòng)頻率的影響。

在現(xiàn)場(chǎng)鉆井過(guò)程中，為了達(dá)到最優(yōu)的井底凈化效果，需要提高機(jī)械鉆速，為此必須進(jìn)行水力參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中，鉆井液流量是水力參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要參數(shù)。

圖3為定轉(zhuǎn)子式低壓脈沖射流調(diào)制器的振動(dòng)頻率隨鉆井液流量Q變化的特點(diǎn)。由圖3可以看出，調(diào)制器振動(dòng)頻率隨鉆井液流量Q的增加而增大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是，當(dāng)通過(guò)調(diào)制器的流體流量增加時(shí)，在不變的流道中的流速相應(yīng)增大。

轉(zhuǎn)子受到的橫向沖擊力為

由式（1）可得：轉(zhuǎn)子受到的水平切向力增加，旋轉(zhuǎn)周期縮短，阻斷定子流道的頻率升高，所以射流脈動(dòng)頻率增加；反之，調(diào)制器下部流體的射流脈動(dòng)頻率降低。

圖3 振動(dòng)頻率隨鉆井液流量變化的規(guī)律

2） 對(duì)脈動(dòng)低壓幅值的影響。

圖4為定轉(zhuǎn)子式低壓脈沖射流調(diào)制器低壓幅值隨流體流量Q變化的特點(diǎn)。由圖4可見(jiàn)，調(diào)制器的低壓振動(dòng)幅值隨著流量的增加而增大。因?yàn)樵谝欢ǖ牧髁糠秶鷥?nèi)，Q增加，調(diào)制器的脈動(dòng)頻率增大，單位時(shí)間內(nèi)的速度變化量也隨之增加。

脈動(dòng)低壓幅值為

式中，ρ為介質(zhì)密度，kg／m3；Δv為速度變化，m／s；v0為初始速度，m／s；E為流體體積彈性模量，Pa；Δp為脈動(dòng)低壓的幅值，Pa。

由式（2）可得：脈動(dòng)低壓的幅值Δp隨速度變化量Δv的增加而增大；反之，Q減小，脈動(dòng)頻率降低，速度變化量減小，振幅降低。

圖4 低壓幅值隨流體流量變化的規(guī)律

3.1.2 鉆頭壓降

在鉆井過(guò)程中，提高射流的噴速和沖擊力主要依靠增加鉆頭壓降。所以，該參數(shù)是影響調(diào)制器脈動(dòng)性能的重要參數(shù)之一。

1） 對(duì)振動(dòng)頻率的影響。

不同流量和不同傾角、流量條件下振動(dòng)頻率隨鉆頭壓降變化的規(guī)律如圖5～6所示。由圖5～6可以看出：鉆頭壓降的變化對(duì)調(diào)制器振動(dòng)頻率的影響規(guī)律基本相同，鉆頭壓降增加，調(diào)制器的振動(dòng)頻率基本無(wú)變化。因?yàn)檗D(zhuǎn)子關(guān)閉定子流道的動(dòng)力來(lái)源于上部流道的流體，它只與流量和流速有關(guān)，與壓降無(wú)關(guān)。

圖5 不同流量條件下振動(dòng)頻率隨鉆頭壓降變化的規(guī)律

圖6 不同傾角和流量條件下振動(dòng)頻率隨壓降的變化規(guī)律

2） 對(duì)脈動(dòng)低壓幅值的影響。

圖7為定轉(zhuǎn)子式低壓脈沖射流調(diào)制器調(diào)制射流產(chǎn)生的脈動(dòng)低壓的幅值隨鉆頭壓降變化的規(guī)律。由圖7可以看出：通過(guò)調(diào)制器的流量Q不變時(shí)，流速也無(wú)變化（流道為定值），所以鉆頭壓降變化對(duì)脈動(dòng)幅值基本沒(méi)有影響。

3.2 定子流道傾角對(duì)性能的影響

定子是改變上部流體流向及使流體產(chǎn)生橫向切力的主要部件，定子流道傾角可強(qiáng)迫流體改變流向，使定子下部的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生切向沖擊力，迫使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如果傾角為零或者太小，轉(zhuǎn)子不能旋轉(zhuǎn)，上部流體便無(wú)法被阻斷，因而也不能產(chǎn)生流體脈動(dòng)頻率。

圖7 不同流量條件下脈動(dòng)低壓隨壓降變化的規(guī)律

3.2.1 對(duì)振動(dòng)頻率的影響

圖8為定轉(zhuǎn)子式低壓脈沖射流調(diào)制器振動(dòng)頻率隨定子傾角θ變化的規(guī)律。根據(jù)式（1），隨著θ的增大，轉(zhuǎn)子受到的切向力增加，但轉(zhuǎn)動(dòng)周期減小，因而脈沖調(diào)制器的頻率增大。

圖8 低壓脈沖射流調(diào)制器振動(dòng)頻率隨定子傾角變化的規(guī)律

3.2.2 對(duì)脈動(dòng)低壓幅值的影響

圖9為轉(zhuǎn)子式低壓脈沖射流調(diào)制器脈動(dòng)低壓幅值隨定子傾角θ變化的規(guī)律。由圖9可以看出：隨著定子傾角的增大，作用在轉(zhuǎn)子上的流體沖擊力上升，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大，阻斷流體的時(shí)間縮短，經(jīng)過(guò)調(diào)制器調(diào)制的流體速率變化量增加，所以脈動(dòng)低壓幅值提高。

圖9 低壓脈沖射流調(diào)制器脈動(dòng)低壓幅值隨定子傾角變化的規(guī)律

4 結(jié)論

1） 定轉(zhuǎn)子式調(diào)制器的振動(dòng)頻率和脈動(dòng)低壓幅值隨鉆井液流量Q的增加而逐漸增大，隨壓降p的增大基本不變。

2） 隨著定子流道傾角的增加，調(diào)制器振動(dòng)頻率和脈動(dòng)低壓幅值都是增大的。

3） 測(cè)量結(jié)果表明，在試驗(yàn)條件下脈動(dòng)低壓幅值可達(dá)2～4MPa。

4） 為了研制出現(xiàn)場(chǎng)使用的全尺寸低壓脈沖射流調(diào)制器，還需要更進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)制器的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)。

5） 影響定轉(zhuǎn)子式脈沖調(diào)制器工作效果的因素很多，還需要在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入和擴(kuò)展。

6） 利用本調(diào)制器調(diào)制射流在井底產(chǎn)生脈動(dòng)低壓，達(dá)到了降低井底“壓持效應(yīng)”的目的，技術(shù)難度小，使用方法簡(jiǎn)便。初步試驗(yàn)表明，產(chǎn)生的低壓效果明顯，為大幅度提高機(jī)械鉆速提供了一種有效的手段，值得大力研究和發(fā)展。

［1］ 沈忠厚.水射流理論與技術(shù)［M］.東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，1998.

［2］ 楊永印，沈忠厚，王瑞和.低壓脈沖射流井底欠平衡鉆井提高鉆速機(jī)理分析［J］.石油大學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，30（5）：15－16.

［3］ 潘新偉，王旱祥，王興建，等.水力割縫工具射流工藝參數(shù)設(shè)計(jì)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（9）：36－38.

［4］ 謝 葵，王建年.水力脈沖式鉆井提高鉆速［J］.國(guó)外石油機(jī)械，1999（12）：35－39.

［5］ 魏 強(qiáng)，李 黔，曹叔尤.一種新型負(fù)壓脈沖鉆井工具的設(shè)計(jì)及研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（6）：39－41.

［6］ 張國(guó)忠.流道瞬變流動(dòng)分析［M］.東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，1994.

［7］ 李春林.磨料射流射孔壓裂一體化工具的設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（3）：56－58.

［8］ 楊云霞，潘 華，曹雪洪.負(fù)壓鉆井技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.石油鉆探技術(shù)，1998，26（4）：32－34.

［9］ 陳小榆，練章華，蔣 洪.井下機(jī)械式脈動(dòng)發(fā)生器的實(shí)驗(yàn)研究［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，22（2）：27－30.

Experiment Research on Character of Stator and RotorLow－pressure Pulse Jet Modulator

XIA Wen－an1，LI Wen－fei1，YANG Yong－ying2，ZHANG Jian－tao1
（1.Drilling Technology Research Institute，Shengli Petroleum Administrative Bureau，Dongying257017，China；2.China University of Petroleum，Dongying257061，China.）

The performance of the modulator is experimentally studied with the B ＆K sound－pressure test system.The dynamic characteristics of a newly designed low－pressure pulses modulator are studied according to its structural parameters and the working hydraulic parameters such as the stator’s obliquity，pressure drop and fluid volume and so on.The result of the experiment show that frequency of the modulator increase with increase of the fluid volume and the stator’s obliquity，which provide an effective assistant way in the further study and application of the fullsize rotor／stator low－pressure pulse jet modulator.

low－pressure pulse；jet；modulation；oscillation；experiment

1001－3482（2012）11－0042－04

TE927

A

2012－05－03

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”（2011ZX05022－001）；中石化集團(tuán)公司重點(diǎn)科研攻關(guān)項(xiàng)目“勝利油田復(fù)雜斷塊油藏立體開(kāi)發(fā)技術(shù)研究”（P09037）

夏文安（1977－），男，陜西扶風(fēng)人，工程師，主要從事鉆井工藝技術(shù)研究，E－mail：xwaupc＠163.com。