張 輝，于文濤，陳忠?guī)?，蔡文?/p>

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）①

水力脈沖軸向振蕩減阻工具研制

張 輝，于文濤，陳忠?guī)?，蔡文?/p>

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）①

在大斜度井中，軸向力傳遞通常成為問題。為了減少摩阻并實(shí)現(xiàn)軸向力的連續(xù)傳遞，最新的減阻技術(shù)是水力脈沖誘發(fā)軸向振蕩鉆井技術(shù)，為此開發(fā)設(shè)計(jì)了一種水力脈沖軸向振蕩減阻工具。介紹了該軸向振蕩減阻工具的總體結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)、關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)加工、動(dòng)力馬達(dá)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)合理配比優(yōu)化、盤閥過流面積模擬、花鍵心軸表面處理技術(shù)及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)分析、碟形彈簧組合設(shè)計(jì)計(jì)算等。室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn)表明：該工具性能可靠，能夠解決托壓的問題，減阻提速效果明顯。

軸向振蕩；減阻工具；動(dòng)力馬達(dá)；盤閥；花鍵心軸

由于海上開發(fā)、海油陸采、環(huán)境保護(hù)、非常規(guī)開發(fā)等的需要，定向井、水平井、大位移井、多分支井的鉆井?dāng)?shù)量越來越多。在大斜度井中，軸向力傳遞通常成為問題，例如在水平井和大位移井中，摩擦阻力相當(dāng)高，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致鉆柱發(fā)生自鎖。這些具有挑戰(zhàn)性的井通常具有高的位垂比，導(dǎo)致軸向力下傳變得困難，出現(xiàn)過高的摩阻及（或）鉆柱彎曲、屈曲，泥漿馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn)，鉆柱與完井管柱的下入期間傳遞鉆壓都將變得異常困難。為了減少摩阻并實(shí)現(xiàn)軸向力的連續(xù)傳遞，國內(nèi)外已經(jīng)采用了許多方法與工具，目前最新減阻技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的工具是鉆井軸向振蕩減阻工具，其原理是有效地將滑動(dòng)鉆進(jìn)期間鉆柱與井壁間的靜摩擦力轉(zhuǎn)換為動(dòng)摩擦力，使摩阻降低［1-4］。在我國鉆井大提速的背景下，勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院從2011年開始致力于軸向振蕩減阻工具的調(diào)研與研制，參考借鑒本院震擊器、水力脈沖工具［5］和垂鉆工具技術(shù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開發(fā)設(shè)計(jì)了一種水力脈沖軸向振蕩減阻工具（以SLZDQ172型水力脈沖軸向振蕩減阻工具為例介紹），該工具的目的是解決水平井托壓問題，提高水平井、大位移井機(jī)械鉆速。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

水力脈沖軸向振蕩減阻工具主要由水力脈沖發(fā)生短節(jié)（如圖1）和振蕩短節(jié)（如圖2）2大部分組成。水力脈沖振蕩發(fā)生短節(jié)由1∶2容積式動(dòng)力馬達(dá)和盤閥機(jī)構(gòu)組成。動(dòng)力馬達(dá)主要由防掉組件、定子、轉(zhuǎn)子構(gòu)成；盤閥機(jī)構(gòu)主要由上、下盤閥組成。振蕩短節(jié)是工具產(chǎn)生軸向振蕩的核心機(jī)構(gòu)，主要由花鍵心軸、防掉短節(jié)、碟簧、活塞、密封組件組成。使用時(shí)將振蕩短節(jié)連接在水力脈沖發(fā)生短節(jié)上部，鉆井液通過動(dòng)力馬達(dá)后驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)上盤閥高速轉(zhuǎn)動(dòng)；上盤閥與其配合的下盤閥間設(shè)有配合流道，流道過流面積變化對鉆井液形成脈沖流量變化，進(jìn)而產(chǎn)生相對應(yīng)的壓力脈沖；壓力脈沖向上反饋到振蕩短節(jié)的活塞，作用在活塞上壓力脈沖產(chǎn)生的力與碟簧組相互作用，使花鍵心軸隨著每個(gè)脈沖壓力大小變化而產(chǎn)生壓縮或伸長，導(dǎo)致整個(gè)鉆柱沿著軸向振蕩運(yùn)動(dòng)。

圖1 SLZDQ172型水力脈沖發(fā)生短節(jié)結(jié)構(gòu)

圖2 SLZDQ172型振蕩短節(jié)結(jié)構(gòu)

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

1） 該軸向振蕩減阻工具設(shè)計(jì)專用高速1∶2容積式動(dòng)力馬達(dá)，壓耗小、轉(zhuǎn)速高，驅(qū)動(dòng)盤閥產(chǎn)生的水力脈沖頻率避開MWD頻率，避免影響定向鉆進(jìn)過程信號傳遞。

2） 采用優(yōu)質(zhì)耐沖擊及磨損硬質(zhì)合金整體燒結(jié)上、下盤閥，水力學(xué)動(dòng)態(tài)模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)盤閥結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生周期性連續(xù)柔和變化的水力脈沖能量，通過振蕩短節(jié)轉(zhuǎn)換為軸向振動(dòng)形式的機(jī)械能。

3） 花鍵心軸采用優(yōu)質(zhì)材料（熱處理工藝），延長心軸在拉扭和振動(dòng)作用下的使用壽命，對心軸縮徑部位采取特殊表面處理工藝，提高其防塵密封面抗腐蝕能力。

4） 應(yīng)用三維軟件設(shè)計(jì)、有限元流場及強(qiáng)度分析，使關(guān)鍵零件部位可靠、壽命長，滿足鉆井井下正常及復(fù)雜情況下安全使用。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力馬達(dá)

在1∶2動(dòng)力馬達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì)過程中，通過對轉(zhuǎn)子偏心距e、轉(zhuǎn)子截圓直徑D、定子導(dǎo)程T這3個(gè)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)（如圖3）的合理選擇及相互之間的合理配比優(yōu)化，提高馬達(dá)的工作特性和使用壽命。

圖3 1∶2動(dòng)力馬達(dá)結(jié)構(gòu)參數(shù)

動(dòng)力馬達(dá)排量與轉(zhuǎn)速關(guān)系為

式中：n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r／min；Q為馬達(dá)理論排量，L／s；e為轉(zhuǎn)子偏心距，mm；D為轉(zhuǎn)子截圓直徑，mm；T為定子導(dǎo)程，mm。

根據(jù)優(yōu)選的動(dòng)力馬達(dá)參數(shù)由式（1）可計(jì)算出理論排量下對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，如表1。

表1 動(dòng)力馬達(dá)理論排量對應(yīng)轉(zhuǎn)速（SLZDQ172型）

2.2 盤閥

盤閥采用高強(qiáng)度硬質(zhì)合金整體燒結(jié)而成。采取馬達(dá)轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)方式自動(dòng)補(bǔ)償上、下盤閥工作時(shí)交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的高磨損，上、下盤閥間采取硬密封方式。上盤閥與下盤閥采用偏心方式位置相錯(cuò)或重合，相錯(cuò)或重合節(jié)流效應(yīng)導(dǎo)致上游的壓力發(fā)生變化，周期性地相對運(yùn)動(dòng)使鉆井液經(jīng)過盤閥通道的最大當(dāng)量直徑和最小當(dāng)量直徑產(chǎn)生周期性變化（如圖4）。采取下盤閥偏心方式補(bǔ)償偏心量，確保節(jié)流面積變化差值，能夠產(chǎn)生足夠大的對應(yīng)壓力變化值。

圖4 上、下盤閥相對運(yùn)動(dòng)及壓力變化

2.3 花鍵心軸

針對減震器、震擊器花鍵心軸使用過程中出現(xiàn)的問題（例如：常規(guī)鍍鉻技術(shù)出現(xiàn)鍍層脫落、鍍層耐磨抗腐蝕性能達(dá)不到要求），并從保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能效出發(fā)，采用熱噴涂技術(shù)對花鍵心軸進(jìn)行處理，零件不同部位根據(jù)功能性要求采取耐腐、耐磨處理，完全滿足花鍵心軸不同部位防腐、耐磨和密封的要求?；ㄦI心軸選用材料滿足石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY／T5496—2000《震擊器及加速器》中規(guī)定的力學(xué)性能［6］，其在正常鉆井過程中要承受拉、壓、彎、扭綜合交變應(yīng)力作用［7］。應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助工程有限元分析技術(shù)，進(jìn)行強(qiáng)度應(yīng)力校核，針對薄弱部位優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：最薄弱部位材料達(dá)到屈服強(qiáng)度抗拉載荷1 980 k N，最大抗扭轉(zhuǎn)矩36 k N·m。如圖5。

圖5 薄弱部位強(qiáng)度應(yīng)力校核

2.4 碟形彈簧

碟形彈簧（如圖6）作為軸向振蕩減阻工具的主要部件，在井下受交變應(yīng)力作用下應(yīng)滿足最大疲勞壽命的要求，其設(shè)計(jì)加工制造水平直接影響工具的整體性能。根據(jù)GB／T1972—2005《碟形彈簧》中規(guī)定的設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)、尺寸、技術(shù)要求、試驗(yàn)及檢驗(yàn)要求對碟形彈簧進(jìn)行制造［8］。利用基于微軟office excel vbscript二次開發(fā)碟簧設(shè)計(jì)專業(yè)程序?qū)Φ蓡纹皩席B合組進(jìn)行設(shè)計(jì)、校核與驗(yàn)證，加載應(yīng)力如圖7。圖7中：sⅠ、sⅡ、sⅢ、sOM分別為在載荷作用下Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、OM處的計(jì)算應(yīng)力。碟簧力學(xué)性能的準(zhǔn)確，可確保振蕩力的大小與要求的振幅保持一致。

圖6 碟形彈簧結(jié)構(gòu)

圖7 碟形彈簧結(jié)構(gòu)加載應(yīng)力

3 試驗(yàn)及應(yīng)用情況

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)在鉆井井下工具實(shí)驗(yàn)室鉆井多功能試驗(yàn)機(jī)模擬井筒中進(jìn)行，試驗(yàn)步驟如下：

1） 準(zhǔn)備試驗(yàn)井筒，連接好地面管匯及各種測試參數(shù)所需傳感器。

2） 連接工具入模擬井筒（如圖8）、裝配井口。

3） 采用清水開泵試驗(yàn)，間隔5 L／s調(diào)節(jié)排量穩(wěn)定后，傳感器記錄數(shù)據(jù)傳至電腦終端（如圖9）。

4） 工具長時(shí)間循環(huán)測試各部件可靠性。

圖8 連接工具入模擬井筒

圖9 傳感器測量排量與壓耗、振幅關(guān)系曲線

由圖9可知：工具壓耗、振幅與排量呈線形關(guān)系，應(yīng)用清水測試，工具在推薦排量28 L／s時(shí)產(chǎn)生壓耗為4.2 MPa，產(chǎn)生最大振幅9 mm。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用

SLZDQ172型軸向振蕩減阻工具已在3口井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明：使用該工具可提高機(jī)械鉆速20%以上，提速效果顯著，設(shè)計(jì)原理正確，結(jié)構(gòu)可靠，工作壽命在100 h以上，對常規(guī)PDC鉆頭、牙輪鉆頭具有良好的適應(yīng)性。井下鉆具組合加入工具后匹配性良好，可以改善鉆進(jìn)效率，同時(shí)又不會(huì)對鉆柱中MWD等其他部分造成不利的影響。通過現(xiàn)場應(yīng)用確定工具設(shè)計(jì)思路正確，能夠改善鉆壓傳遞，提高機(jī)械鉆速。

4 結(jié)論

1） SLZDQ172型軸向振蕩減阻工具優(yōu)選動(dòng)力馬達(dá)參數(shù)，結(jié)合盤閥、花鍵心軸與碟簧優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了工具的可靠性、穩(wěn)定性，適合井下各種工況。

2） 該工具通過現(xiàn)場試驗(yàn)，表明工具結(jié)構(gòu)合理、減阻提速效果明顯，對井下儀器信號傳輸不會(huì)產(chǎn)生干擾，是一種新型鉆井減阻工具。

3） 該工具可滿足水平井、大位移井滑動(dòng)鉆進(jìn)減阻的需要。

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Development of Hydropulse Axial-Oscillation Friction-reduce Tool

ZHANG Hui，YU Wen-tao，CHEN Zhong-shuai，CAI Wen-jun
（Drilling Technology Research Institute，Sinopec Shengli Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Dongying 257017，China）

With the increase of the drilling directional well，horizontal well，extended reach well and multilateral well，at the high angle deviated hole，the axial force transfer becomes a problem.To reduce friction and transfer axial force continuously，the latest friction-reduce technology is the hydropulse axial-oscillation drilling technology，for this reason model SLZDQ172 axial-oscillation reduce friction tool was developed.The overall construction design and technical characteristic is introduced，how to design and manufacture the key components，including reasonably match and optimize the basic structure parameter of the power motor，simulation the flow area of the valve，the surface treatment and the computer aid design analysis of the spine mandrel，and the calculation of the disc spring＇s pattern design.The lab and field test show that the tool is reliable and can improve weight transfer，reduce friction，and higher penetration rate.

axial-oscillation；reduce friction tool；power motor；valve assembly；spline mandrel

TE921.1

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.019

1001-3482（2014）07-0073-04

2014-01-07

中國石化集團(tuán)公司先導(dǎo)項(xiàng)目“水平井用軸向震蕩工具先導(dǎo)”（JPJ12004）

張 輝（1979-），男，遼寧昌圖人，工程師，碩士，主要從事井下工具研發(fā)工作，E-mail：zhanghui211.slyt＠sinopec.com。