李 瑋，李 兵，李卓倫，閆立鵬

(1.東北石油大學，黑龍江大慶 163318； 2.中國石油大慶油田有限責任公司，黑龍江大慶 163001；3.中國石化石油工程技術(shù)研究院 北京 100101)

0 前言

隨著深層油氣的不斷發(fā)現(xiàn)，深井和超深井的鉆井需求不斷增加。鉆進深度不斷增加的同時，鉆進過程中遇到的問題也越來越多，巖石硬度增加、井下事故多發(fā)等因素，導致鉆進速度急劇下降，鉆井成本增加，深井超深井提速是當今鉆井界研究的主要課題之一[1-5]。常規(guī)的深部鉆井提速裝置，如旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井，動力鉆具、井下工具等，是現(xiàn)今主流的深部提速方法，但一般的提速方法如復合鉆進，高機械鉆速的問題之一就是雖然能持續(xù)快速破巖，但大量的巖屑不能被及時清除出井底，導致巖屑被反復切削致使效率低下。

本文結(jié)合了水力脈沖鉆井技術(shù)與旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井的技術(shù)優(yōu)點，研制出了適用于深部鉆井提速的脈沖式振動破巖工具，通過有限元分析方法對其可行性及其影響因素進行分析，對深部地層提速工具的性能優(yōu)化與設計提出了寶貴參考價值。

1 脈沖式振動破巖技術(shù)研究現(xiàn)狀

水力脈沖射流技術(shù)發(fā)展至今取得了很多成果，并且在采礦、破巖、清洗、冶金等各個方面都有廣泛的應用[6-9]。破巖領(lǐng)域人們通過對水力脈沖射流進行研究，優(yōu)化脈沖射流的能量在時間和空間上的分布，使射流速度和沖擊壓力得到大幅度地提高，水功率增加且能夠改善破巖后的凈化條件。

倪紅堅，韓來聚等[10]使用自主研發(fā)的調(diào)制水力脈沖裝置，通過適當?shù)乃δ芰哭D(zhuǎn)換機構(gòu)，將水力能量的脈動效應進行轉(zhuǎn)化，從而達到輔助破巖，提高機械鉆速的目的。王學杰，李根生等[11]通過使用空化射流裝置，將水力脈沖射流轉(zhuǎn)化為脈沖空化射流，并將常規(guī)復合鉆井的高轉(zhuǎn)速破巖與水力脈沖空化射流的有效清巖相結(jié)合，從而提高機械鉆速。王國華，陳正茂等[12]通過螺桿馬達提供動力，使得與之相連的動閥片與定閥片緊密配合做周期性往復運動，從而產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，為鉆頭破巖提供周期性的交變動載荷，改變井底巖石的受力狀態(tài)，從而達到輔助破巖的目的。

綜上所述，雖然目前對水射流破巖的研究與振動破巖的研究都已經(jīng)比較廣泛，但是基于二者相結(jié)合的研究卻甚少，因此本文通過結(jié)合水力脈沖以及振動鉆井，展開研究研發(fā)了脈沖式振動破巖工具并通過數(shù)值模模擬以及現(xiàn)場試驗對其關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化設計，對深部地層提速工具的優(yōu)化與設計具有重要工程參考價值。

2 工具設計原理及數(shù)值模擬

2.1 設計思路

通過對旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井與水力脈沖鉆井工具的研究，設計了基于兩種鉆進技術(shù)相結(jié)合的脈沖式振動破巖工具。該工具把兩種鉆井技術(shù)結(jié)合在一起，并將此工具安裝在鉆頭上部，當鉆井液流過該工具時，工具內(nèi)的特殊結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生水力脈沖，通過水力能量的轉(zhuǎn)換引發(fā)工具振動傳遞給鉆頭，使得鉆頭在正常鉆進過程中產(chǎn)生周期性振動，井底水力脈沖震蕩將水力作用產(chǎn)生的壓力脈沖轉(zhuǎn)化為井底交變動載荷，復合作用在井底產(chǎn)生局部負壓和較大的瞬時沖擊，利于巖屑脫離井底。該工具結(jié)構(gòu)大大簡化，振動是由水力脈沖作用引起的，所以沒有沖擊錘等中間機構(gòu)，使得工具的壽命和穩(wěn)定性都得到了提高。

2.2 工作原理

如圖1所示，鉆井液從外殼短接上部進入，經(jīng)過子彈形的錐角螺母與過流墊片充滿外殼短接與射流外套組成的環(huán)形空間，在上部壓力的作用下，流體從射流外套上的流道進入射流外套內(nèi)，經(jīng)過射流外套流道的高速流體沖擊中軸葉輪上的葉片，葉片是固定在中軸葉輪上的，所以葉片驅(qū)動中軸葉輪轉(zhuǎn)動，液體從中軸葉輪下部四個對稱的橢圓形流道進入中軸葉輪內(nèi)，所敘中軸葉輪的結(jié)構(gòu)是上部封閉下部開口的柱體，固定罩螺母為杯環(huán)形實體，在杯壁表面有與中軸葉輪相互配合的對稱開口，高速旋轉(zhuǎn)的中軸葉輪與固定罩螺母相互配合使下部流道不斷的打開啟閉合，快速連續(xù)改變流道聯(lián)通面積的大小并產(chǎn)生脈沖擾動，通過工具底部的自激振蕩腔室邊界條件的碰撞產(chǎn)生振蕩放大和反饋作用，能夠把這種水力震蕩放大，震蕩的作用使得鉆頭處巖石的受力發(fā)生改變，巖石能夠輕易地離開井底，從而避免重復破巖，與此同時水射流和水力震蕩對沖擊閥座進行不間斷的水力沖擊并使其產(chǎn)生振動，與沖擊閥座相連的沖擊短接把軸向沖擊傳遞給鉆頭，在水力脈沖和振動沖擊的雙重作用下加速巖石的破壞，從而達到提高鉆進速度的目的。

2.3 數(shù)值模擬分析

若對工具整體進行數(shù)值模擬分析則計算量過大，因此對模型進行簡化，只對其關(guān)鍵部分進行數(shù)值模擬[13-16]，將固液兩相流簡化為單向流模擬，并以此建立單向流在工具內(nèi)的湍流模型，其中流體介質(zhì)為不可壓縮流體，在空間程度具有連續(xù)性，與外界無熱量交換，溫度保持不變[17-20]。

2.4 流體控制方程

流體的連續(xù)性方程為：

(1)

(2)

圖1 工具結(jié)構(gòu)Figure 1 Tool configuration

(3)

(4)

(5)

(6)

根據(jù)k-ξ湍流模型對上述方程進行處理，得到液體在工具內(nèi)的速度場和壓力場，邊界為速度入口，出口邊界為環(huán)空圍壓，設置流體流動狀態(tài)為湍流。

通過采用湍流k-ε數(shù)學模型，利用數(shù)值模擬軟件對經(jīng)過簡化的模型進行數(shù)值模擬，對工具進行簡化的數(shù)值模擬，采用自由剖分網(wǎng)格對工具進行網(wǎng)格，對入口和出口的網(wǎng)格加大劃分密度從而達到即提高計算準確性又能減小計算壓力，網(wǎng)格劃分如下圖2所示。

3 工具的可行性及影響因素分析

設置數(shù)值模擬的基本參數(shù)為井液密度為1.2g/cm3，入口速度為15m/s，動力黏度為1.0mPa·s，數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3模擬結(jié)果所示，上部設置為中軸葉輪的進液口，下部流設置為相互對稱的六個流道口，通過對出口個數(shù)的選擇來模擬過流通道連續(xù)的打開和閉合(圖3a)，出口個數(shù)設置為兩個對應著過流面積最小時情況。如圖3所示，1區(qū)壓力分布較大驅(qū)動中軸葉輪的旋轉(zhuǎn)，2區(qū)由于流道打開流速變大導致壓力變小。

圖4所示為過流面積最大的情況。隨著泄流面積的不斷變大，流體可以更快的流出，導致其壓力急劇下降。隨著中軸葉輪的不斷旋轉(zhuǎn)，整個流道的過流面積不斷改變，工具內(nèi)的壓力不斷的進行交替變產(chǎn)生水力脈沖射流，并引發(fā)工具振動，產(chǎn)生的水力脈沖和水力震蕩傳遞給鉆頭達到輔助破巖的目的。

通過對模型整體插入線性的壓力測量線可以更直觀的得到工具內(nèi)部的壓力變化曲線(圖3)。由圖5可知，高速流體進入工具后壓力增大，并驅(qū)動中軸葉輪旋轉(zhuǎn)， 隨即液流通過工具下部的出口引起壓力變化并對下部沖擊閥產(chǎn)生沖擊完成一個周期，隨著內(nèi)部壓力不斷的變化，射流和沖擊力也發(fā)生變化，從而產(chǎn)生井下巖石應力變化，達到輔助破巖的效果。

由于該工具的關(guān)鍵技術(shù)是通過射流外罩、中軸葉輪、固定罩螺母的相互配合產(chǎn)生不間斷的水力脈沖射流，導致壓力變化同時驅(qū)動下部的沖擊閥座產(chǎn)生震動，從而達到輔助破巖的目的，分析流道開口的大小可以進一步的探究內(nèi)部壓力與出口大小的關(guān)系，以及它對工具的整體影響，而葉輪上葉片的數(shù)量是產(chǎn)生脈沖射流的關(guān)鍵，中軸葉輪上的葉片個數(shù)直接影響了流道開口過流面積的變化頻率，這兩個因素是影響工具的主要因素，所以對其進行影響因素分析，而相應的排量等參數(shù)雖然對工具工作有一定影響，但由于現(xiàn)場工作環(huán)境復雜，當工具在其適用的排量范圍內(nèi)工作時，排量對工具整體影響因素較小。所以接下來將對工具中軸葉輪的葉片個數(shù)以及流道開口的初始角度這兩個主要的影響因素進行分析。

3.1 改變流道出口的大小

流道的出液口的大小是改變沖擊力的大小、水力脈沖強度的關(guān)鍵因素之一，通過改變流道出液口的大小，對工具內(nèi)壓力的變化進行分析。通過改變工具初始角度來定量控制出液開口的大小，分別設置工具其角度為20°、30°、40°來模擬過流面積對內(nèi)部壓力的影響。

圖2 網(wǎng)格劃分Figure 2 Mesh generation

圖3 改變出口個數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果Figure 3 Numerical simulated result of aperture number changing

圖a 出口部分封閉 圖b 出口完全打開圖4 工具出口設置Figure 4 Tool aperture set up

圖5 內(nèi)部壓力變化曲線Figure 5 Internal pressure variation curve

圖6 不同流道開口角度下工具內(nèi)部壓力變化與時間曲線Figure 6 Tool internal pressure variation and duration curves under different flow channel aperture angles

由圖6分析可知，開口角度設置為40°時開口變大由于中軸葉輪的轉(zhuǎn)動速度一定，單位時間內(nèi)流道的變化頻率增加，所產(chǎn)生的壓力變化頻率較快，無法形成有效的憋壓，導致壓力變小，傳遞給鉆頭的振動是高頻低幅的。當開口角度設置為20°時，開口變小，流道的變化頻率減小，由于流道連通需要的時間增加，導致內(nèi)部壓力聚集，所以當壓力釋放時則產(chǎn)生較大的壓力，頻率較小，即高幅低頻振動。由于壓力變化是引起下部沖擊振動的主要原因，所以當工具壓力變動頻率較高時，會導致沖擊振動能力減小，當壓力頻率變化較大時，則會影響水力脈沖的效果。所以綜合考量開口度數(shù)設置為30°時為產(chǎn)生脈沖射流的最優(yōu)角度。

3.2 排量與葉輪數(shù)量對水力脈沖的影響

通過改變工具的葉片數(shù)量與工具的排量并對其影響因素進行分析，分別設置葉片數(shù)量為6、8、10片，入口流量為從11L/s增加到17L/s，結(jié)果圖7所示。

圖7 排量與脈動振幅Figure 7 Displacement and impulse amplitude

由圖7所示，在葉片不同的情況下，脈動振幅隨著排量的增加而增加，但當排量增加到一定程度時，脈動振幅趨于穩(wěn)定，其原因是雖然隨著排量增加導致中軸葉輪的轉(zhuǎn)速不斷增加，使用工具的脈動幅值不斷增加，但當排量增加到一定程度，達到葉輪轉(zhuǎn)速極限隨即趨于穩(wěn)定。

由圖7所示縱向?qū)Ρ扰帕恳欢〞r進行，隨著葉片的數(shù)的增多，脈動振幅不斷降低，原因是隨著葉片的增加，流道開閉的頻率速度變快，隨即導致工具整體的憋壓能力下降，隨即產(chǎn)生高頻低壓的脈沖射流，較多的葉片會導致內(nèi)部壓力變化不明顯，無法誘發(fā)工具產(chǎn)生振動，而較少的葉片又會導致水力脈沖降低對鉆頭的沖擊，達不到清除巖屑和破碎巖石的效果。所以綜上所述，葉片的數(shù)量設置為8片最為適宜。

4 現(xiàn)場試驗

4.1 鉆井參數(shù)設置

該試驗井為直井，設計井深為3 500m，試段地層分別為三疊系劉家溝組，二疊系石千峰組、石盒子組、山西組、太原組；巖性為泥巖、細砂巖、煤。鉆井參數(shù)如表1所示。

表1 鉆井參數(shù)

4.2 提速效果與鉆頭磨損分析

本井中分別在3 050～3 120m和3 195～3 352m使用了該脈沖式振動破巖工具。其中3 050～3 120m采用60kN鉆壓鉆進，進尺70m，機械鉆速4.48m/h，同本井同地層螺桿鉆具鉆進井段對比，機速相當；同鄰A井同地層螺桿鉆具鉆進相比，機速亦相當。3 195～3 352m采用80kN鉆壓鉆進，進尺157m，機械鉆速8.67m/h，同本井同地層螺桿鉆具鉆進井段對比，機速提高80%；同鄰井A同地層螺桿鉆具鉆進相比，機速提高85%。整體分析，脈沖式振動破巖工具在該井應用提速效果顯著。

本次配合旋扭沖擊器工具的鉆頭采用Φ215.9 mm鼎鑫TS1654D型鉆頭，刀翼類型為五刀翼，PDC復合齒直徑為16mm，5個直徑17.5mm的噴嘴。鉆頭配合旋扭沖擊器兩次入井，如圖8所示鉆頭切削齒編號1中第一顆切削齒有輕微齒崩壞現(xiàn)象，其余牙齒均只有輕微磨損。通過對鉆頭軸承磨損進行檢查，鉆頭軸承情況良好無明顯損壞現(xiàn)象。對鉆頭直徑進行測量，結(jié)果表明鉆頭直徑有輕微磨損，在可以接受的磨損范圍內(nèi)。由上述測量分析可知， 兩次鉆井完成后鉆頭新度89%以上，該脈沖式振動破巖工具的高頻率振蕩松弛了地層，降低了地層對鉆頭的研磨性，同時提高了機械鉆速，有利于保護鉆頭，提高了鉆頭壽命。

圖8 出井鉆頭Figure 8 Production well bit

5 結(jié)論

1)通過把水力脈沖鉆井與振動鉆井的優(yōu)勢技術(shù)相結(jié)合，研制出新型脈沖式振動破巖工具。通過對其進行有限元模擬與分析，驗證了該工具原理的可行性，并對其影響因素進行分析，為工具的實際應用打下理論基礎(chǔ)。

2)通過對影響工具的關(guān)鍵因素進行對比分析，并對其對其關(guān)鍵影響參數(shù)進行優(yōu)選，通過改變流道的流通面積，對最優(yōu)過流角度進行篩選優(yōu)化，改變?nèi)~片的個數(shù)對水力脈沖進行分析優(yōu)化，得到該工具的最優(yōu)參數(shù)。

3)從本井參數(shù)對工具提速效果來看，該工具適合大鉆壓鉆井參數(shù)。從使用情況看，鉆壓80kN以上鉆進效率明顯高于低鉆壓鉆進作業(yè)效率。該工具與現(xiàn)場的適應能力較強，對現(xiàn)場的操作無過多的要求，對鉆頭適應性較強。

4)通過對工具的實際應用的角度出發(fā)，接下來的重點工作應對其結(jié)構(gòu)以及水力能量的轉(zhuǎn)化部分進行進一步改進與優(yōu)化，并通過現(xiàn)場應用對其所適用的地層與參數(shù)進行詳盡優(yōu)化。