薛 亮， 趙 曉， 韓 虎， 王 典

(1中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院·北京 2中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院)

0 引言

水力振蕩器一般由脈沖短節(jié)和振蕩短節(jié)組成，水力振蕩器通過脈沖短節(jié)產(chǎn)生壓力波，壓力波帶動振蕩短節(jié)產(chǎn)生軸向的振動，改善鉆具與井壁或套筒間的摩擦條件，解決水平井鉆進過程中鉆頭托壓問題，提高鉆進效率[1- 6]。射流式脈沖短節(jié)采用射流元件作為換向和動力執(zhí)行部件[7- 9]，射流元件驅(qū)動活塞在活塞缸中往復(fù)運動，帶動活塞桿改變節(jié)流盤的過流面積，產(chǎn)生壓力波動。壓力波傳遞至振蕩短節(jié)，通過彈簧、心軸等結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成軸向振動，起到減摩降阻的效果，但在室內(nèi)試驗和現(xiàn)場應(yīng)用過程中，射流式水力振蕩器經(jīng)常發(fā)生活塞換向困難、工作不穩(wěn)定的問題。為此，本文針對射流式脈沖短節(jié)活塞換向不穩(wěn)定問題進行了深入研究，優(yōu)化改進了活塞桿與節(jié)流盤結(jié)構(gòu)，進而大幅提高活塞與活塞桿換向的穩(wěn)定性。通過地面試驗對新型結(jié)構(gòu)進行了驗證，新型結(jié)構(gòu)徹底解決了射流式脈沖器換向不穩(wěn)定的問題，有利于射流式水力振蕩器的現(xiàn)場推廣應(yīng)用。

1 射流式脈沖器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

射流式脈沖短節(jié)包括外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)(見圖1)。外部結(jié)構(gòu)主要由缸筒和上下接頭組成。內(nèi)部結(jié)構(gòu)由上壓蓋、射流元件、缸體、調(diào)整錐桿、活塞與活塞桿、缸蓋、隔套和節(jié)流盤組成，活塞缸外壁面設(shè)置有環(huán)形流道。核心部件包括射流元件、活塞與活塞桿、活塞桿和節(jié)流盤?；钊c活塞桿連接為一個整體，一起往復(fù)運動與換向。

圖1 射流式脈沖短節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

1外缸 2上壓蓋 3雙穩(wěn)式射流元件 4缸體 5調(diào)整錐桿 6活塞與活塞桿 7缸蓋 8隔套 9節(jié)流盤 10碟簧

1.2 工作原理

射流式脈沖短節(jié)工作原理一般為：鉆井液通過上接頭流入工具，通過射流元件噴嘴產(chǎn)生高速射流，射流偏轉(zhuǎn)并附著在射流元件一側(cè)壁面上，在射流元件兩個輸出道產(chǎn)生很大的壓力差，該壓差通過流道傳遞到活塞缸上下腔，是活塞在活塞缸中往復(fù)運動的動力來源[10- 17]?；钊麕踊钊麠U往復(fù)運動，周期性地改變節(jié)流盤過流面積，引起節(jié)流盤過流壓差的周期性變化，從而產(chǎn)生壓力波動。上述過程沒有考慮節(jié)流盤壓差對活塞桿的作用力，存在一定的理論局限，下文會詳細討論。

2 射流式脈沖器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 活塞與活塞桿換向動力學(xué)分析

忽略反彈力與重力作用，一般認為射流輸出道壓差是活塞與活塞桿換向的主要動力，下面就原結(jié)構(gòu)活塞與活塞桿上下死點的壓差作用力進行詳細分析，以揭示原結(jié)構(gòu)換向可靠性問題。

2.1.1 上死點換向動力分析

活塞運動到活塞缸上死點位置時，調(diào)整錐桿撞擊到活塞腔上端面(詳見圖1)，射流元件中的射流切換到下側(cè)輸出道(詳見圖1黃色流線)，高壓鉆井液流入活塞缸上腔，低壓鉆井液從活塞缸下腔排出，活塞缸下腔排出的鉆井液向下進入隔套(流動阻力很小可以忽略)，最后進入節(jié)流盤。此時，活塞桿末端位于節(jié)流盤前部，節(jié)流盤過流面積處于最大開度，節(jié)流盤過流壓降很小，隔套中的壓力略大于節(jié)流盤壓力。由上可知，各部件壓力關(guān)系為：

p1>p2=p3>p4

(1)

式中：p1—活塞缸上腔壓力，Pa；

p2—活塞缸下腔壓力,Pa；

p3—隔套壓力，Pa；

p4—節(jié)流盤壓力，Pa。

下面分析上述壓力的作用面積：p1作用面積為活塞橫截面積，p2為活塞缸與活塞桿之間的環(huán)空橫截面積，p4為活塞桿橫截面積。其中，活塞橫截面積等于環(huán)空橫截面積與活塞桿面積之和。由此，可把活塞缸上腔壓力p1分為兩組。第一組與p2對應(yīng)，作用面積為環(huán)空橫截面積，該作用力F1方向向下，與活塞換向運動方向相同，為活塞換向動力。第二組與p4對應(yīng)，該作用力F2方向向下，與活塞換向運動方向相同，也是活塞換向的動力?；钊幱谏纤傈c，兩組作用力同時向下，是活塞與活塞桿換向的動力，因此射流式脈沖器上死點的換向不存在問題。

2.1.2 下死點換向分析

活塞與活塞桿運動到下死點時，活塞桿臺階面撞擊到缸蓋上端面(詳見圖2)，射流元件中的射流切換到上側(cè)輸出道(詳見圖2黃色流線)，高壓鉆井液經(jīng)過活塞缸外側(cè)的流道進入活塞缸下腔，低壓鉆井液從活塞缸上腔排出，活塞缸上腔排出的鉆井液再經(jīng)過另外的環(huán)形流道向下流動到隔套(該過程阻力很小可以忽略)，最后進入節(jié)流盤。此時，活塞桿末端完全位于節(jié)流盤中，節(jié)流盤過流面積處于最小開度，節(jié)流盤中產(chǎn)生很大的過流壓降，也就是說隔套壓力p3遠大于節(jié)流盤壓力p4。綜上流動過程可知，各個位置壓力關(guān)系為:

p2>p1=p3?p4

(2)

圖2 下死點示意圖

與上死點換向作用力分析相同，也可以把活塞缸上腔壓力壓差p1分為兩組。第一組與p2對應(yīng)，作用面積為環(huán)空橫截面積，第二組與p4對應(yīng)，作用面積為活塞桿橫截面積。由式(2)中p2與p1大小關(guān)系可知，第一組作用力F1方向向上，與活塞換向方向相同，是活塞下死點時換向的動力。第二組作用力F2方向向下，與活塞換向運動方向相反，是活塞下死點時換向的阻力。另外由于p3遠大于p4，第二組作用力非常大，當其大于第一組作用力時，也就是阻力大于動力時，活塞就會一直停在下死點位置，活塞無法往復(fù)運動，節(jié)流盤過流面積無法周期性改變，從而無法產(chǎn)生壓力波，射流式水力振蕩器失效。

2.2 射流式脈沖器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

本節(jié)針對活塞桿與節(jié)流盤結(jié)構(gòu)進行改進，重新進行上下死點的動力學(xué)分析，為射流式脈沖器換向結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2.2.1 活塞桿與節(jié)流盤優(yōu)化設(shè)計

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的重點在于活塞與活塞桿第二組作用力，在不改變射流式脈沖器主體結(jié)構(gòu)的同時，主要通過大幅降低下死點時節(jié)流盤過流壓降來實現(xiàn)。為此對活塞桿與節(jié)流盤進行了優(yōu)化設(shè)計：當活塞桿處于下死點位置時，節(jié)流盤的開度由原來的最小調(diào)整為最大(如圖3所示)，通過降低p3和p4之間的壓差，也就是p1和p4之間的壓差來大幅降低第二組作用力，也就是說大幅降低了換向的阻力，從而提高下死點換向的可靠性。

圖3 新型射流式脈沖短節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 下死點換向動力分析

改進后的下死點流動過程與原結(jié)構(gòu)相同，當活塞與活塞桿運動到下死點時(如圖3所示)，活塞桿臺階面撞擊到缸蓋上端面，射流元件中的射流切換到上側(cè)輸出道，高壓鉆井液進入活塞缸下腔，低壓鉆井液從活塞缸上腔排出，活塞缸上腔排出的鉆井液經(jīng)過活塞缸外側(cè)流道向下流動到隔套與節(jié)流盤。

與原結(jié)構(gòu)不同的是，此時的節(jié)流盤開度處于最大位置，隔套壓力p3略大于節(jié)流盤壓力p4。隔套壓力p3與活塞缸上腔壓力p1略大于p4，活塞與活塞桿的第二組作用力F2大幅減小，也就是說換向阻力大幅減小，甚至可以忽略。由于沒有改變射流元件、活塞缸、缸蓋、活塞以及隔套結(jié)構(gòu)，所以活塞缸上下腔第一組作用力F1作為動力完全不變，從而徹底消除了活塞下死點換向問題。

2.2.3 上死點換向動力分析

改進后的上死點流動過程與原結(jié)構(gòu)相同，活塞運動到活塞缸上死點位置時(如圖4所示)，調(diào)整錐桿撞擊到活塞腔上端面，射流元件中的射流切換到下側(cè)輸出道，高壓鉆井液流入活塞缸上腔，低壓鉆井液從活塞缸下腔排出，活塞缸下腔排出的鉆井液向下進入隔套，之后進入節(jié)流盤。

圖4 上死點受力示意圖

與原結(jié)構(gòu)不同的是，此時的節(jié)流盤開度處于最小位置，活塞缸上腔壓力p1與隔套壓力p3遠大于節(jié)流盤壓力p4，但由于第二組作用力F2方向與活塞運動方向相同，是換向動力，所以不僅沒有阻礙換向，反而增加了活塞在上死點位置的換向動力。同時第一組作用力作為動力F1完全不變。

綜上，新型射流式脈沖短節(jié)的設(shè)計優(yōu)點有：①保持原有機械結(jié)構(gòu)基本不變，將節(jié)流盤和活塞桿優(yōu)化設(shè)計，現(xiàn)場改造成本低，經(jīng)濟高效；②通過改進活塞桿與節(jié)流盤設(shè)計，大幅降低了活塞下死點換向阻力，解決了活塞桿在下死點的換向問題，提高了工具穩(wěn)定性。

3 地面試驗驗證

結(jié)合以上研究理論，針對射流式脈沖短節(jié)進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并進行樣機加工、裝配與試驗，以保證射流式脈沖短節(jié)工作可靠性及穩(wěn)定性，以達到利用脈沖壓力振動進行減摩降阻的目的。

3.1 地面試驗

地面試驗分別選取原結(jié)構(gòu)與新型射流式脈沖短節(jié)進行對比試驗。試驗過程中，射流式脈沖短節(jié)上設(shè)置1個壓力測點，連接1個壓力傳感器，采集上接頭入口處壓力。在4組工作排量下(6～12 L/s)，觀察記錄兩組工具工作情況。

3.2 結(jié)果與分析

本次地面試驗按試驗計劃全部完成，整理分析了兩組工具測點上的壓力數(shù)據(jù)，并記錄了工具工作情況，具體試驗結(jié)果見表1。

原射流式脈沖短節(jié)在6～8 L/s小排量下無法正常工作，10 L/s可以工作，但有時會卡頓，12 L/s下可以穩(wěn)定工作，但壓力波幅值都小于1 MPa，工具壓降在4 MPa以內(nèi)。試驗表明：小排量時，射流速度慢，導(dǎo)致射流動力小，節(jié)流盤阻力大，從而無法換向；當逐漸增大排量后射流動力增大，大于節(jié)流盤阻力，工具開始正常工作，但由于原節(jié)流盤處過流面積設(shè)計不合理，導(dǎo)致兩死點位置的壓力差較小，即壓力波幅值小，因此工具壓降基本消耗在了射流元件噴嘴處，產(chǎn)生的軸向沖擊力較小，振動效果差。

表1 地面試驗結(jié)果

新型射流式脈沖短節(jié)在6 L/s即可啟動工作，且穩(wěn)定換向，同時工具節(jié)流盤處脈沖幅值提高了1 MPa以上，工具壓降還保持在4 MPa以內(nèi)。試驗結(jié)果表明：下死點換向的阻力減小，在小排量下射流動力大于節(jié)流盤阻力，可推動活塞桿向上換向，同時優(yōu)化設(shè)計死點位置的節(jié)流盤處過流面積，使兩位置的壓力差較大，壓力波幅值增大，產(chǎn)生的軸向力增大，改善了工具振動效果，而且總工具壓降保持在4 MPa以內(nèi)，滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。

4 結(jié)論

(1)針對換向穩(wěn)定性問題，對活塞桿與節(jié)流盤結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化改進，通過調(diào)整節(jié)流盤的開度特征，大幅降低了活塞位于下死點時的換向阻力，提高了射流式脈沖器短節(jié)工作的穩(wěn)定性。

(2)通過地面試驗，驗證了新結(jié)構(gòu)工作的可靠性，降低了工具壓降，提高了壓力波幅值，為進一步提高射流式水力振蕩器性能奠定了良好基礎(chǔ)。