查春青 劉 偉 陳 杰 董志偉 王寧華 尹傳忠

(1.北京工業(yè)大學 2.中國石油集團工程技術研究院有限公司 3.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司)

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，石油資源的需求量也日益增加[1]。我國油氣井工程的勘探朝著深井、超深井發(fā)展，隨著井深的增加，所遇到的硬質地層增多，井身結構更加復雜，這導致鉆井成本大大增加[2]。在深井鉆井過程中，鉆頭破碎巖石所需的動力由地面動力系統(tǒng)提供，動力系統(tǒng)提供的扭矩通過鉆桿傳遞到鉆頭處，由于井深過大，扭矩在傳遞過程中存在傳輸和利用效率低下以及鉆頭機械鉆速低等問題[3－5]。此外，在鉆井過程中由于硬質地層增多，鉆頭容易出現(xiàn)黏滑振動[6]。黏滑振動是指在鉆井過程中，當鉆桿提供的扭矩無法使鉆頭破碎巖石時，鉆頭的轉動被迫停止，但鉆桿依舊在積蓄扭矩能量，鉆桿處于扭曲狀態(tài)，當鉆桿積蓄到足夠的能量并突然釋放后，鉆頭瞬時鉆速高于鉆桿的轉速，從而加劇鉆頭的磨損[7]。

為了解決以上問題，專家和學者提出的方法有扭力沖擊鉆井技術和水力脈沖空化射流技術，并研制了扭力沖擊器和水力脈沖空化射流發(fā)生器[8－9]。扭力沖擊器可以減少硬地層中鉆頭黏滑振動現(xiàn)象，水力脈沖空化射流發(fā)生器可以提高井底能量利用率，進而提高破巖效率。國內外對扭力沖擊器的研制主要有:加拿大聯(lián)合金剛石公司和美國阿特拉公司合作研制了一種名為TorkBuster 的扭力沖擊器，其沖擊頻次可以達到750～1 500 min－1[10]；西南石油大學研制了一種低幅高頻扭轉沖擊發(fā)生器[11]。國內外對水力脈沖空化射流發(fā)生器的研制主要有:美國Tempress 公司研發(fā)了一種Hydropulse 負壓脈沖鉆井工具，該工具能夠起到輔助鉆頭破巖及清巖的作用[12]。李瑋等[13]基于水力脈沖與旋轉沖擊鉆井技術，設計了一種新型脈沖式振動破巖工具，從理論上證明了脈沖式振動破巖工具的可行性。

扭力沖擊器的工作原理是在鉆進過程中給予鉆頭一個高頻扭轉往復沖擊力。該工具可以提高PDC鉆頭剪切巖層效率，提高機械鉆速，減少鉆頭黏滑振動[14]。其缺點有:①僅能與PDC 鉆頭配合，不適用于牙輪鉆頭；②無法提高PDC 鉆頭在超塑性地層中的破巖效率[15]。水力脈沖空化射流發(fā)生器機理是鉆井液通過葉輪時，帶動葉輪高速旋轉，同時不斷改變葉輪與葉輪座之間的流道面積，從而將常規(guī)連續(xù)流動調制成脈沖射流，改善井底巖石的受力狀態(tài)[16－17]。其缺點是只能激發(fā)高頻率、低振幅的振蕩脈沖，這種脈沖射流能量較低，清巖及破巖效果不穩(wěn)定[18]。

本文基于扭力沖擊鉆井技術和脈沖射流技術，提出雙向耦合沖擊提速方法，研制了雙向耦合沖擊鉆具。該工具集兩種技術優(yōu)勢于一體并避免了兩者的不足，可以提高井底能量利用率和破巖效率，減少鉆頭黏滑振動，降低鉆井成本。雙向耦合沖擊鉆具的長度較短，能配合井下動力鉆具使用，且適用范圍較廣。

1 雙向耦合沖擊鉆具設計

1.1 結構

雙向耦合沖擊鉆具主要包括扭力沖擊結構和脈沖射流結構，工具結構示意圖如圖1 所示。該工具安裝在鉆頭上部，以鉆井液為驅動介質，同時產(chǎn)生高頻低幅的扭轉沖擊以及脈沖射流。其中扭轉沖擊由擺錘的周向往復轉動來實現(xiàn)，用于改善鉆頭處的切削狀態(tài)，使得鉆頭切削更加穩(wěn)定；脈沖射流主要通過葉輪轉動帶動鉆井液，從而將常規(guī)流動調制成脈沖射流，改善井底流場，輔助鉆頭清巖和破巖。

圖1 雙向耦合沖擊鉆具結構示意圖Fig.1 Schematic structure of the bidirectional coupling percussion drilling tool

雙向耦合沖擊鉆具將扭力沖擊鉆井技術和水力脈沖空化射流技術結合在一起。首先，從扭力沖擊結構和脈沖射流結構的破巖機理分析得出，兩種結構都能夠降低巖石的破碎強度；其次，脈沖射流結構產(chǎn)生的壓力脈動作用在鉆頭上，相當于給鉆頭施加了一個周期性的軸向沖擊載荷；最后，兩種結構的破巖效果能夠相互疊加，且工作時互不干擾，能夠很好地結合在一起，有效降低鉆頭黏滑振動，提高破巖效率。

1.2 工作原理

高壓鉆井液從工具上端流入工具內部，過濾網(wǎng)的分流作用會導致一部分流體流入換向高壓流道，另一部鉆井液沿著中心流道繼續(xù)向下流動。流體經(jīng)過噴嘴時，由于噴嘴處出現(xiàn)截面積突變，產(chǎn)生壓降，一部分高壓流體直接從工具內部的噴嘴流出，而另一部分高壓流體流入擺錘與沖擊筒形成的腔體內。高壓流體驅動擺錘做反復扭轉沖擊，將部分流體能量轉換成高頻率、周向扭轉、沖擊型的機械能量，并通過沖擊筒底端的六方結構傳遞給鉆頭。

從噴嘴上端流出的鉆井液經(jīng)過導流體斜坡口時會改變速度大小與方向，促使葉輪高速旋轉，葉輪在高速旋轉過程中高頻改變鉆井液通過葉輪與葉輪座之間流道的面積，從而改變鉆井液的壓力與速度，進而產(chǎn)生脈沖擾動。該脈沖擾動相對于振蕩腔體為外部激勵源，當鉆井液經(jīng)過葉輪座流經(jīng)脈動射流結構下端的振蕩腔體的出口時，由于出口直徑較小，部分鉆井液又返回振蕩腔體內部，使振蕩腔體出口射流變成渦環(huán)流，從而誘發(fā)空化的發(fā)生，將進入鉆頭的常規(guī)連續(xù)流動調制成脈沖空化射流，進而改善井底流場。

雙向耦合沖擊鉆具可調制出高能、多幅值的脈沖射流，使鉆井液的清巖和破巖能力最大化。當扭沖結構中擺錘和沖擊筒相撞時，有更多的鉆井液進入脈沖結構，工具產(chǎn)生高能射流；當擺錘沒有與沖擊筒相撞時，有較少鉆井液進入脈沖結構，工具產(chǎn)生低能射流。擺錘往復扭轉沖擊，就能調制出“低能－高能”的脈沖射流，在井底產(chǎn)生不穩(wěn)定流場，減少鉆頭黏滑振動，進一步強化水力能量輔助清巖和破巖的作用效果，加快鉆井速度，降低鉆井成本。

1.3 主要技術參數(shù)

總長度:847 mm；

最大外徑:180 mm；

工作鉆壓:30～120 kN；

排量:20～40 L/s；

壓降:0.6～2.0 MPa；

扭轉沖擊頻率:22～42 Hz；

扭轉沖擊幅值:530～980 N·m；

脈沖射流頻率:80～110 Hz；

適應井下溫度:200 ℃。

2 雙向耦合沖擊鉆具脈沖射流結構流場規(guī)律分析

2.1 模型建立與動網(wǎng)格設置

2.1.1 二維流場模型

由于水力脈沖空化射流結構流場比較復雜，為了研究其各因素的影響規(guī)律及工作特性，采用數(shù)值模擬方法系統(tǒng)性地研究工具內部流場的分布，探究脈沖射流結構流場內壓力的變化規(guī)律。脈沖射流結構二維流場模型如圖2 所示。

圖2 脈沖射流結構二維流場模型Fig.2 Two-dimensional flow field model of the pulse jet structure

邊界條件:模型左端壁面設為入口，入口為速度(排量) 恒定；右端壁面設為出口，出口為流動邊界；葉輪邊界設為旋轉壁面，并在周圍建立邊界interface，interface 為靜止域和旋轉域之間的交界面；其余壁面設為固定界面。

2.1.2 動網(wǎng)格設置

本次動網(wǎng)格模型選擇彈簧光順模型(Smoothing)和局部網(wǎng)格重構模型(Remeshing)，網(wǎng)格選擇勾選六自由度(Six DOF)，動網(wǎng)格設置如圖3 所示。

圖3 動網(wǎng)格設置Fig.3 Dynamic grid options

2.2 計算結果分析

下面以葉輪葉片數(shù)6、葉輪直徑25 mm、振蕩腔體流道直徑42 mm、排量30 L/s 為例，對脈沖結構內部流場穩(wěn)定后葉輪旋轉1 圈時間內的壓力變化規(guī)律進行分析，不同時刻結構內部流場壓力分布如圖4 所示。

近年來，“好教育”的推進使得廣州教育的面貌發(fā)生了巨大轉變?！笆濉睍r期，廣州市順利完成了“十二五”規(guī)劃主要目標任務，廣州好教育格局基本形成，市民群眾對教育的獲得感不斷增強。《全國15個副省級城市教育現(xiàn)代化監(jiān)測評價與比較研究報告（2015）》顯示，4個教育現(xiàn)代化一級監(jiān)測指標中，廣州綜合排名位居前列，其中教育普及發(fā)展第二、教育條件保障第二、教育質量要素第四。

圖4 不同時刻結構內部流場壓力分布云圖Fig.4 Cloud chart of flow field pressure distribution in the structure at different times

由圖4 可得:葉輪每轉用時約為0.054 s，設定的迭代時間步長為0.001 s；隨著葉輪旋轉，葉片與葉輪座之間的過道面積在不斷變化，葉輪左側區(qū)域的壓力也在不斷變化；當過道面積最小時(如圖4a 和圖4b 所示)，葉輪左側區(qū)域的壓力最大，為9.207 MPa；當過道面積最大時(如圖4c所示)，葉輪左側區(qū)域的壓力最小，為5.030 MPa；圖4d～圖4j 為過道面積處于最小值與最大值之間，葉輪左側區(qū)域的壓力也處于5.030～9.207 MPa 之間。低壓區(qū)在振蕩噴嘴的出口段不斷變化，從積累到逐漸消失，然后又逐漸積累，即葉輪在旋轉過程中，會將左側常規(guī)流動流體調制成脈動射流，進而引發(fā)脈動壓力。該壓力首先作用在振蕩腔體上，進而作用在鉆頭上，最后達到該結構設計的預期效果。

3 雙向耦合沖擊鉆具脈沖射流結構脈動特性分析

葉輪與振蕩腔體是脈沖射流結構中的關鍵結構，其結構參數(shù)對脈動特性的影響至關重要?，F(xiàn)制定如下3 種方案對脈動特性進行分析:①改變葉輪葉片數(shù)；②改變葉輪直徑；③改變振蕩腔體中心流道直徑。

3.1 葉輪葉片數(shù)對脈動特性的影響分析

壓力脈動幅值是指周期性脈動壓力的最大值與最小值之間的差值。在葉輪直徑為25 mm、振蕩腔體中心流道直徑為42 mm、排量30～34 L/s 條件下，分析3 種不同葉片數(shù)對脈沖射流結構脈動特性的影響。不同葉輪葉片數(shù)脈沖射流結構入口壓力脈動幅值隨排量的變化規(guī)律如圖5 所示。

圖5 中，pin為入口壓力脈動幅值，Q為流體排量。由圖5 可以看出:各葉片數(shù)脈沖結構的入口壓力脈動幅值均隨著排量呈線性增大；在相同的排量下，隨著葉片數(shù)量的增多，入口壓力脈動幅值減?。慌帕繛?4 L/s 時，3 葉片葉輪入口壓力脈動幅值為8.36 MPa；4 葉片葉輪入口壓力脈動幅值為7.59 MPa，6 葉片葉輪入口壓力脈動幅值為5.51 MPa。由于3 葉片和6 葉片是幾何倍數(shù)關系，所以圖5 中3葉片和4 葉片所代表的兩條線斜率幾乎相同。

圖5 不同葉輪葉片數(shù)脈沖射流結構入口壓力脈動幅值隨排量的變化規(guī)律Fig.5 Change law of inlet pressure pulsation amplitude of the pulse jet structure with different impeller blade numbers with displacement

不同葉輪葉片數(shù)脈沖射流結構出口壓力脈動幅值隨排量的變化規(guī)律如圖6 所示。

圖6 中，pout為出口壓力脈動幅值。由圖6 可得:各葉片數(shù)脈沖結構的出口壓力脈動幅值均隨著排量呈線性增大；在相同的排量下，隨著葉片數(shù)量的增多，出口壓力脈動幅值減小。這是因為入口排量的增大會導致入口壓力增大，同時鉆井液的流速增大，脈沖結構內部的摩擦阻力增大，但脈沖結構摩阻增大的幅度小于脈沖結構入口壓力的增大幅度，所以出口壓力脈動幅值隨著排量的增大而呈現(xiàn)出線性增大的趨勢。3 葉片葉輪出口壓力脈動幅值最大，表明3 葉片與振蕩腔體腔室的脈沖壓力耦合效果較好，且脈沖結構內部水頭損耗較小。

圖6 不同葉輪葉片數(shù)脈沖射流結構出口壓力脈動幅值隨排量的變化規(guī)律Fig.6 Change law of outlet pressure pulsation amplitude of the pulse jet structure with different impeller blade numbers with displacement

從圖6 還可以看出，排量為34 L/s 時，3 葉片葉輪出口壓力脈動幅值為0.524 MPa，4 葉片葉輪出口壓力脈動幅值為0.416 MPa，6 葉片葉輪出口壓力脈動幅值0.314 MPa。

圖7 不同葉片數(shù)對脈沖射流結構壓降的影響Fig.7 Effect of different blade numbers on pressure drop of the pulse jet structure

由圖7 可得，各葉片數(shù)脈沖射流結構的壓降隨著排量的增加而增加，增長趨勢為冪次方增長。通過數(shù)據(jù)擬合，3 葉片葉輪脈沖射流結構壓降p 與排量Q的關系為:p＝1.208×10－4Q3.16。從圖7 還可以看出，改變葉輪葉片的數(shù)量對脈沖射流結構壓降的影響不大。

3.2 葉輪直徑對脈動特性的影響分析

在葉輪葉片數(shù)為6、振蕩腔體中心流道直徑為42 mm、排量為30～34 L/s 條件下，分析3 種不同直徑葉輪對脈沖射流結構脈動特性的影響。不同直徑葉輪脈沖射流結構出口壓力脈動幅值隨排量的變化規(guī)律如圖8 所示。

圖8 不同直徑葉輪脈沖射流結構出口壓力脈動幅值隨排量的變化規(guī)律Fig.8 Change law of outlet pressure pulsation amplitude of the pulse jet structure with different impeller diameters with displacement

由圖8 可以看出:各直徑葉輪脈沖射流結構的出口壓力脈動幅值均隨著排量呈線性增大；在相同的排量下，隨著葉輪直徑增大，出口壓力脈動幅值增大；排量為34 L/s 時，?21 mm 葉輪出口壓力脈動幅值為0.276 MPa；?23 mm 葉輪出口壓力脈動幅值為0.296 MPa；?25 mm 葉輪出口壓力脈動幅值為0.314 MPa。隨著葉輪直徑的增大，流體對葉輪的切向力增大，葉輪轉速隨之增大，葉輪對下游的擾動增強，導致出口壓力脈動幅值增大。

不同直徑葉輪對脈沖射流結構壓降的影響如圖9 所示。

圖9 不同直徑葉輪對脈沖射流結構壓降的影響Fig.9 Effect of different impeller diameters on pressure drop of the pulse jet structure

不同直徑葉輪脈沖射流結構壓降隨著排量的增加而增大，增長趨勢為冪次方增長。由圖9 數(shù)據(jù)擬合，當葉輪直徑為21 mm 時，脈沖射流結構壓降與排量的關系為p＝1.009×10－10Q6.953；當葉輪直徑為23 mm 時，脈沖射流結構壓降與排量的關系為p＝2.902×10－7Q4.778；當葉輪直徑為25 mm 時，脈沖射流結構壓降與排量的關系為p＝5.994×10－5Q3.364。從圖9 還可以看出，相同流量下，隨著葉輪直徑的增大，壓降增大。

3.3 振蕩腔體中心流道直徑對脈動特性的影響分析

在葉輪葉片數(shù)為6、葉輪直徑為25 mm、排量為30～34 L/s 條件下，分析3 種不同振蕩腔體中心流道直徑對脈沖射流結構脈動特性的影響。不同流道直徑脈沖射流結構出口壓力脈動幅值隨排量的變化規(guī)律如圖10 所示。

由圖10 可以看出:各流道直徑脈沖射流結構的出口壓力脈動幅值均隨著排量呈線性增大；在相同的排量下，隨著流道直徑增大，出口壓力脈動幅值減??；當排量為34 L/s 時，?30 mm 中心流道出口壓力脈動幅值為0.619 MPa；?36 mm 中心流道出口壓力脈動幅值為0.518 MPa；?42 mm 中心流道出口壓力脈動幅值為0.314 MPa。這是因為流道直徑增大，流體流出面積增大，導致出口壓力脈動幅值減小。

圖10 不同流道直徑脈沖射流結構出口壓力脈動幅值隨排量的變化規(guī)律Fig.10 Change law of outlet pressure pulsation amplitude of the pulse jet structures with different flow channel diameters with displacement

不同流道直徑對脈沖射流結構壓降的影響如圖11 所示。

圖11 不同流道直徑對脈沖射流結構壓降的影響Fig.11 Effect of different flow channel diameters on pressure drop of the pulse jet structure

從圖11 可以看出，不同流道直徑脈沖射流結構的壓降隨著排量的增加而增加，增長趨勢為冪次方增長。通過圖11 數(shù)據(jù)擬合，當中心流道直徑為30 mm 時，脈沖射流結構壓降與排量的關系為p＝5.488×10－4Q2.792；當中心流道直徑為36 mm 時，脈沖射流結構壓降與排量的關系為p＝1.811×10－4Q3.076；當中心流道直徑為42 mm 時，脈沖射流結構壓降與排量的關系為p＝5.994×10－5Q3.364。從圖11 還可以看出，相同流量下，隨著中心流道直徑的增大，壓降減小。

4 結論

(1) 提出了雙向耦合沖擊鉆井提速方法，研制了雙向耦合沖擊鉆具，該工具可以提高井底能量利用率和鉆井效率，減少鉆頭黏滑振動，降低鉆井成本，與此同時該工具的長度較小，提高了其對各類井的適應性。

(2) 研究了脈沖射流結構的脈動特性，研究結果表明，脈沖射流結構入口和出口壓力脈動幅值隨著排量的增大而呈線性增大，壓降隨著排量增大而呈冪次方增長。

(3) 隨著葉輪葉片數(shù)量的增加，入口和出口壓力脈動幅值均減小，但對壓降的影響不大；隨著葉輪直徑的增大，出口壓力脈動幅值和壓降均增大；隨著振蕩腔體中心流道直徑的增大，出口壓力脈動幅值和壓降均減小。