孟凡華，陳立強(qiáng)，張啟龍，趙克賢，劉禹銘，楊元超

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300459； 2.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459）

臨興區(qū)塊地層發(fā)育齊全，自上而下依次發(fā)育第四系黃土，三疊系延長(zhǎng)組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組，二疊系石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組、太原組，石炭系本溪組以及奧陶系馬家溝組[1-4]。隨著勘探開發(fā)的進(jìn)程，近年來多向大斜度井、水平井發(fā)展，以提高單井產(chǎn)量，但深井、大位移井及水平井在鉆井過程中面臨一系列突出難題，如摩阻大，托壓現(xiàn)象嚴(yán)重，軌跡控制難度大等[5-8]。在國(guó)外及國(guó)內(nèi)效益較好油田多采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，可有效解決上述難題，考慮本項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益較低，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具導(dǎo)致鉆井成本過高，因此多采用“常規(guī)馬達(dá)+水力振蕩器”的模式，水力振蕩器作為一種減摩降阻專用工具，能產(chǎn)生高頻率、小位移軸向振動(dòng)，將鉆桿與井壁的靜摩擦轉(zhuǎn)換為動(dòng)摩擦，減摩降阻效果明顯[9-12]。

水力振蕩器振動(dòng)的原理在于鉆井液通過過流面積以一定周期變化的中心孔后，使得鉆井液以相同頻率沖擊碟形彈簧組，進(jìn)而帶動(dòng)水力振蕩器振動(dòng)[13-15]。由此可知，碟簧參數(shù)的設(shè)計(jì)直接影響工具振動(dòng)力大小等參數(shù)，影響工具性能。因此，筆者基于對(duì)水力振蕩器內(nèi)部碟簧受力及振幅的分析，對(duì)碟簧的受力行程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以最大程度釋放碟簧的彈性勢(shì)能，從而提高水力振蕩器效率及壽命。

1 水力振蕩器特點(diǎn)與優(yōu)化

1.1 水力振蕩器原理

水力振蕩器將流經(jīng)鉆井液的液體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為鉆柱往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，水力振蕩器往復(fù)振動(dòng)帶動(dòng)相鄰鉆具實(shí)現(xiàn)同步軸向往復(fù)振動(dòng)，將鉆柱與井壁間的靜摩擦轉(zhuǎn)為動(dòng)摩擦，降低摩擦阻力，從而提高機(jī)械鉆速[16]。

水力振蕩器由振動(dòng)短節(jié)和動(dòng)力短節(jié)兩部分組成，振動(dòng)短節(jié)內(nèi)部含有片閥組，片閥主要由動(dòng)片閥與定片閥組成。當(dāng)鉆井液流經(jīng)動(dòng)力短節(jié)的螺桿時(shí)，驅(qū)動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺桿帶動(dòng)其下端連接的動(dòng)閥盤做平面往復(fù)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)片閥隨動(dòng)力短節(jié)轉(zhuǎn)子在定片閥表面，圍繞定片閥圓心做行星運(yùn)動(dòng)，由于動(dòng)片閥孔偏心開設(shè)，因此過流面積發(fā)生周期性變化，當(dāng)動(dòng)閥盤與定閥盤交錯(cuò)到最小重合位置時(shí)，過流面積達(dá)到最小值，此時(shí)壓降為最大值；當(dāng)動(dòng)閥盤與定閥盤交錯(cuò)到到最大重合位置時(shí)，過流面積達(dá)到最大值，此時(shí)壓降為最小值。當(dāng)過流面積發(fā)生周期性變化時(shí)，則產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，產(chǎn)生壓力脈沖。壓力脈沖又會(huì)反作用于軸向振動(dòng)短節(jié)的下部，使壓力升高，壓縮碟形彈簧組，推動(dòng)心軸向外伸出，存儲(chǔ)能量；當(dāng)壓力降低時(shí)，碟形彈簧恢復(fù)原狀，發(fā)生彈性形變，釋放出儲(chǔ)存在彈簧組內(nèi)部的能量，心軸回到原位置，產(chǎn)生沖擊，引起軸向振動(dòng)，將鉆具與井眼壁面之間的靜摩擦轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩擦，減少由摩擦造成的能量損失，起到了減少摩擦，降低扭矩的功能[17-21]。

1.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)與參數(shù)優(yōu)化

水力振蕩器振動(dòng)的根本在于壓力脈沖壓縮碟形彈簧組，碟簧周期性存儲(chǔ)釋放能量，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)，由此可見，碟簧參數(shù)的設(shè)計(jì)直接影響工具振動(dòng)力大小等參數(shù)，影響工具性能。

碟簧是通過金屬?gòu)椈刹牧霞庸ぶ瞥傻谋“鍙椈?，有體積小、減震能力強(qiáng)、承載能力大等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。水力振蕩器的主要受力零件是碟簧，隨壓力波的周期性變化，碟簧不停的進(jìn)行能量釋放與存儲(chǔ)，碟簧不停的進(jìn)行軸向往復(fù)振動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)工具高頻振動(dòng)。

圖1 碟簧結(jié)構(gòu)圖

重點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)碟簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以最大程度釋放碟簧的彈性勢(shì)能，從而提高水力振蕩器效率及壽命。目前關(guān)于碟簧受力的計(jì)算方法以Almen和Laszlo提出的近似計(jì)算法使用最為廣泛，該方法忽略碟簧徑向應(yīng)力、摩擦力等因素的影響，推導(dǎo)出單片碟簧受力與變形行程的關(guān)系式如下。

式中：F—受力載荷，N；

D—碟簧外徑，mm；

t—碟簧厚度，mm；

E—彈性模量，N·mm-2；

h0—碟簧最大變形量，mm；

f—單片碟簧變形行程，mm；

K—計(jì)算系數(shù)。

使用Ф121 mm水力振蕩器，設(shè)計(jì)A、B兩種碟簧類型，通過分析其行程受力情況，進(jìn)行碟簧類型優(yōu)選。碟簧腔外筒內(nèi)徑為96 mm，碟簧腔總長(zhǎng)600 mm，碟簧安裝方式為單片對(duì)合安裝。A型碟簧單片厚度11.3 mm，外徑95 mm，如使用A型碟簧，則需安裝54片，根據(jù)公式（1），計(jì)算得到A型碟簧受力行程圖，如圖2所示；B型碟簧單片厚度7.0 mm，外徑95 mm，如使用B型碟簧，則需安裝86片，根據(jù)公式（1），計(jì)算得到B型碟簧受力行程圖，如圖3所示。

圖2 A型碟簧受力行程圖

圖3 B型碟簧受力行程圖

在排量0.9 m3·min-1工況時(shí)，Ф121 mm水力振蕩器內(nèi)部產(chǎn)生軸向載荷約為50 000 N，根據(jù)A、B型兩種碟簧受力行程圖可知，A型碟簧受力50 000 N時(shí)，單片行程約0.2 mm，總行程約10.8 mm，符合水力振蕩器振幅要求。B型彈簧受力50 000 N時(shí)，單片行程大于2.5 mm，井下工具使用時(shí)，碟簧彈性勢(shì)能將不能完全釋放，降低工具效率，影響工具壽命。根據(jù)以上優(yōu)選分析結(jié)果，本項(xiàng)目選用A型碟簧，單片厚度11.3 mm，外徑95 mm。

1.3 加工測(cè)試

水力振蕩器加工參數(shù)如表1所示，Ф121 mm水力振蕩器本體鋼件選用與鉆鋌鋼級(jí)、材質(zhì)相同的材料，上接頭相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面采用硬鍍層技術(shù)，動(dòng)定片閥采用硬質(zhì)合金材料，密封材料采用耐磨密封組合。經(jīng)工具臺(tái)架試驗(yàn)表明：在排量900～1 900 LPM范圍內(nèi)，工具壓耗1.75～3.84 MPa，水力振蕩器頻率范圍16～20 Hz，水力振蕩器抗拉870 kN，抗扭32 kN·m。

表1 Ф121 mm水力振蕩器加工參數(shù)

同時(shí)對(duì)該工具進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)井測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)表明：Ф121 mm水力振蕩器下部懸掛5 t鉆具，在230～1 380 LPM排量范圍內(nèi)，泵壓0～2.1 MPa，最大振幅4 mm，如表2所示。

表2 Ф121 mm水力振蕩器實(shí)驗(yàn)井測(cè)試結(jié)果

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

2.1 井位基本情況

以臨興某區(qū)塊A井為例，設(shè)計(jì)井深2 449 m，該區(qū)塊自上而下依次發(fā)育第四系黃土，三疊系延長(zhǎng)組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組，二疊系石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組、太原組，石炭系本溪組以及奧陶系馬家溝組。本井主要目的層位于盒2段、盒4段，完鉆曾為位于馬家溝組，采用套管射孔方式完井。綜合考慮作業(yè)難度、安全余量、作業(yè)成本，采用兩開井身結(jié)構(gòu)，表層Ф311.15 mm鉆進(jìn)至219 m，下Ф244.5 mm套管固井，二開采用Ф215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)至完鉆井深2 449 m，下入Ф139.7 mm套管完井。

該井二開井段采用常規(guī)馬達(dá)鉆具組合，Φ215.9 mm Bit+Φ171.5 mm PDM+F/V+Φ212 mm STB+ Φ165.1 mm NMDC+MWD+Φ165.1 mm NMDC+ Φ165.1 mm DC×（3～9）+Φ127 mm HWDP+Φ127 mm DP，鉆進(jìn)至1 081.5～1 821.0 m時(shí)，大鉤載荷變化較大，底部鉆具組合托壓嚴(yán)重，導(dǎo)致鉆時(shí)增加，機(jī)械鉆速降低，大鉤在和變化情況如圖4所示。為此項(xiàng)目組決定起鉆具，采用水力振蕩器解決鉆壓傳遞及托壓?jiǎn)栴}。

2.2 應(yīng)用效果分析

該井二開井段采用常規(guī)馬達(dá)鉆具組合起鉆后，更換鉆具組合如下，Φ215.9 mm Bit+Φ171.5 mm PDM+F/V+Φ212 mm STB+Φ165.1 mm NMDC+MWD+ Φ165.1 mm NMDC+Φ165.1 mm DC×（3～9）+Φ127 mm HWDP+Ф121 mm水力振蕩器+Φ127 mm DP，工具應(yīng)用后，大鉤載荷變化平穩(wěn)，托壓得到解決，機(jī)械鉆速升高。

以本工具應(yīng)用的A和B井為例，A井1 801～1 841 m井段均屬于下石河子組，對(duì)比兩個(gè)井段鉆井速度和大鉤載荷，如表3和圖4、5所示。

表3 臨興區(qū)塊典型井提速效果分析

圖4 A井未使用水力振蕩器大鉤載荷變化

可明顯發(fā)現(xiàn)，未使用工具井段大鉤載荷變化較大，底部鉆具組合托壓嚴(yán)重，導(dǎo)致鉆時(shí)增加，機(jī)械鉆速降低。水力振蕩器工具下入后，大鉤載荷變化平穩(wěn)，托壓?jiǎn)栴}得到解決，機(jī)械鉆速由未使用水力振蕩器的8.24 m·h-1提高至17.0 m·h-1，提高了106.31%。由于井下鉆具組合托壓得到緩解，一定程度上減少了鉆頭對(duì)地層的軸向沖擊，從而起到保護(hù)鉆頭的作用。根據(jù)鉆頭出井效果來看，鉆頭輕微磨損，如圖6所示。

圖5 A井使用水力振蕩器大鉤載荷變化

圖6 鉆頭磨損情況實(shí)物圖

3 結(jié) 論

1）常規(guī)馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn)易產(chǎn)生托壓現(xiàn)象，嚴(yán)重制約現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率，水力振蕩器可有效解決該難題，應(yīng)用結(jié)果表明，大鉤載荷變化平穩(wěn)，托壓得到解決，減少鉆頭對(duì)地層的軸向沖擊，鉆頭輕微磨損，機(jī)械鉆速提高36%～106%。

2）針對(duì)水力振蕩器碟簧參數(shù)開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的碟簧彈性勢(shì)能可有效釋放，大大提高了水力振蕩器效率及壽命，加工測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明工具性能良好。該自主化工具在臨興區(qū)塊首次應(yīng)用并取得良好效果，大大縮短了鉆井周期，提速效果和經(jīng)濟(jì)效益顯著，為產(chǎn)品推廣應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。