汪 偉 柳貢慧, 李 軍 查春青 陳 添

(1.北京工業(yè)大學(xué) 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院 3.中國(guó)石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)石油學(xué)院)

0 引 言

隨著非常規(guī)油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)，水平井和大位移井的比例越來(lái)越高，以提高目標(biāo)地層的開(kāi)采效率[1-2]。然而，在水平井和大位移井鉆進(jìn)過(guò)程中，由于井筒與井壁之間的接觸面積不斷增大，鉆柱的摩擦阻力顯著增大，易形成托壓現(xiàn)象，嚴(yán)重限制了機(jī)械鉆速的提升[3]。為了解決鉆柱摩阻大的問(wèn)題，常采用加裝振動(dòng)減摩工具、在鉆井液中添加潤(rùn)滑劑以及優(yōu)化井眼軌跡等技術(shù)[4-5]。水力振蕩器是一種能夠帶動(dòng)井下鉆柱產(chǎn)生周期性軸向振動(dòng)的機(jī)械裝置，用于改善鉆柱與井壁或套管間的摩擦條件，以提高鉆進(jìn)效率[6-9]。該工具已成為世界上最受歡迎的振動(dòng)式減摩減阻工具之一，并得到了廣泛應(yīng)用與研究[10-14]。目前，國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)提出了不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的水力振蕩器，具體可分為螺桿驅(qū)動(dòng)式[6]、葉片驅(qū)動(dòng)式[15]和渦輪驅(qū)動(dòng)式[16-17]。雖然螺桿等類(lèi)型的水力振蕩器能有效提高鉆井效率，但也存在節(jié)流閥盤(pán)易磨損和壓耗偏大等問(wèn)題，需要進(jìn)一步改善。為此，筆者提出閥式水力振蕩器，在工具結(jié)構(gòu)與工作原理分析的基礎(chǔ)上，建立控制閥的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，分析控制閥的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，研究了工具性能參數(shù)的變化規(guī)律，以期為閥式水力振蕩器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供借鑒。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

閥式水力振蕩器主要由振蕩短節(jié)和閥式控制短節(jié)兩部分組成，如圖1所示。其中，振蕩短節(jié)主要包括振蕩心軸、傳動(dòng)短節(jié)、碟簧組和承壓活塞；閥式控制短節(jié)主要包括啟動(dòng)閥、啟動(dòng)閥調(diào)節(jié)彈簧、動(dòng)閥和動(dòng)閥復(fù)位彈簧等。

1—振蕩心軸；2—傳動(dòng)短節(jié)；3—碟簧組；4—承壓活塞；5—連接短節(jié)；6—啟動(dòng)閥；7—啟動(dòng)閥調(diào)節(jié)彈簧；8—啟動(dòng)閥堵頭；9—?jiǎng)娱y；10—?jiǎng)娱y復(fù)位彈簧；11—下接頭。圖1 閥式水力振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of valve-type hydraulic oscillator

1.2 工作原理

在鉆井過(guò)程中，振蕩短節(jié)上端接頭連接上部鉆柱，閥式控制短節(jié)下端接頭與下部鉆柱相連。工具工作過(guò)程中，鉆井液經(jīng)工具、鉆頭流入井眼環(huán)空。啟動(dòng)閥在內(nèi)外壓差力的作用下運(yùn)動(dòng)至設(shè)定位置，啟動(dòng)閥堵頭與動(dòng)閥側(cè)壁節(jié)流孔重合，動(dòng)閥節(jié)流孔高度達(dá)到最小值，流道過(guò)流面積減小，在動(dòng)閥上下兩端面形成壓差。動(dòng)閥在壓差力的推動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)，節(jié)流孔過(guò)流面積逐漸增大。當(dāng)動(dòng)閥向下運(yùn)動(dòng)至極限位置后，動(dòng)閥在復(fù)位彈簧彈性力的作用下開(kāi)始上行復(fù)位，節(jié)流孔過(guò)流面積逐漸減小。動(dòng)閥沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使節(jié)流孔過(guò)流面積周期性改變，從而在振蕩短節(jié)承壓活塞端面產(chǎn)生周期性波動(dòng)壓力。當(dāng)波動(dòng)壓力增大時(shí)，鉆井液壓力推動(dòng)承壓活塞和振蕩心軸壓縮碟簧組，心軸伸出；當(dāng)壓力減小時(shí)，在碟簧組彈性力作用下，心軸復(fù)位。在周期性波動(dòng)壓力推動(dòng)下，振蕩心軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使鉆柱產(chǎn)生周期性軸向振動(dòng)，減小工具與井壁間的摩擦，減輕托壓現(xiàn)象，達(dá)到提高鉆井效率的目的。

1.3 特點(diǎn)與主要技術(shù)參數(shù)

閥式水力振蕩器為全金屬結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的耐腐蝕和耐高溫性能。在高壓流體壓差力和復(fù)位彈簧的彈性力作用下，動(dòng)閥沿軸線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，減輕了控制閥的磨損，從而延長(zhǎng)工具使用壽命。此外，閥式控制短節(jié)工作過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生額外的壓耗，能夠有效提高鉆井液能量的利用效率。其振動(dòng)性能參數(shù)可根據(jù)所鉆井段鉆井參數(shù)和地層特性，通過(guò)改變排量與動(dòng)閥復(fù)位彈簧剛度來(lái)調(diào)節(jié)。

工具主要技術(shù)參數(shù)為：工具外徑127 mm，總長(zhǎng)2 166 mm，工作排量15～20 L/s。

2 控制閥運(yùn)動(dòng)分析

2.1 啟動(dòng)排量分析

在初始狀態(tài)下，啟動(dòng)閥堵頭未遮擋動(dòng)閥側(cè)壁上的節(jié)流孔時(shí)，節(jié)流孔過(guò)流面積最大。在動(dòng)閥上下端面形成的壓差力不足以推動(dòng)動(dòng)閥向下運(yùn)動(dòng)。在鉆井過(guò)程通入鉆井液狀態(tài)下，啟動(dòng)閥承壓端面上端受管柱內(nèi)流體高壓p1作用，啟動(dòng)閥階梯承壓下端面分別承受管柱內(nèi)流體低壓p2作用和p3作用，以及管柱外井眼環(huán)空低壓p4作用，如圖2所示。當(dāng)啟動(dòng)閥在壓差力的作用下能夠運(yùn)動(dòng)至設(shè)定極限位置時(shí)，啟動(dòng)閥堵頭下端與動(dòng)閥側(cè)壁節(jié)流孔重合，使得節(jié)流孔打開(kāi)高度達(dá)到最小值。動(dòng)閥上下端面形成的壓差力使動(dòng)閥沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，周期性改變節(jié)流孔過(guò)流面積，工具開(kāi)始工作。

圖2 啟動(dòng)閥工作過(guò)程中受力示意圖Fig.2 Force diagram of starting valve in working process

若要工具正常工作，需滿(mǎn)足鉆井液對(duì)啟動(dòng)閥產(chǎn)生的推力能夠克服調(diào)節(jié)彈簧的推力和摩擦阻力，推動(dòng)啟動(dòng)閥下行至設(shè)定位置，即：

(p1-p4)Aq1+(p1-p2)Aq2+(p1-p3)Aq3=

k1xq-μmrg

(1)

式中：Aq1、Aq2及Aq3為啟動(dòng)閥階梯承壓面面積，mm2；k1為啟動(dòng)閥調(diào)節(jié)彈簧剛度系數(shù)，kN/m；xq為啟動(dòng)閥工作行程，mm；mr為啟動(dòng)閥質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2;μ為摩擦因數(shù)，一般取0.1～0.3。

由流道串聯(lián)關(guān)系分析可知：

p1-p2=Δpr

(2)

p1-p3=Δpr+Δpp0

(3)

p1-p4=Δpr+Δpp0+Δpb

(4)

鉆井液流經(jīng)啟動(dòng)閥過(guò)流孔產(chǎn)生的壓降Δpr為：

(5)

式中：Q為鉆井泵排量，L/s；ρ為鉆井液密度，kg/m3；nr為過(guò)流孔個(gè)數(shù)；wr為過(guò)流孔寬度，m；hr為過(guò)流孔高度，m；ξr為過(guò)流孔壓力損耗系數(shù)，一般取0.8～1.1。

鉆井液流經(jīng)動(dòng)閥側(cè)壁節(jié)流孔產(chǎn)生的壓降Δp0為：

(6)

式中：np為節(jié)流孔個(gè)數(shù)；wp為節(jié)流孔寬度，m；hp為節(jié)流孔高度，m；ξp為節(jié)流孔壓力損耗系數(shù)。

鉆頭噴嘴產(chǎn)生的壓降Δpb為：

(7)

式中：db為鉆頭噴嘴當(dāng)量直徑，m；cb為鉆頭噴嘴流量系數(shù)，與噴嘴的阻力系數(shù)有關(guān)。

聯(lián)立式(1)～式(7)，根據(jù)工具結(jié)構(gòu)參數(shù)可以得到工具的啟動(dòng)排量為：

(8)

2.2 動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)方程

圖3為動(dòng)閥下行過(guò)程中受力示意圖。在動(dòng)閥穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)鉆井液流經(jīng)動(dòng)閥上端節(jié)流孔時(shí)產(chǎn)生一壓降，動(dòng)閥上端面受高壓流體壓力p2作用，下端面受低壓流體壓力p3作用，對(duì)動(dòng)閥產(chǎn)生一向下的推力Ft，即有：

圖3 動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受力示意圖Fig.3 Force diagram of moving valve during movement

Ft=(p2-p3)Ad1=ΔppAd1

(9)

式中：Δpp為動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)過(guò)程中節(jié)流孔處產(chǎn)生的壓降，Pa；Ad1為動(dòng)閥承壓面積，m2。

在動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，鉆井液流經(jīng)節(jié)流孔產(chǎn)生的壓降為：

(10)

式中：h0為啟動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)至設(shè)定位置后動(dòng)閥節(jié)流孔的最小節(jié)流高度，m；x為動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)位移，m。

動(dòng)閥在鉆井液中運(yùn)動(dòng)過(guò)程中還受到流體繞流阻力作用，流體阻力Fd為：

(11)

式中：cd為與物體形狀有關(guān)的阻力系數(shù)，本文取1.0[18]；Ad2為動(dòng)閥垂直于運(yùn)動(dòng)方向的投影面積，m2；v為動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)速度，m/s。

此外，動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)過(guò)程中還受到復(fù)位彈簧產(chǎn)生的推力Fk。

Fk=k2x

(12)

式中：k2為動(dòng)閥復(fù)位彈簧剛度，kN/m。

在水平工況下，動(dòng)閥與外殼體間的摩擦阻力Ff為：

Ff=μmdg

(13)

式中：md為動(dòng)閥質(zhì)量，kg。

綜上，動(dòng)閥在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受鉆井液壓差力、復(fù)位彈簧推力、鉆井液阻力以及摩擦阻力作用，于是動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：sign(x)為符號(hào)函數(shù)，當(dāng)x>0時(shí)，sign(x)=1；當(dāng)x=0時(shí)，sign(x)=0；當(dāng)x<0時(shí)，sign(x)=-1。

2.3 實(shí)例分析

基于水力振蕩器結(jié)構(gòu)和工作原理，選取某規(guī)格水力振蕩器，通過(guò)算例計(jì)算研究動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)，分析波動(dòng)壓力和工作頻率等關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律。計(jì)算參數(shù)為：鉆井液排量15 L/s，密度1.2 g/cm3；啟動(dòng)閥質(zhì)量15 kg，啟動(dòng)閥階梯承壓面外徑分別為103、75及40 mm；動(dòng)閥質(zhì)量10 kg，承壓面內(nèi)徑40 mm，外徑50 mm，動(dòng)閥復(fù)位彈簧剛度20 kN/m，初始預(yù)壓縮量為20 mm，動(dòng)閥上端4個(gè)節(jié)流孔寬度均為10 mm，高度為30 mm；啟動(dòng)閥下行運(yùn)動(dòng)至設(shè)定位置后節(jié)流孔高度為4 mm。

圖4為1個(gè)周期內(nèi)工具啟動(dòng)排量隨啟動(dòng)閥調(diào)節(jié)彈簧剛度的變化曲線(xiàn)。

圖4 工具啟動(dòng)排量隨調(diào)節(jié)彈簧剛度變化曲線(xiàn)Fig.4 Variation of the starting displacement of hydraulic oscillator with the stiffness of adjusting spring

從圖4可以看出,工具的啟動(dòng)排量隨調(diào)節(jié)彈簧剛度的增加而增大。選擇合適剛度的調(diào)節(jié)彈簧，通過(guò)控制起下鉆過(guò)程中鉆井液排量使工具停止工作，能夠有效保證工具用于純鉆進(jìn)時(shí)間，延長(zhǎng)使用壽命。

圖5為1個(gè)周期內(nèi)動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)過(guò)程中加速度和速度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。圖6為1個(gè)周期內(nèi)動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)位移和節(jié)流孔壓降隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。

圖5 動(dòng)閥加速度和速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.5 Variations of acceleration and velocity of moving valve with time

圖6 動(dòng)閥位移和節(jié)流孔壓降隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.6 Variation of moving valve displacement and throttle orifice pressure drop with time

從圖5可以看出，動(dòng)閥1個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可分為兩個(gè)階段，第Ⅰ階段為動(dòng)閥下行運(yùn)動(dòng)階段，第Ⅱ階段為動(dòng)閥復(fù)位運(yùn)動(dòng)階段。在第Ⅰ階段，動(dòng)閥先做加速度不斷減小的加速運(yùn)動(dòng)，后做減速運(yùn)動(dòng)直至速度為0。這是因?yàn)樵趧?dòng)閥逐漸向下運(yùn)動(dòng)中，動(dòng)閥上端節(jié)流孔與啟動(dòng)閥重合高度逐漸減小，過(guò)流面積逐漸增大，流經(jīng)節(jié)流孔產(chǎn)生的壓降不斷減小，動(dòng)閥所受壓差推力也逐漸減小，而復(fù)位彈簧推力和鉆井液阻力逐漸增大，動(dòng)閥加速度不斷減小。當(dāng)動(dòng)閥所受壓差推力小于復(fù)位彈簧推力與阻力之和，動(dòng)閥加速度變?yōu)樨?fù)值。在第Ⅰ階段末，動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)最大位移達(dá)到10.62 mm，此時(shí)動(dòng)閥上端節(jié)流孔過(guò)流面積最大，產(chǎn)生的壓降最小，隨后動(dòng)閥開(kāi)始第Ⅱ階段的反向復(fù)位運(yùn)動(dòng)。在第Ⅱ階段，動(dòng)閥同樣先做加速運(yùn)動(dòng)后減速運(yùn)動(dòng)至初始位置。這是因?yàn)樵趧?dòng)閥逐漸向上運(yùn)動(dòng)中動(dòng)閥上端節(jié)流孔過(guò)流面積逐漸減小，流經(jīng)節(jié)流孔產(chǎn)生的壓降逐漸增大，動(dòng)閥所受壓差推力和鉆井液阻力逐漸增大，而復(fù)位彈簧推力逐漸減小。

從圖6還可以看出，在0.058 1 s時(shí)動(dòng)閥位移為0，此時(shí)動(dòng)閥末速度為0.11 m/s，表明動(dòng)閥在高壓流體壓差力、復(fù)位彈簧推力和阻力作用下能夠運(yùn)動(dòng)至初始位置并完成復(fù)位動(dòng)作。在動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，節(jié)流孔產(chǎn)生的壓降也先減小后增大，在上部流道產(chǎn)生周期性波動(dòng)壓力，如圖7所示。波動(dòng)壓力作用在振蕩短節(jié)承壓活塞端面，促使振蕩心軸完成往復(fù)振蕩動(dòng)作。計(jì)算得到工具工作頻率為17.21 Hz，產(chǎn)生的波動(dòng)壓力峰值為3.69 MPa。

圖7 波動(dòng)壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.7 Variation of fluctuating pressure with time

3 工具性能參數(shù)敏感性分析

水力振蕩器的關(guān)鍵性能參數(shù)主要包括振蕩頻率和波動(dòng)壓力峰值。從動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)過(guò)程受鉆井水力參數(shù)和工具結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，因此需分析鉆井液排量、鉆井液密度、動(dòng)閥質(zhì)量及復(fù)位彈簧剛度對(duì)振蕩頻率及波動(dòng)壓力峰值的影響。

3.1 鉆井液排量和鉆井液密度的影響

圖8和圖9分別為鉆井液排量和鉆井液密度對(duì)水力振蕩器振蕩頻率及波動(dòng)壓力峰值的影響曲線(xiàn)。

圖8 振蕩頻率和波動(dòng)壓力峰值隨鉆井液排量變化曲線(xiàn)Fig.8 Variation of oscillation frequency and fluctuating pressure peak value with drilling fluid displacement

圖9 振蕩頻率和波動(dòng)壓力峰值隨鉆井液密度變化曲線(xiàn)Fig.9 Variation of oscillation frequency and fluctuating pressure peak value with drilling fluid density

從圖8可以看出，工具振蕩頻率隨鉆井液排量的增加而減小，工具波動(dòng)壓力峰值隨鉆井液排量的增加而增大，呈二次函數(shù)關(guān)系。從圖9可以看出，隨著鉆井液密度的增加，工具振蕩頻率不斷減小，而波動(dòng)壓力峰值隨鉆井液密度的增加而線(xiàn)性增大。由式(10)可以發(fā)現(xiàn)，動(dòng)閥節(jié)流孔產(chǎn)生的壓降隨著鉆井液排量和密度的增加而增大。壓降的增加導(dǎo)致作用在動(dòng)閥端面的壓差力不斷增加，動(dòng)閥的最大運(yùn)動(dòng)位移相應(yīng)增大，運(yùn)動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致頻率減小。

3.2 動(dòng)閥質(zhì)量和復(fù)位彈簧剛度的影響

圖10和圖11分別為動(dòng)閥質(zhì)量和復(fù)位彈簧剛度對(duì)水力振蕩器振蕩頻率及波動(dòng)壓力峰值的影響曲線(xiàn)。

圖10 振蕩頻率和波動(dòng)壓力峰值隨動(dòng)閥質(zhì)量的變化曲線(xiàn)Fig.10 Variation of oscillation frequency and fluctuating pressure peak value with moving valve mass

圖11 振蕩頻率和波動(dòng)壓力峰值隨復(fù)位彈簧剛度的變化曲線(xiàn)Fig.11 Variation of oscillation frequency and fluctuating pressure peak value with the stiffness of return spring

從圖10和11可以看出：工具振蕩頻率隨動(dòng)閥質(zhì)量的增加而減小，隨復(fù)位彈簧剛度的增加而增大；而動(dòng)閥質(zhì)量和復(fù)位彈簧剛度對(duì)波動(dòng)壓力峰值的影響較小。由式(10)可知，在鉆井液排量和鉆井液密度等參數(shù)一定的條件下，壓降最大值僅與節(jié)流孔最小高度有關(guān)。動(dòng)閥質(zhì)量的增加，對(duì)其運(yùn)動(dòng)位移影響較小，而運(yùn)動(dòng)過(guò)程中加速度隨質(zhì)量增加而減小。因此，在相同位移條件下，動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，導(dǎo)致振蕩頻率逐漸減小。隨著動(dòng)閥復(fù)位彈簧剛度的增加，復(fù)位彈簧壓縮距離減小，導(dǎo)致動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)位移逐漸減小，運(yùn)動(dòng)時(shí)間縮短，所以振蕩頻率逐漸增大。

3.3 動(dòng)閥節(jié)流孔最小高度的影響

圖12為動(dòng)閥節(jié)流孔最小高度對(duì)水力振蕩器振蕩頻率和波動(dòng)壓力峰值的影響曲線(xiàn)。從圖12可以看出，工具振蕩頻率和波動(dòng)壓力峰值均隨節(jié)流孔最小高度的增加而減小。從式(10)可知，在鉆井液排量和鉆井液密度等參數(shù)一定的條件下，壓降最大值僅與節(jié)流孔最小高度有關(guān)。隨著節(jié)流孔最小高度的增加，波動(dòng)壓力峰值逐漸降低，動(dòng)閥兩端壓差力減小，導(dǎo)致動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，因此振蕩頻率逐漸減小。

圖12 動(dòng)閥節(jié)流孔最小高度對(duì)振蕩頻率和波動(dòng)壓力峰值的影響曲線(xiàn)Fig.12 Influence of minimum height of moving valve throttle orifice on oscillation frequency and fluctuating pressure peak value

4 結(jié) 論

(1)為減輕水平井鉆進(jìn)過(guò)程中的托壓現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種閥式水力振蕩器，利用高壓鉆井液驅(qū)動(dòng)控制閥沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)改變流道過(guò)流面積，從而產(chǎn)生波動(dòng)壓力，推動(dòng)振蕩短節(jié)帶動(dòng)井底鉆柱產(chǎn)生往復(fù)振動(dòng)效果。工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有振動(dòng)頻率高、壓耗低等特點(diǎn)。

(2)動(dòng)閥在下行階段先做加速度不斷減小的加速運(yùn)動(dòng)，后做減速運(yùn)動(dòng)直至停止；在上行復(fù)位階段先做加速運(yùn)動(dòng)，后做減速運(yùn)動(dòng)至初始位置。在動(dòng)閥往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，節(jié)流孔產(chǎn)生的壓降先減小后增大，在上部流道產(chǎn)生周期性壓力波動(dòng)。

(3)工具的波動(dòng)壓力峰值隨鉆井液排量和密度增加而增大，隨節(jié)流孔最小高度的增加而減小，而復(fù)位彈簧剛度和動(dòng)閥質(zhì)量對(duì)波動(dòng)壓力峰值影響較小。工具振蕩頻率隨鉆井液排量、鉆井液密度、節(jié)流孔最小高度和動(dòng)閥質(zhì)量增加而減小，隨復(fù)位彈簧剛度增加而增大。