張毅，張潤畦

（1.中國石化集團國際石油工程有限公司，北京100020；2.華北科技學院，北京101601）

0 引言

賦存較好的淺層油氣資源目前正在日益枯竭，鉆井技術(shù)正在向低開采成本、高采收率方向發(fā)展。與直井相比，大位移井和水平井的泄油面積更大，并且能夠?qū)崿F(xiàn)在一些特殊工況的井型和油層中的鉆進，顯著提高油氣采收率，其在油氣開采中的應用也越來越廣泛［1］。但“托壓”現(xiàn)象在鉆大位移井和水平井（尤其是長水平段）時經(jīng)常發(fā)生，這是因為井壁與管柱之間的摩阻會隨著二者間接觸面積的增大而越來越大，這時施加的鉆壓很難有效地傳遞至鉆頭，使得大位移井、水平井等井眼的延伸能力受到較大限制。同時，高摩阻還會造成井眼彎曲，降低鉆機鉆達最大深度的能力，嚴重時還會影響油井產(chǎn)量［2］。而當鉆壓增加至一定值時還可能發(fā)生突然憋泵，極易誘發(fā)鉆具卡鉆等井下故障與復雜，從而影響高效安全鉆進。

目前鉆井行業(yè)通常使用的減摩降阻手段包括：井眼軌跡優(yōu)化，鉆井液性能優(yōu)化，井眼清潔能力改善，以及專門減摩裝置的使用［3-7］。通過設計易于鉆進的井眼軌跡，同時加大井眼清潔力度，能夠?qū)崿F(xiàn)管柱摩阻的降低。使用潤滑性和流變性較好的鉆井泥漿，可以減少粘附卡鉆的發(fā)生。而在遇到管柱摩阻較大的情況時，可以通過使用專門的減摩降阻井下工具來顯著降低管柱摩阻。

研究表明［8-12］，將軸向振動工具利用在大位移井以及水平井鉆進中，能夠有效降低管柱摩阻。在鉆機載荷、井身結(jié)構(gòu)、水力參數(shù)等維持相對不變的情況下，顯著提高機械鉆速，大大延伸井眼長度。近年來，軸向振動工具研發(fā)與設計以Fluid Hammer提速工具、軸向振蕩減阻器、自激振蕩式提速工具、軸扭復合沖擊提速工具等為代表，有力改善了鉆進效率。

（1）Fluid Hammer提速工具由美國NOV公司成功研發(fā)，主要由螺桿馬達總成和振動沖擊短節(jié)2部分組成。工具入井工作時，鉆井泥漿驅(qū)動上部螺桿轉(zhuǎn)子產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，螺桿轉(zhuǎn)子帶動花鍵心軸及下接頭一起高速旋轉(zhuǎn)，給鉆頭提供破巖扭矩；花鍵心軸帶動下接頭旋轉(zhuǎn)時，下凸輪與上凸輪產(chǎn)生交變嚙合，在鉆壓作用下產(chǎn)生交變沖擊力，并直接施加給鉆頭，為鉆頭提供破巖沖擊力。該工具的技術(shù)優(yōu)勢為，施加給鉆頭的沖擊力是通過鉆壓作用而來，具有較高的沖擊載荷并直接施加給鉆頭；工具設計有螺桿短節(jié)部分，故而在提高鉆速的同時又利于控制井斜。目前Fluid Hammer已應用于多個油田［13-14］，從現(xiàn)場應用效果看，該工具在大尺寸井眼的提速效果更加明顯，但在小尺寸井眼中的提速效果欠佳；其下部沖擊短節(jié)機械結(jié)構(gòu)設計復雜，成本較高；密封腔通過旋轉(zhuǎn)密封來實現(xiàn)密封，井下使用壽命較低。

（2）軸向振蕩減阻器又被稱為軸向水力振蕩發(fā)生器（Axial-oscillation Generator Tool，Agitator），是由美國NOV公司研發(fā)生產(chǎn)的軸向振動減摩降扭工具［15-16］。該工具由振動短節(jié)和動力短節(jié)2部分構(gòu)成。動力短節(jié)為螺桿鉆具結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子下方設計有脈沖動力閥（由轉(zhuǎn)子閥與定子閥構(gòu)成）。鉆進時鉆井泥漿流經(jīng)螺桿，驅(qū)動螺桿帶動轉(zhuǎn)子運動，轉(zhuǎn)子運動能夠帶動閥盤轉(zhuǎn)動，周期性地改變過流通道面積，從而使作用在活塞上的水力壓力發(fā)生周期性變化。在脈動壓力峰值時，活塞壓縮碟簧，而當脈動壓力處于波谷時，碟簧釋放能量推動活塞復位，活塞在脈動壓力和碟簧彈性作用下做往復運動，從而起到振動減摩降扭的效果。該工具的技術(shù)優(yōu)勢為，能夠改善井下鉆壓傳遞效果，特別是在定向鉆進或滑動鉆進時應用效果明顯，降低了滑動鉆進時粘附卡鉆、托壓的可能性；與PDC鉆頭或牙輪鉆頭配合施工，可提高鉆頭的定向能力和鉆頭滑動鉆進能力，有效提高機械效率；與MWD/LWD兼容，不會損壞MWD/LWD工具或干擾信號傳遞。該工具已在全球范圍內(nèi)的數(shù)千口井中施工應用，受到了業(yè)內(nèi)人士的廣泛認可。然而，隨著鉆井難度的不斷加大，復雜地層、海洋鉆井、深井超深井施工中遇到的高溫高壓、油基泥漿等對軸向振蕩減阻器提出了更高要求。為此，國內(nèi)已經(jīng)開展了金屬螺桿及渦輪驅(qū)動式水力振蕩器的研究工作［17］，目前尚處于試驗階段。

（3）自激振蕩式提速工具是將機械沖擊和水力脈沖作用相結(jié)合［18-21］，工具安裝于鉆頭與鉆鋌之間。鉆進時鉆井泥漿經(jīng)一級振蕩器和二級振蕩器后，通過八方連接桿經(jīng)下接頭后流入鉆頭。工具內(nèi)部的振動沖擊錘將產(chǎn)生一級振蕩及二級振蕩作用，振蕩作用產(chǎn)生的沖擊力通過八方桿直接作用于鉆頭，從而提高鉆頭的破巖效率；同時，鉆井泥漿通過八方桿流經(jīng)鉆頭后，經(jīng)鉆頭水眼噴出，結(jié)合沖擊錘上下高頻往復沖擊，形成水力脈沖作用并直接作用于井底巖石，提高破巖能力，同時能夠改善井底流場、強化清洗效果。該工具有效結(jié)合了水力脈沖和振動沖擊的技術(shù)優(yōu)勢，提高了鉆頭破巖效率；采用水力脈沖誘發(fā)機械振動，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠。目前，該工具已在國內(nèi)進行了現(xiàn)場推廣應用［22-24］。但是，由于該工具的振動沖擊力是通過鉆井泥漿的脈沖作用產(chǎn)生的，因此在巖石強度較高、可鉆性較差的地層中鉆進時，無法有效產(chǎn)生軸向振動，應用受限；受地層砂、泥漿固相含量等因素影響，振蕩沖擊腔室流體運行軌跡復雜，沖擊錘體易受沖蝕。

（4）軸扭復合沖擊提速工具能夠發(fā)揮軸向和扭向沖擊作用，提高提速工具的適用范圍，近年來受到了業(yè)內(nèi)學者的廣泛關(guān)注［25-29］。該工具工作原理為：鉆井泥漿流經(jīng)節(jié)流噴嘴產(chǎn)生壓降，在該壓降作用下，軸向沖錘與周向擺錘部位產(chǎn)生高低壓腔，從而驅(qū)使沖擊錘由高壓腔向低壓腔產(chǎn)生振動沖擊；在換向器的調(diào)節(jié)下，軸向沖錘和周向擺錘均產(chǎn)生連續(xù)的高低壓腔室互換，從而產(chǎn)生連續(xù)的軸向與周向振動沖擊作用，在此2種力的共同作用下提高鉆頭破巖效率，達到提速目的。該工具的技術(shù)優(yōu)勢為，由于可產(chǎn)生連續(xù)的軸向與周向沖擊作用，能夠有效提高鉆頭的破巖效率，發(fā)揮軸向沖擊與周向沖擊提速效果。然而，由于復合沖擊力的實現(xiàn)是通過節(jié)流壓降和沖擊腔室的高低壓轉(zhuǎn)換而來，因此對鉆井泥漿固相含量、含砂量等要求較高；整體動密封大都通過金屬密封實現(xiàn)，易受泥漿沖蝕。

總結(jié)以上工具的研制進展及存在問題，筆者開展了水力振蕩減摩裝置的研制及其特性研究，對延伸大位移井和水平井井眼長度具有重要的實際意義。

1 水力振蕩減摩鉆井技術(shù)機理

使用螺桿進行定向鉆進時，轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)會停止轉(zhuǎn)動，以通過鉆頭和彎外殼螺桿來實現(xiàn)造斜，即“滑動”作業(yè)。滑動作業(yè)的難點在于，通常情況下靜摩擦力會遠遠大于動摩擦力，而處于靜止狀態(tài)的鉆桿需要克服的摩擦阻力正是從動摩擦轉(zhuǎn)換成了靜摩擦，這便不利于工具面的保持和繼續(xù)鉆進。這可以運用基本物理學原理來解釋。

假設將一重力為W的滑塊放置在平面上，由牛頓第三定律可知，平面對滑塊產(chǎn)生一個作用力N，該力與滑塊的重力方向相反、大小相等，此刻滑塊處在平衡狀態(tài)。為了使滑塊運動，施加在其一側(cè)的作用力P必須大于平面與滑塊之間的摩擦力F。該靜止狀態(tài)時的摩擦力是靜摩擦力，其計算公式為：

式中：μ靜——滑塊與平面之間存在的靜摩擦系數(shù)。

假設滑塊要克服靜摩擦力開始移動，二者之間的摩擦力減小。這個減小了的摩擦力就是動摩擦力，其由以下公式定義：

式中：μ動——在滑塊運動時滑塊與平面間存在的動摩擦系數(shù)。

動摩擦力與靜摩擦力間的關(guān)系與二者接觸部分有關(guān)，但通常動摩擦力大約是靜摩擦力的75%［30］。因此，動摩擦力的公式可以轉(zhuǎn)換成：

可以看出，當施加在其一側(cè)的作用力P=0時，與之方向相反、大小相等的靜摩擦力F靜也等于0。但隨著P增大，F(xiàn)靜也線性增大，直至P＞F靜的極限值。在該轉(zhuǎn)換點摩擦力減少了25%，并隨著滑塊的移動而保持恒定，說明使滑塊保持運動要比使滑塊從靜止狀態(tài)開始運動更加容易。這個基本原理不僅適用于定向鉆井，在鉆造斜段、穩(wěn)斜段甚至垂直段時也能夠參照該原理。

值得注意的是，靜摩擦力過大，還會帶來定向鉆進中的諸多挑戰(zhàn)，包括重力疊加可導致鉆柱屈曲、鉆具粘滑、工具面失效以及鉆速異常或下降等。而通過向裝配軸向振動裝置的減摩工具中泵入鉆井流體，誘發(fā)鉆柱產(chǎn)生軸向振動，該振動能夠減小井壁與管柱之間的有效摩擦系數(shù)。在該理論的發(fā)展中，3種形式的振動——橫向、扭向以及軸向，都被研究討論過［31-33］。最終，軸向振動被證明是最合適的，原因主要在于軸向振動的減摩降阻效果最佳，并且其更易于通過可控的方式來誘發(fā)［34］。

在復雜的鉆井狀況下，疊加原理可以進一步闡釋，運動的疊加與兩種類型摩擦阻力的轉(zhuǎn)化能夠降低管柱摩阻。為方便起見，假設振動是正弦變化的，下面描述水力振蕩減摩機理，瞬時速度v可表示為：

式中：vv——鉆柱振動速度的最大值；vi——鉆柱恒定的下行速度；T——振動周期；t——時間。

考慮到在一定范圍內(nèi)，庫倫摩擦不受物體移動速度變化的影響，并且與物體運動方向相反，時間平均有效摩擦力可表示為：

式中：F0——無振動條件下的摩擦力；Tr、Tf——分別代表后退周期和前進周期。

從該簡化的模型可以得出：如果鉆柱下行速度減小或者運動速度幅值增大，則會增強減摩效果；如果鉆柱的速度方向在部分振動周期內(nèi)反轉(zhuǎn)，則會減少有效摩擦力。

綜上所述，鉆具軸向振動可以使滑動鉆進時的靜摩擦因數(shù)減小到動摩擦因數(shù)的大小，顯著減小井壁與管柱之間的摩擦阻力。而且當軸向振動產(chǎn)生時，如果鉆柱的疊加運動速度方向發(fā)生變化，那么摩擦力的方向也會改變，從而減少井壁與管柱間的總摩擦力。水力振蕩減摩鉆井技術(shù)在各種鉆進模式中均適用，能夠大幅提高鉆井效率，大大減少與托壓、鉆具粘滑、鉆桿屈曲、工具面控制和機械鉆速降低等井下故障和復雜。

2 水力振蕩減摩裝置研制

2.1 裝置結(jié)構(gòu)

?127型水力振蕩減摩裝置由本體、水力脈沖射流發(fā)生裝置和軸向振動裝置組成如圖1所示。本體由下筒和上筒組成。軸向振動裝置由活塞部、承壓板、碟簧部、中心管組成?；钊坑苫钊住⒂头?、活塞組成。碟簧部由碟簧組、碟簧上壓套、碟簧調(diào)節(jié)套、碟簧護套和碟簧座組成。水力脈沖射流發(fā)生裝置由導流體、葉輪、葉輪軸、葉輪座、振蕩噴嘴等組成。

圖1 ?127型水力振蕩減摩裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the ?127 hydraulic oscillation friction reduction tool

2.2 工作原理

圖2表示了?127型水力振蕩減摩裝置的工作原理。裝置工作時，在導流體處泥漿的流動方向發(fā)生改變，鉆井液高速沖擊葉輪，驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)。葉片周期性改變流道面積，擾動來流誘發(fā)脈沖壓力。脈沖壓力經(jīng)過振蕩噴嘴的調(diào)制放大，施加在承壓板及活塞受力面上。如圖2（a）所示，當鉆井液壓力升高時，流體推動活塞和中心管運動，中心管推動碟簧上壓套壓縮碟簧組，中心管帶動傳動管伸出，碟簧組聚集能量。如圖2（b）所示，當鉆井液壓力降低時，承壓板及活塞受力面受到的作用力減小，碟簧組釋放能量，帶動碟簧上壓套、中心管及活塞收縮。綜上，軸向振動裝置的動力由水力脈沖射流發(fā)生裝置提供，減摩裝置的中心管及傳動管能夠?qū)崿F(xiàn)往復運動，給鉆具或鉆頭提供軸向振動的能量，改善鉆壓傳遞，延伸井眼長度，有效提高鉆進效率。

圖2 水力振蕩減摩裝置工作原理Fig.2 Operating principle of the hydraulic oscillation friction reduction tool

3 水力振蕩減摩裝置流場數(shù)值模擬

3.1 模型建立

?127型水力脈沖射流發(fā)生裝置通過葉輪轉(zhuǎn)動，將連續(xù)流體流動調(diào)制為脈沖射流。為開展水力振蕩減摩裝置內(nèi)水力脈沖壓力波動特性數(shù)值研究，可通過轉(zhuǎn)動模型中的滑移網(wǎng)格模型求解。裝置的流場區(qū)域從上母接頭入口開始，經(jīng)導流體、葉輪、自激振蕩腔室及噴嘴、承壓板通孔、中心管等，最終到中心管出口處。由于水力振蕩減摩裝置的結(jié)構(gòu)近似為平面對稱結(jié)構(gòu)，故采用二維數(shù)值模擬方案。鉆井液從左端上母接頭進入，先后經(jīng)導流體、葉輪、自激振蕩腔室及噴嘴、承壓板通孔和中心管等部件，從中心管末端流出。對計算域利用Gambit軟件運用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型劃分。另外，為了優(yōu)化計算精度，在葉輪葉片的轉(zhuǎn)動部分又施加了局部網(wǎng)格加密［35］。所建的水力振蕩減摩裝置物理模型如圖3所示。

圖3 水力振蕩減摩裝置物理模型Fig.3 Physical model of the hydraulic oscillation friction reduction tool

邊界條件：入口條件是速度（排量）入口邊界，出口條件是出口流動邊界。葉輪表面采用速度無滑移條件，旋轉(zhuǎn)速度和葉輪軸轉(zhuǎn)速相同，葉輪表面為旋轉(zhuǎn)壁面，其余外壁為固定壁面［36］。

3.2 數(shù)值模擬方案

針對影響水力振蕩減摩裝置工作性能的水力脈沖波動特性進行數(shù)值模擬，制定了?127型裝置的數(shù)值模擬參數(shù)組合。改變流體排量和葉輪葉片數(shù)目可以調(diào)節(jié)水力脈沖壓力脈動頻率和幅值，進而改變活塞及承壓板受力情況，調(diào)節(jié)裝置軸向振動的位移大小。各個葉片數(shù)目的模擬方案見表1。

表1 不同排量和葉片數(shù)影響規(guī)律的參數(shù)組合Table 1 Parameter combination of different flow rates and blades numbers

3.3 模擬結(jié)果分析

3.3.1 壓力場分布

運用Fluent計算流體力學軟件，分別模擬了不同葉輪葉片數(shù)?127型裝置在不同排量下的流場。可以看出，隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，在振蕩噴嘴出口端出現(xiàn)的低壓區(qū)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(zhuǎn)過程中，會對入口來流產(chǎn)生周期性擾動，進而引發(fā)壓力脈動。該壓力作用在下筒活塞及承壓板上，對碟簧組及中心管可施加周期性作用力，驅(qū)動裝置產(chǎn)生軸向振動。

以10 L/s排量，6片葉輪減摩裝置為例。設定排量為10 L/s，通過可視化裝置測定6葉片葉輪轉(zhuǎn)速為82 r/min，監(jiān)測裝置內(nèi)部流場穩(wěn)定后在葉輪轉(zhuǎn)動1圈時間內(nèi)的壓力變化規(guī)律。裝置內(nèi)部流體壓力場分布云圖如圖4所示。可以看出，6個葉片周期性對來流施加擾動，葉輪每旋轉(zhuǎn)1/6圈為一個波動周期。出口的壓力脈動頻率與葉輪轉(zhuǎn)速相關(guān)，葉輪每轉(zhuǎn)動1圈，出口壓力波動發(fā)生6個周期性變化。通過模擬其他葉片數(shù)和排量下的流場，發(fā)現(xiàn)情況類似，即n個葉片每旋轉(zhuǎn)1/n圈為一個波動周期，葉輪每轉(zhuǎn)動1圈，出口壓力波動發(fā)生n個周期性變化。

圖4 不同時刻裝置內(nèi)部流體壓力場分布云圖Fig.4 Contours of total pressure in the tool at different moments

水力脈沖壓力脈動幅值是指周期性脈動壓力的最大值與最小值之差。監(jiān)測裝置入口和出口總壓力隨時間變化的規(guī)律，可以得到裝置入口脈動壓力幅值為1.43 MPa（如圖5所示），出口脈動壓力幅值為0.78 MPa（如圖6所示）。

圖5 裝置入口總壓隨時間變化的規(guī)律Fig.5 Total pressure at the tool inlet vs time

圖6 裝置出口總壓隨時間變化的規(guī)律Fig.6 Total pressure at the tool outlet vs time

3.3.2 排量和葉輪葉片數(shù)對水力脈沖壓力波動特性的影響規(guī)律

改變流體排量和葉輪葉片數(shù)，可以得到不同葉片數(shù)的?127型減摩裝置入口和出口處脈動壓力幅值隨排量變化的關(guān)系，如圖7、圖8所示。通過數(shù)據(jù)擬合可以看出，不同葉片數(shù)減摩裝置的入口脈動壓力幅值、出口脈動壓力幅值均隨排量的增大而線性增大。保持排量不變，增加葉輪的葉片數(shù)，減摩裝置入口及出口處的脈動壓力幅值變小，脈動壓力幅值隨排量線性變化的程度趨緩。這是由于隨著入口排量的加大，入口壓力也會增大，并且因為來流流速的增加，葉輪的摩擦阻力增大，從而減摩裝置的摩阻增大，但裝置摩阻及壓降的增幅明顯小于裝置入口壓力的增幅，因此隨著入口排量的增大，出口壓力幅值也增大了。

圖7 不同葉片數(shù)葉輪裝置入口脈動壓力幅值隨排量變化的規(guī)律Fig.7 Effect of the blade number on the pressure fluctuation amplitude at the inlet at different flow rates

圖8 不同葉片數(shù)葉輪裝置出口脈動壓力幅值隨排量變化的規(guī)律Fig.8 Effect of the blade number on the pressure fluctuation amplitude at the outlet at different flow rates

4 室內(nèi)試驗

為測試水力振蕩減摩裝置的工作狀態(tài)、水力脈沖特性和振動性能，設計了試驗方案，如圖9所示。

圖9 室內(nèi)實驗裝置連接示意Fig.9 Lab test device

首先加工?127型減摩裝置的各個零配件并進行裝配，裝置選用6葉片數(shù)的葉輪。組裝好的水力振蕩減摩裝置兩端分別與泥漿泵的進、回水管線連接，將一組壓力傳感器安裝于水力脈沖射流發(fā)生部分的入口端，用于檢測流體在進入減摩裝置之前的壓力情況。將另一組壓力傳感器安裝于軸向振動部分的出口端，用于測量流體在裝置出口處的壓力變化。在軸向振動部分安裝位移傳感器，用于實時測量由水力脈沖壓力誘發(fā)的軸向振動位移。

在不同流量條件下，測量了減摩裝置的壓力脈動頻率及幅值、軸向振動位移等性能參數(shù)，如表2所示。可以看出，隨著排量的增大，脈動頻率和幅值、軸向振動位移均逐漸增大，且經(jīng)過長時間循環(huán)試驗，減摩裝置工作性能穩(wěn)定。軸向振動部分內(nèi)中心管及傳動管在上游周期性脈動壓力的作用下，能夠產(chǎn)生持續(xù)、穩(wěn)定、低振幅的振動。

表2 ?127型減摩裝置的主要工作參數(shù)Table 2 Operating parameters of ?127 type hydraulic oscillation friction reduction tool

排量10 L/s時，減摩裝置軸向振動位移隨時間變化的曲線如圖10所示?？梢钥闯觯S向振動部分內(nèi)中心管及傳動管在上游周期性脈動壓力的作用下做往復運動，最大軸向振動位移是4.27 mm，最小是1.82 mm。

圖10 排量為10 L/s時，軸向振動位移隨時間變化的規(guī)律Fig.10 Axial vibration displacement vs time at flow rate of 10 L/s

5 現(xiàn)場試驗

水力振蕩減摩裝置在ZKX井進行現(xiàn)場試驗，試驗地層為含礫砂巖。鉆具組合為：?215.9 mm鉆頭+?127型水力振蕩減摩裝置+?165 mm無磁鉆鋌×25根+?127 mm 加重鉆桿×15根+?127 mm鉆桿。試驗井段為2506～2529 m（二開），純鉆時間24.7 h，進尺22 m，排量約30 L/s，所鉆井段的施工參數(shù)如表3所示。

表3 水力振蕩減摩裝置現(xiàn)場試驗施工參數(shù)Table 3 Field test parameters of the hydraulic oscillation friction reduction tool

圖11～13分別對比了上部井段與試驗井段的鉆進扭矩、轉(zhuǎn)速、機械鉆速。可以看出，在現(xiàn)場施工參數(shù)基本不變的情況下，下入水力振蕩減摩裝置工作性能穩(wěn)定；維持轉(zhuǎn)速基本恒定，下入裝置后，鉆進扭矩顯著減小，波動范圍2.9～7.7 kN·m，與上部井段相比，鉆進扭矩降低了39.1%；下入減摩裝置后，機械鉆速達到0.81～1.62 m/h，與上部井段相比提高了20.2%。這是因為水力脈沖壓力與碟簧組相互作用，驅(qū)動井下管柱產(chǎn)生軸向振動，有效改善摩擦條件，有利于鉆壓傳遞，顯著提高了鉆進效率。

圖11 鉆進扭矩對比Fig.11 Drilling toque comparison

圖12 轉(zhuǎn)速對比Fig.12 Rotary speed comparison

圖13 機械鉆速對比Fig.13 ROP comparison

6 結(jié)論

（1）鉆井過程中使用軸向振動工具是降低管柱摩阻、提高鉆井速度的重要手段。隨著我國油氣產(chǎn)業(yè)增產(chǎn)保供的壓力日益增大，對鉆井提速技術(shù)提出了更高要求。因此，加大水力振蕩誘發(fā)軸向振動減摩鉆井技術(shù)的研究力度，對我國高效開發(fā)油氣資源具有實際意義。

（2）結(jié)合水力脈沖技術(shù)和軸向振動減摩技術(shù)，研制了?127型水力振蕩減摩裝置。該裝置可用于直井、定向井、水平井和大位移井，在水力脈沖壓力和碟簧的共同作用下實現(xiàn)管柱軸向振動，減小管柱與井壁或套管壁間的有效摩擦系數(shù)，顯著減小鉆進扭矩，提高機械鉆速。

（3）數(shù)值模擬分析表明，水力振蕩減摩裝置壓力脈動頻率和幅值隨排量的增加而變大；葉輪的葉片數(shù)增加，裝置的脈動壓力幅值降低。室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗表明，在長時間循環(huán)試驗中，減摩裝置工作正常，能夠產(chǎn)生低振幅振動；壓力脈動頻率和振幅、軸向振動位移均隨排量的增大而增大。

（4）研究結(jié)果驗證了水力振蕩減摩裝置設計的可行性和振動的穩(wěn)定性，可為水力脈沖振蕩減摩技術(shù)研究和相關(guān)裝置參數(shù)優(yōu)化提供參考。