基金項目：國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目“組合軸承——轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性耦合振動機理及智能控制分法研究”（52204002）。

大位移井和水平井的井斜角過大會使鉆柱和井壁之間產(chǎn)生較大的摩阻，導(dǎo)致鉆進(jìn)速度降低，使用水力振蕩器是解決上述問題的有效方法之一。為此，設(shè)計了一種同心驅(qū)水力振蕩器，并對其閥盤系統(tǒng)的沖蝕情況進(jìn)行仿真分析。仿真分析結(jié)果表明：動、靜閥盤的交界處受到鉆井液的沖蝕磨損，特別是動、靜閥盤相對轉(zhuǎn)角為25°時受到的沖蝕磨損最為嚴(yán)重。對動、靜閥盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和模擬試驗，從模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)動、靜閥盤的倒角同為20°時，最大沖蝕率最小，優(yōu)化效果最好。對優(yōu)化后的同心驅(qū)水力振蕩器進(jìn)行現(xiàn)場試驗，試驗結(jié)果表明：同心驅(qū)水力振蕩器能大幅提高鉆井效率，相同條件下較常規(guī)水力振蕩器的平均機械鉆速提高33.62%，工具平均使用壽命延長27.46%。所得結(jié)論可為水力振蕩器的設(shè)計與優(yōu)化提供參考。

水力振蕩器；動、靜閥盤；沖蝕；倒角；數(shù)值模擬；優(yōu)化分析

Optimization Design of Valve Disc for Concentric Drive Hydro-Oscillator

Lei Zhongqing¹ Liu Xin² Huang Yehai³ Yu Chen¹ Li Han⁴ Guo Penggao⁵ Shi Lei⁵

（1.Engineering Research Institute，CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited; 2.Directional Well Service Company，CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited; 3.First Mud Logging Company，CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited; 4.Fourth Drilling Company，CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited; 5.School of Mechanical Engineering，Yangtze University）

The excessive deviation angle of extended reach wells and horizontal wells would create significant friction between the drill string and the sidewall，leading to a decrease in drilling speed. The use of hydro-oscillator is one of the effective methods to solve the above problem. In this paper，a concentric drive hydro-oscillator was designed，and simulation analysis was conducted on the erosion situation of its valve disc system. The simula-tion analysis results show that the interface between the dynamic and static valve discs is subjected to erosion wear of drilling fluid. Especially when the relative turning angle of the dynamic and static valve discs is 25°，the erosion wear is the most severe. Structural optimization and simulation tests were conducted on the dynamic and static valve discs. The simulation results show that when the chamfer of both the dynamic and static valve discs is 20°，the maximum erosion rate is the smallest，and the optimization effect is the best. Field test was conduct on the optimized concentric drive hydro-oscillator. The test results show that the concentric drive hydro-oscillator significantly improves drilling efficiency. Compared with conventional hydro-oscillator，the concentric drive hydro-oscillator helps improve the average rate of penetration by 33.62% and extend the average service life of the tool by 27.46% under the same conditions. The conclusions provide reference for the design and optimization of hydro-oscillators.

hydro-oscillator;dynamic and static valve discs;erosion;chamfer;numerical simulation;optimization analysis

0 引 言

自20世紀(jì)80年代以來，隨著油田開發(fā)逐漸深入，大斜度井、水平井、多分支水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的數(shù)量越來越多。然而，由于井斜角較大造成鉆柱和井壁之間的摩阻較大，導(dǎo)致鉆壓傳遞效率低，嚴(yán)重限制了鉆進(jìn)速度。水力振蕩器作為降摩減阻的主要工具在油氣開采過程中的運用越來越廣泛，而閥盤系統(tǒng)是水力振蕩器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，對于整個工具的振蕩頻率及使用效果起決定性作用^［1-3］。

對于水力振蕩器閥盤的研究，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。余長柏等^［4］完成了不同直徑定閥與動閥匹配下的入口和出口流體壓力測試，總結(jié)了閥口變化頻率、壓降隨閥口直徑變化的規(guī)律；趙鈺等^［5］運用滑移網(wǎng)格和Realizable k-ε湍流模型對閥組組合進(jìn)行流體仿真分析，并通過試驗數(shù)據(jù)證明了仿真結(jié)果的正確性；李漫等^［6］對矩形流道口、菱形流道口和圓形流道口分別進(jìn)行流道口優(yōu)化設(shè)計，并通過仿真分析得出，相比于另外2種流道形狀，菱形流道口的降摩減阻效果更優(yōu)；倪華峰等^［7］采用滑移網(wǎng)格技術(shù)對水力振蕩器進(jìn)行流體仿真，研究了閥芯的運動規(guī)律及脈沖壓降隨閥芯轉(zhuǎn)角變化的關(guān)系，結(jié)果表明，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)可以真實地模擬閥系流場結(jié)構(gòu)變化；馮超等^［8］提出一種渦輪式水力振蕩器，分別對閥盤的不同流道口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，發(fā)現(xiàn)正方形流道口的降摩減阻效果最好，并通過理論計算和數(shù)值仿真方法得到一組最優(yōu)的閥組尺寸；羅朝東等^［9］開展了閥盤參數(shù)對水力振蕩器性能影響的試驗研究，并進(jìn)行了相關(guān)試驗，試驗結(jié)果可為水力振蕩器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及現(xiàn)場使用提供理論依據(jù)。在實際鉆井過程中，鉆井液通常會對振蕩器產(chǎn)生沖蝕作用，而動、靜閥盤作為振蕩器系統(tǒng)中調(diào)節(jié)壓力的關(guān)鍵部件，受到更加嚴(yán)重的沖蝕。因此，有必要對這種工況下的沖蝕行為進(jìn)行研究，并且提出減輕沖蝕的方法，以確保工具的可靠性。然而，現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)未見鉆井液對閥盤沖蝕影響的報道。

為此，筆者設(shè)計了一種同心驅(qū)水力振蕩器，結(jié)合理論計算和流體仿真研究了鉆井液對動、靜閥盤的沖蝕情況，并依據(jù)研究結(jié)果對動、靜閥盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；同時，將優(yōu)化后的同心驅(qū)水力振蕩器在油田進(jìn)行現(xiàn)場試驗，與常規(guī)水力振蕩器進(jìn)行對比，以驗證其工作性能。所得結(jié)論可為水力振蕩器的設(shè)計與優(yōu)化提供參考。

1 工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 工作原理

所設(shè)計的同心驅(qū)水力振蕩器主要由振蕩短節(jié)、動力短節(jié)及盤閥系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其工作原理為：鉆井過程中，鉆井液經(jīng)過振蕩短節(jié)進(jìn)入動力短節(jié)，帶動螺桿轉(zhuǎn)子做行星運動，螺桿轉(zhuǎn)子與動閥盤通過撓軸連接，撓軸將螺桿轉(zhuǎn)子的行星運動轉(zhuǎn)換為動閥盤的旋轉(zhuǎn)運動，動閥盤的旋轉(zhuǎn)運動使得動、靜閥盤的過流面積呈周期性變化，從而使閥組兩端產(chǎn)生周期性的脈沖壓力。該脈沖壓力使得振蕩短節(jié)產(chǎn)生軸向的周期性振蕩，該振蕩帶動整個鉆具振蕩，將鉆柱與井壁間的靜摩擦轉(zhuǎn)化為動摩擦，減小了鉆柱與井壁間的摩擦力。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

結(jié)合某油田開發(fā)井的井身結(jié)構(gòu)特點，同心驅(qū)水力振蕩器的設(shè)計參數(shù)為：工具外徑165 mm，總長3 149 mm，適用鉆井液排量30～35 L/s，工具整體壓降2.5 MPa，工具振動頻率16～17 Hz，振幅5～8 mm。

2 仿真模擬

2.1 模型建立及邊界條件

為了深入研究動、靜閥盤的沖蝕情況，利用離散相模型模擬鉆井液在同心驅(qū)水力振蕩器中的流動。對整個盤閥系統(tǒng)的運動過程進(jìn)行數(shù)值模擬，采用SolidWorks建立同心驅(qū)水力振蕩器動、靜閥的簡化模型，將其轉(zhuǎn)化為.xt格式，導(dǎo)入ANSYS中，在ANSYS中提取盤閥系統(tǒng)的流道模型，如圖 2a所示。在Hypermesh里采用六面體網(wǎng)格劃分方式對整個流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)合網(wǎng)格無關(guān)性檢驗標(biāo)準(zhǔn)，最終整個模型的網(wǎng)格總數(shù)為280 300，總體網(wǎng)格質(zhì)量大于0.7。同心驅(qū)水力振蕩器盤閥系統(tǒng)的流道模型網(wǎng)格劃分情況如圖 2b所示。

計算同心驅(qū)水力振蕩器中動、靜閥盤的沖蝕時，沖蝕介質(zhì)為清水加砂，離散相為支撐顆粒。仿真時，定義流體的入口截面為inlet，出口截面為outlet，接觸面設(shè)定為interface類型，其他流道模型的表面設(shè)置為 Wall；選擇分析模型為Realizable k-ε湍流模型，將入口條件定義為速度入口（17 m/s），出口條件為outflow邊界類型；將流體密度設(shè)置為1 100 kg/m³ ，運動黏度為 0.04 kg/（m·s）；顆粒直徑為 0.04 mm，水力直徑為90 mm。

2.2 計算模型求解

水力振蕩器內(nèi)部的流體流動較為復(fù)雜，屬于三維非定常、不可壓縮湍流。Realizable k-ε湍流模型對平板和圓柱射流的發(fā)散比率有著精確的預(yù)測，以及對于旋轉(zhuǎn)流體有著較好的適應(yīng)性等優(yōu)點^［10］，為此，將該模型應(yīng)用于盤閥系統(tǒng)內(nèi)的流體流動仿真。

Realizable k-ε湍流模型如下：

式中：ρ為流體密度，kg/m³；k為湍動能，m²/s²；在三維平直空間，u_i、u_j為速度矢量u的分量，m/s；x_i、x_j為位移分量，m；μ為分子黏性系數(shù)，Pa·s；μ_t為湍流黏性系數(shù)，kg/（m·s）；σ_k、σ_ε為湍動能k和耗散率ε的湍流普朗特數(shù)，σ_k=1.0，σ_ε=1.2；G_k為由平均速度梯度所產(chǎn)生的湍動能，Pa/s；G_b為由浮力影響所產(chǎn)生的湍動能，Pa/s；ε為耗散率，m²/s³；Y_M為可壓縮湍動脈動膨脹對總耗散率的影響^［11-13］，Pa/s；E為平均速度應(yīng)變率張量，E=12?u_i?x_j+?u_j?x_i；C₁、C₂、C_1ε、C_3ε為經(jīng)驗常數(shù)，C₁=1.2，C₂=1.9，C_1ε=1.44，C_3ε=1.9；ν為運動黏度，m²/s。

采用Fluent模擬鉆井液的沖蝕情況，采用的沖蝕模型如下：

式中：m·_p為粒子的平均質(zhì)量流速，kg/（m²·s）；C（d_p）為顆粒粒徑函數(shù)；α為顆粒路徑與壁面間沖擊角，（°）；f（α）為沖擊角函數(shù)；v為顆粒相對速度，m/s；b（v）為顆粒相對速度函數(shù)；A為壁面面積，m²；p為粒子數(shù)。

2.3 模擬結(jié)果分析

由于流道模型結(jié)構(gòu)對稱，所以可認(rèn)為該結(jié)構(gòu)的速度、顆粒軌跡也都對稱，所以選取該流道模型的1/4周期進(jìn)行研究分析。圖 3為1/4周期時動閥盤相對于靜閥盤不同轉(zhuǎn)角下整個流道模型的速度矢量云圖。

由圖 3可以看出，鉆井液在到達(dá)動閥盤之前流速穩(wěn)定；但當(dāng)鉆井液流入動閥盤的流道后流速開始增大，在經(jīng)過動靜閥盤交界處時速度會進(jìn)一步增大，同時顆粒流經(jīng)動靜閥盤交界處流道時與流道產(chǎn)生碰撞。因此在這一過程中，動靜閥盤交界面是受沖蝕磨損最嚴(yán)重的地方，并且隨著動、靜閥盤過流面積減小，固體顆粒的運動速度會增大，當(dāng)動、靜閥盤相對轉(zhuǎn)角為25°時速度達(dá)到最大值，此時鉆井液對動、靜閥盤的沖蝕磨損最大。

3 閥盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由圖3可知，沖蝕主要產(chǎn)生在動閥盤和靜閥盤交界處，且當(dāng)轉(zhuǎn)角為25°時，沖蝕磨損最嚴(yán)重。為了使同心驅(qū)水力振蕩器的降摩減阻效果更好、提高鉆井過程中的效率，對動、靜閥盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 在保證沖蝕條件不變的情況下，對3種倒角情況進(jìn)行分析：動閥盤的閥孔單獨倒角、靜閥盤的閥孔單獨倒角和動、靜閥盤的閥孔同時倒角。取閥孔的1/3長度進(jìn)行倒角，通過改變倒角角度分析鉆井液對閥盤的沖蝕影響。在沖蝕模擬過程中，將倒角角度分別設(shè)置為0°、5°、10°、15°及20°進(jìn)行沖蝕仿真模擬。取動閥盤與靜閥盤相對轉(zhuǎn)角為25°時的情況進(jìn)行考慮，可以得到3種倒角情況下不同倒角角度的最大沖蝕速率云圖，如圖4所示。

為了直觀地觀測最大沖蝕速率的變化趨勢，將3種倒角情況下，倒角角度為0°、5°、10°、15°及20°的最大沖蝕速率繪制成折線圖，如圖5所示。

由圖 5可知，隨著倒角角度的增大，顆粒對閥盤系統(tǒng)的沖蝕作用不斷減小。這是因為在固相顆粒數(shù)量不變的情況下，倒角度數(shù)的增大使得固相顆粒與閥盤的接觸面積變大，從而導(dǎo)致顆粒對閥盤的沖蝕磨損減小。同時還可以看出，在對動、靜閥盤同時進(jìn)行倒角時，顆粒的最大沖蝕速率明顯低于另外2種倒角情況，這說明對動、靜閥盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以更好地減輕鉆井液的沖蝕作用。因此在實際的生產(chǎn)實踐中，可以對動、靜閥盤同時進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使水力振蕩器具有更好的使用效果。

4 現(xiàn)場試驗

該同心驅(qū)水力振蕩器于2022年4月15—19日進(jìn)行現(xiàn)場試驗，試驗井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市鄂托克前旗城川鎮(zhèn)，二開井身結(jié)構(gòu)。該井結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表1所示。

采用的鉆具組合為：?152.4 mm鉆頭×0.3 m+?127.0 mm馬達(dá)（本體扶正器?148.0 mm×1.25°）×7.67 m+?121.0 mm浮閥×0.5 m+?144.0 mm扶正器×0.57 m+?121.0 mm無磁鉆鋌×9.04 m+?142.0 mm扶正器×0.57 m+?121.0 mm無磁鉆鋌×9.22 m+311/DS38接頭+?101.6 mm加重鉆桿×196.93+?101.6 mm鉆桿×67.27 m+?121.0 mm水力振蕩器×6.37 m+鉆桿。

現(xiàn)場試驗施工參數(shù)：鉆壓60～80 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速0～60 r/min，鉆井液排量16～20 L/s，泵壓22～24 MPa，含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2％～0.3％，總固相體積分?jǐn)?shù)1％～4％。

試驗井段該同心驅(qū)水力振蕩器應(yīng)用井段808～3 152 m，單套工具入井101 h，循環(huán)88 h，進(jìn)尺2 344 m，滑動118 m。該井段機械鉆速34.22 m/h，滑動行程鉆速8.68 m/h，單根工具累計應(yīng)用平均進(jìn)尺13 608 m，平均壽命919 h。

而在同等試驗條件下，常規(guī)水力振蕩器工具應(yīng)用井段809～3 191 m，單套工具入井149 h，循環(huán)121 h，進(jìn)尺2 382 m，滑動217 m，該井段機械鉆速25.61 m/h，滑動行程鉆速6.61 m/h，單根工具累計應(yīng)用平均進(jìn)尺9 897 m，平均壽命721 h。

現(xiàn)場試驗結(jié)果表明：同心驅(qū)水力振蕩器能夠完全滿足一般環(huán)境下的鉆井技術(shù)要求，并且能大幅提高鉆井效率；相同條件下較常規(guī)水力振蕩器的平均機械鉆速提高33.62%，工具平均使用壽命延長27.46%。

5 結(jié)論及建議

（1）在同心驅(qū)水力振蕩器的工作過程中，鉆井液會對閥盤系統(tǒng)產(chǎn)生沖蝕磨損，尤其是在動靜閥盤的交界處；過流面積的變化會對沖蝕速率產(chǎn)生影響，隨著過流面積減小鉆井液對閥盤系統(tǒng)的沖蝕速度會逐漸升高。

（2）對比3種動、靜閥盤的優(yōu)化方式，發(fā)現(xiàn)對動、靜閥盤同時進(jìn)行倒角時，所產(chǎn)生的沖蝕速率最小，優(yōu)化效果最好。

（3）同心驅(qū)水力振蕩器可以滿足一般環(huán)境下的鉆井技術(shù)要求，具有良好的應(yīng)用前景。建議加強同心驅(qū)水力振蕩器的研究并進(jìn)行深入的現(xiàn)場試驗，同時應(yīng)結(jié)合我國不同區(qū)域油氣田井身結(jié)構(gòu)特點，進(jìn)行相應(yīng)尺寸的工具研發(fā)，為我國油田低成本開發(fā)提供技術(shù)參考。

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第一作者簡介：雷中清，高級工程師，生于1982年，2012年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油礦場機械專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事鉆井提速工具及技術(shù)研究工作。地址：（300280）天津市濱海新區(qū)。email：lzqhy@163.com。