摘"" 要：為了提高定向井硬質地層中的機械鉆速，設計了一種短長度全金屬的復合脈沖鉆井提速工具。該工具能同時產(chǎn)生高頻低幅的扭轉沖擊和軸向脈動沖擊，且兩種沖擊為串聯(lián)結構?；谒O計的工具特點及工作原理，利用理論分析與數(shù)值模擬相結合的方式，分析了扭轉沖擊壓降及水力脈沖結構內(nèi)部流場域，并對工具樣機進行了性能試驗。研究表明，該工具中扭轉沖擊噴嘴尺寸越小，扭轉沖擊壓降越大，近似成二次函數(shù)關系;試驗中，擺錘兩端面會產(chǎn)生壓差波動，兩端面的壓力呈正壓差、負壓差交替波動趨勢，表明扭轉沖擊能夠及時完成換向，推動擺錘往復運動;該工具中水力脈沖能產(chǎn)生軸向脈動沖擊，且壓降隨流量增加而增大，近似呈二次函數(shù)關系，同時明確了軸向水力脈沖產(chǎn)生軸向沖擊的原理。該工具的研制為定向井的提速提效提供了一種新手段。

關鍵詞：扭轉沖擊;軸向沖擊;水力脈沖;流場計算

中圖分類號：TE921.2"""""""" 文獻標志碼：A"""""" doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.01.001

收稿日期： 2024-07-14

基金項目： 中國石油天然氣集團有限公司科學研究與技術開發(fā)項目“萬米超深層油氣資源鉆完井關鍵技術與裝備研究”（2022ZG06）;中國石油集團直屬院所基礎研究和戰(zhàn)略儲備技術研究基金“油氣井破裂套管增材修復機器人關鍵機構總成研究”（2023DQ03-04）。

作者簡介： 許朝輝（1976-），男，湖北鄂州人，高級工程師，主要從事鉆井工具開發(fā)的研究工作，E-mail：xuzhhdr@cnpc.com.cn。

Design and Experimental Analysis of Composite Pulse Drilling Speed Increasing Tools

XU Zhaohui1，2，ZHA Chunqing3，F(xiàn)AN Jinchao1，2，ZHANG Mi4

（1.CNPC Engineering Technology Ramp;D Company Limited，Beijing 102206，China; 2. National Engineering Research Center for Oil and Gas Drilling and Completion Technology，Beijing 102206，China; 3. Beijing University of Technology，Beijing 100124，China;4. CNPC Offshore Engineering Co.， Ltd.，Beijing 100028，China）

Abstract： In order to enhance the mechanical drilling velocity in challenging formations encountered in directional wells， a compact all-metal composite tool has been developed to facilitate increased drilling speeds. The tool is capable of simultaneously generating high-frequency and low-frequency torsional impacts and axial pulsating impacts， with the two impacts occurring in a series structure. A combination of theoretical analysis and numerical simulation was employed to analyze the torsional impact pressure drop and the internal flow field of the hydraulic pulse structure， based on the characteristics and working principle of the designed tool. A series of performance tests were conducted on the tool prototype. The findings indicate that a reduction in the size of the torsional impact nozzle within the tool results in an increase in the pressure drop of torsional impact， exhibiting a quadratic relationship. In the experiment， fluctuations in the pressure difference between the two end faces of the pendulum were observed， with an alternating trend of positive and negative pressure differences at both ends. It shows that torsional impact can effectively reverse the pendulum′s motion and drive it back and forth in a timely manner. Additionally， the hydraulic pulse in the tool was discovered to generate axial pulsation impact， with the pressure drop increasing in proportion to the flow rate， exhibiting a quadratic function relationship. Furthermore， the principle of axial pulsation generated by axial hydraulic pulses is elucidated. The development of this tool offers a new method for enhancing the speed and efficiency of directional drilling operations.

Key words： torsional impact; axial impact; hydraulic pulse; flow field calculation

文章編號：1001-3482（2025）01-0001-05

鉆井工程中，機械鉆速的提高是一個永恒的目標[1]。沖擊類工具是一種針對硬質地層提速的有效方法[2]。隨著定向井勘探開發(fā)增多，彎螺桿成為了一種較為廣泛的應用工具。在定向井中利用沖擊來實現(xiàn)提速，需要將該類工具安裝在彎螺桿及PDC鉆頭之間，沖擊類工具與彎螺桿結合應用要求如圖1所示。

該類工具在與彎螺桿的結合中，需要考慮的因素有：①工具的總長有一定的限制，過長會影響彎螺桿的造斜;②工具的壓降不能過高;③沖擊載荷不能對MWD等儀器產(chǎn)生影響，且不能產(chǎn)生低頻水力脈沖（頻率不干涉）。

目前沖擊類工具主要包括：

1） 扭轉沖擊類工具[3-4]。以阿特拉公司的Torkbuster工具為代表，通過給PDC鉆頭提供高頻扭轉沖擊，提高PDC鉆頭破巖載荷及改善PDC鉆頭的切削狀態(tài)來實現(xiàn)提高硬質地層的機械鉆速，但該類工具不能增加切削深度。

2） 軸向沖擊類工具[5-8]。以大載荷的軸向沖擊來直接破巖，因此該類工具長度較長，在定向井中應用受限。

3） 復合沖擊類工具[9-14]。同時給鉆頭提供高頻低幅軸向沖擊和扭轉沖擊，發(fā)揮兩種沖擊的特點，實現(xiàn)快速破巖，是一種適用于定向井提速的工具。

為此，針對定向井提速的實際需求，提出了“扭轉沖擊+自激振蕩水力脈沖”的復合脈沖鉆井破巖方式，并設計了工具結構。本文對所提出的復合脈沖鉆井提速工具結構進行了分析，并利用試驗對結構的可行性及理論計算進行了驗證。

1 鉆具結構及工作原理

1.1 鉆具結構

設計的復合脈沖鉆井提速工具及結構如圖2所示，其結構主要包括扭轉沖擊總成和自激振蕩軸向沖擊總成。其中，扭轉沖擊總成是由高壓鉆井液驅動擺錘往復擺動，并通過六方結構傳遞到下端的鉆頭座上，形成往復的扭轉沖擊載荷。從扭轉沖擊中流出的流體經(jīng)過下端的軸向沖擊總成上的噴嘴處，經(jīng)過自激振蕩腔，形成脈沖射流，同時產(chǎn)生軸向脈動沖擊。

該工具的特點為：

1） 工具的總長度較短，上扣長度僅為0.75 m（172型號）。

2） 所設計的扭轉沖擊總成和軸向沖擊總成為串聯(lián)結構，兩種結構獨立運行。

3） 整個工具為全金屬材料，耐溫性能好。

2 鉆具流場計算

該鉆具中的流場如圖3所示。其中高壓鉆井液從左端進入工具內(nèi)部，首先進入扭轉腔體內(nèi)，在下端設置有一個節(jié)流噴嘴，此處產(chǎn)生一個壓降，使得一部分流體進入擺錘的腔體內(nèi)，并驅動擺錘轉動，從擺錘處排出的流體在節(jié)流噴嘴處匯合，并流入到軸向腔體內(nèi)。

由于扭轉腔體和軸向腔體內(nèi)的流體為串聯(lián)結構，在計算兩部分的流場時，可以分別進行計算。

2.1 扭轉腔體的流場計算

根據(jù)流量守恒定律，扭轉沖擊結構節(jié)流噴嘴鉆井液流量、通過小孔進入擺錘腔體流量與入口總流量應滿足：

Q=Q1+Q2（1）

式中：Q為入口總流量，L/s;Q1為節(jié)流噴嘴鉆井液流量，L/s;Q2為擺錘腔體流量，L/s。

根據(jù)流場中串聯(lián)流體的壓力關系，得出扭轉腔體節(jié)流噴嘴處的壓降Δp1與擺錘所產(chǎn)生的壓降Δp2相等。鉆井液流入節(jié)流噴嘴產(chǎn)生的壓降為：

Δp1=ρξ1ν12（2）

式中：ρ為密度kg/m3;ξ1為局部壓降系數(shù);ν1為鉆井液流速，m/s。擺錘低壓腔鉆井液壓力為：

pH=p2-Δpk （3）

式中：pH為擺錘低壓腔鉆井液壓力;p2為高壓腔壓力;Δpk 為壓降。

根據(jù)以上分析，扭轉沖擊的壓降主要與節(jié)流噴嘴的尺寸直接相關，尺寸越小，流速越高，所產(chǎn)生的壓降越大;同時擺錘兩端的壓差越大，所產(chǎn)生的沖擊幅值越大，沖擊頻率越高。因此，噴嘴是扭轉沖擊結構設計中的重點。

2.2 軸向腔體計算

設計的軸向腔體是一種水力脈沖振蕩腔，由于尺寸限制，設計為一種單級結構，其結構示意圖如圖4所示。

為了驗證該種結構的可行性，利用Fluent軟件對其進行了計算。根據(jù)水力脈沖振蕩腔，選取Pressure-Based的壓力修正算法，離散型是選擇二階迎風格式，操作壓力和參考壓力均為大氣壓。多相流模型選擇混合物（Mixture）模型。具體前處理與求解器參數(shù)設置如下：

1） 求解器類型。基于絕對速度下穩(wěn)態(tài)流體的壓力修正算法。

2） 湍流模型。RNG k-e模型。

3） 材料選擇。氣體為空氣，液體為水。

4） 邊界設置。速度入口，壓力出口。

5） 求解方法。Simple;湍流算法：一階迎風格式;壓力算法：二階迎風格式;梯度選項：最小四方晶格法。

6） 求解控制及初始化。松弛因子設置為壓力0.3，體力1.0，紊動能0.8。

水力脈沖振蕩腔體的壓力分布云圖如圖5所示，高壓流體從左上端進入水力脈沖振蕩腔體的內(nèi)部。在進入的過程中，由于在下端會出現(xiàn)一個流體通道的截面積減小，使得流體在該部分產(chǎn)生了一個壓力突變的情況，同時減小的流體截面積會使得在上噴嘴位置處的流體的流速突然增大。增大的流體高速向下流，在這個過程中，一部分的流體從下噴嘴處直接流出，同時有一部分的流體撞擊到下端面，并形成渦旋（圖5中的曲線）。形成的渦旋會使得流體和中間向下的流體匯合，從而形成脈動的流體力并撞擊到下壁面處。從壓力分布來看，該結構能實現(xiàn)流體壓力的波動。

水力脈沖振蕩腔體一個周期內(nèi)的不同時間段的兩相變化云圖如圖6所示，當脈沖波動穩(wěn)定后，觀察腔內(nèi)氣囊的變化過程，可以發(fā)現(xiàn)在氣囊變化的一個周期內(nèi)，可以根據(jù)腔內(nèi)氣囊的變化形態(tài)將流場變化分為三個階段。第一階段：氣囊膨脹階段。隨著腔內(nèi)壓力的降低，低壓區(qū)的增大，腔內(nèi)氣囊在碰撞壁上部區(qū)域不斷聚集，體積不斷朝腔室的前端膨脹，腔內(nèi)能量不斷儲集。第二階段：氣囊破碎階段。當氣囊膨脹到一定體積后，氣囊開始破碎，形成許多小氣囊，這些小氣囊與腔內(nèi)液體混合，形成大面積的氣液混合區(qū)，此時腔內(nèi)的含氣量達到最大，氣囊的破碎伴隨著能量的釋放。第三階段：氣囊收縮階段。隨著新的射流的注入，腔內(nèi)壓力開始回升，空化受到抑制，氣囊體積逐漸收縮。氣囊的體積和位置在中心射流周圍不斷地周期性變化是引起自激脈沖波動的主要原因。

3 鉆具室內(nèi)試驗研究

為了驗證該工具原理的可行性，同時分析該工具中結構參數(shù)與性能參數(shù)之間的關系，并驗證理論計算模型，對所設計的復合脈沖鉆井提速工具進行試驗研究。

3.1 試驗設計

所設計的試驗方案如圖7所示。水箱、離心泵及復合沖擊工具由高壓管線相連，將壓力傳感器分別置于水力脈沖振蕩腔入口、出口處、擺錘的兩個腔體內(nèi)，用于測量流體在水力脈沖振蕩腔入口、出口以及擺錘兩端的壓力變化。

如圖7所示，試驗中，需要分別測量：

1） 扭轉沖擊腔內(nèi)擺錘的兩端腔體內(nèi)的流體壓力波動。

2） 水力脈沖振蕩腔體內(nèi)上下流體壓力波動。

試驗過程中，可以通過更換不同尺寸的扭轉沖擊節(jié)流噴嘴及不同尺寸軸向水力脈沖振蕩腔下噴嘴，如圖8所示。

3.2 試驗結果

1） 軸向水力脈沖壓力波動。

試驗中測量的軸向水力脈沖振蕩腔入口、出口壓力波動如圖9所示。

從圖9可以看出：①在水力脈沖振蕩腔的出口處壓力出現(xiàn)了明顯的壓力波動，即該結構能產(chǎn)生一定幅值的軸向脈動沖擊載荷;②隨著排量的增大，所產(chǎn)生的壓力波動越大;③水力脈沖振蕩腔整體壓降隨流量增加而增大，近似呈二次函數(shù)關系;上噴嘴直徑

對水力脈沖振蕩腔整體壓降影響較大，壓降隨上噴嘴直徑增大而減小，而下噴嘴直徑對其影響較小。

2） 扭轉沖擊腔體內(nèi)壓力波動。

扭轉沖擊擺錘左右腔體內(nèi)壓力波動如圖10所示。

由圖10可以看出，左右腔體內(nèi)出現(xiàn)明顯壓力波動。從擺錘上下兩端面壓差波動曲線可以看出作用在擺錘兩端面的壓力呈正壓差、負壓差交替波動趨勢，表明扭轉沖擊能夠及時完成換向，推動擺錘往復運動。

4 結論

1） 研制了復合脈沖鉆井提速工具，能同時產(chǎn)生高頻低幅扭轉沖擊和軸向脈動沖擊，具有長度短、全金屬的特點，能配合彎螺桿應用于定向井的鉆進。

2） 建立了復合脈沖鉆井提速工具的流場計算模型，利用數(shù)值模擬分析了內(nèi)部流場，得出了扭轉沖擊噴嘴尺寸對壓降的影響，明確了軸向水力脈沖產(chǎn)生軸向沖擊的原理。

3） 工具的試驗結果表明，該工具中水力脈沖能產(chǎn)生軸向脈動沖擊，且壓降隨流量增加而增大，近似呈二次函數(shù)關系;擺錘兩端面會產(chǎn)生壓差波動，兩端面的壓力呈正壓差、負壓差交替波動趨勢，表明扭轉沖擊能夠及時完成換向，推動擺錘往復運動。

參考文獻：

[1] 穆總結，李根生，黃中偉，等. 振動沖擊鉆井提速技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 石油鉆采工藝，2020，42（3）：253-260.

[2] 甘心.鉆井提速用振動沖擊工具研究進展[J].鉆探工程，2021，48（2）：85-93.

[3] 張海山，葛俊瑞，楊進，等.扭力沖擊器在海上深部地層的提速效果評價[J].斷塊油氣田，2014，21（2）：249-251.

[4] 李瑋，李卓倫，劉偉卿，等. 扭轉沖擊提速工具在文安區(qū)塊的現(xiàn)場應用[J]. 特種油氣藏，2016，23（4）：144-146.

[5] 饒開波，劉彬，王義雄，等. 水力脈沖空化射流鉆井技術現(xiàn)場試驗[J]. 鉆采工藝，2012，35（5）：121-122.

[6] 史懷忠，李根生，沈忠厚，等. 水力脈沖空化射流發(fā)生器配合 Power V 防斜打快技術[J]. 石油鉆探技術，2009，

37（1）：14-17.

[7] 索忠偉，王甲昌，張海平，等. 軸沖鉆井在塔河工區(qū)超深井段的應用[J]. 石油鉆采工藝，2013，35（4）：44-46.

[8] 袁新梅，孫起昱，王愛芳，等. 旋沖鉆井技術及裝備的發(fā)展現(xiàn)狀和展望[J]. 石油礦場機械，2007，（3）：7-10.

[9] 查春青，柳貢慧，李軍，等. 復合沖擊鉆具的研制及現(xiàn)場實驗[J]. 石油鉆探技術，2017，45（1）：57-61.

[10] 劉偉吉，曾義金，祝效華，等. 單齒復合沖擊切削破巖機制及其與扭轉沖擊的對比[J].中國石油大學學報（自然科學版），2020，44（3）：74-80.

[11] 熊振宇，田壯壯，何陽子，等.復合沖擊器在西湖凹陷深部地層鉆井中的應用[J].海洋石油，2021，41（4）： 85-89.

[12] 楊迎新，楊燕，陳欣偉，等.PDC 鉆頭復合鉆進破巖機理及個性化設計探討[J].地下空間與工程學報，2019，

15（2）：565-575.

[13] 劉書斌，倪紅堅，張恒. 軸扭復合沖擊工具的研制與應用[J]. 石油鉆探技術，2020，48（5）：69-76.

[14] 賈紅軍，王攀，馮偉雄，等. 深井硬巖地層鉆井高頻低幅扭轉振蕩耦合沖擊器研制與應用[J]. 特種油氣藏， 2018，25（4）：158-163.

（編輯：韓睿超）