自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具水力元件性能分析與優(yōu)化

雷 鵬，倪紅堅(jiān)，王瑞和，宋慧芳，王 鵬，宋維強(qiáng)，鐘 強(qiáng)

（中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580）

發(fā)展破巖鉆井新方法，有效提高鉆井速度對(duì)于高效獲取地下油氣資源具有重要意義［1］。理論研究和實(shí)踐均證實(shí)，脈沖射流與旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)可有效提高鉆速，但二者的應(yīng)用范圍和工作穩(wěn)定性均有一定局限性［2－4］?；诂F(xiàn)有技術(shù)分析，本文綜合脈沖射流和旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)的優(yōu)勢(shì)［2，5－7］，提出了自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井方法，該鉆井方法的核心是加裝于鉆頭上部的自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具，而其水力元件的性能是保證該項(xiàng)技術(shù)實(shí)施效果的關(guān)鍵。本文采用大渦模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，分析了自激振蕩水力元件的調(diào)制機(jī)理，優(yōu)化了其結(jié)構(gòu)參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井方法可行。研究結(jié)果為自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)的發(fā)展提供了依據(jù)，并有助于推動(dòng)石油鉆井及相關(guān)巖石鉆鑿工具和工藝技術(shù)的發(fā)展。研究兼具理論和應(yīng)用價(jià)值。

1 自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具原理

自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)的核心工具結(jié)構(gòu)見圖1。鉆井液經(jīng)過工具內(nèi)的一級(jí)和二級(jí)自激振蕩器的調(diào)制，在二級(jí)振蕩器出口形成壓力脈動(dòng)，該壓力脈動(dòng)在二級(jí)振蕩器下端通過驅(qū)動(dòng)桿轉(zhuǎn)化為對(duì)鉆頭的沖擊振動(dòng)，同時(shí)壓力脈動(dòng)繼續(xù)下行，通過鉆頭水眼，形成脈沖射流作用于井底。沖擊振動(dòng)與脈沖射流聯(lián)合作用改善井底巖石的受力狀況，強(qiáng)化井底巖屑的清洗，提高了破巖效率。

2 數(shù)值模型

自激振蕩水力元件內(nèi)的流場(chǎng)較復(fù)雜，各因素相互聯(lián)系，共同影響水力元件性能，采用合適的分析方法，有利于獲取水力元件內(nèi)部動(dòng)態(tài)特性。目前，湍流數(shù)值模擬方法主要有大渦模擬方法（LES）、雷諾時(shí)均方法（RANS）、直接數(shù)值模擬方法（DNS）。其中，LES可以獲取RANS方法無法獲得的湍流運(yùn)動(dòng)的細(xì)微結(jié)構(gòu)和流動(dòng)圖像，又比DNS方法所需要的計(jì)算量小得多［8－10］，被廣泛認(rèn)為是一種非常有前景的湍流數(shù)值模擬方法。本文利用大渦模擬方法對(duì)自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的水力元件進(jìn)行數(shù)值仿真分析，力圖更加深入的了解自激振蕩射流流場(chǎng)的振蕩特性及動(dòng)態(tài)特征。

圖1 自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具結(jié)構(gòu)Fig．1 The structure of selfoscillating rotary drilling tool

2.1 控制方程

目前LES模擬主要用于不可壓縮流體，針對(duì)本次研究，采用連續(xù)性方程和N－S方程作為大渦模擬的基本控制方程：

在計(jì)算中，需要對(duì)N－S方程進(jìn)行濾波，首先利用濾波函數(shù)將流動(dòng)變量分解成大尺度量f（ x，t）和小尺度量 f′（x，t）：

其中，

式中G（x，x′）為給定的核函數(shù)，稱為濾波函數(shù)，將式（3）代入N－S方程和連續(xù)性方程：

即可得到大尺度量（ x，t）滿足的大渦模擬方程：

式（6）中的τij稱為湍流亞網(wǎng)格應(yīng)力：

τij為亞網(wǎng)格張力，需要封閉模型：

其中μt為亞網(wǎng)格湍流粘性力，S—ij是其張量旋率，定義為：

2.2 基本假設(shè)

2．3 物理模型與邊界條件

物理模型見圖2。為了減小模型規(guī)模，根據(jù)模型的特點(diǎn)取模型的一半并在對(duì)稱面上采用對(duì)稱邊界。采用六面體與四面體相結(jié)合網(wǎng)格劃分方式，并對(duì)流體流動(dòng)相對(duì)復(fù)雜的兩個(gè)腔室進(jìn)行局部細(xì)化，相關(guān)網(wǎng)格模型見圖3。網(wǎng)格劃分后，模型的規(guī)模在74萬至84萬個(gè)單元。

圖2 物理模型Fig．2 Physical model

圖3 網(wǎng)格劃分Fig．3 Mesh

入口邊界：取入口處流量為 0．032 m3／s；出口邊界：出口壓力101 325 Pa；壁面邊界：壁面條件采用壁面函數(shù)法，固體表面采用無滑移邊界條件。

考慮到初始化時(shí)間、數(shù)值耗散以及計(jì)算精度等因素影響，壓力速度耦合方式采用SIMPLEC算法，設(shè)置的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0．002 s。

3 調(diào)制原理分析

基于已有自激振蕩式水力元件研究［15］，開展了探索性研究，確定現(xiàn)場(chǎng)原理樣機(jī)（結(jié)構(gòu)1）試驗(yàn)所用的水力元件尺寸為：上腔室：入口直徑D1＝28 mm，出口直徑D2＝32 mm，腔徑D4＝95 mm，腔長(zhǎng)L1＝96 mm；下腔室：入口直徑D2＝32 mm，出口直徑D3＝38 mm，腔徑D5＝135 mm，腔長(zhǎng)L2＝130 mm。

對(duì)上述水力元件進(jìn)行大渦模擬分析發(fā)現(xiàn)，可將自激振蕩水力元件兩個(gè)腔室內(nèi)的壓力場(chǎng)劃分為四個(gè)區(qū)，即噴嘴出口能量聚集一區(qū)，中心負(fù)壓二區(qū)，邊界高壓區(qū)三區(qū)，出口高壓四區(qū)（見圖3）［13］。流體經(jīng)一級(jí)振蕩器的入口加速，形成高速射流噴入一級(jí)振蕩腔，因射流在腔室內(nèi)呈發(fā)散狀流動(dòng)，到達(dá)振蕩腔下部時(shí)，部分流體與下碰撞壁發(fā)生碰撞后，沿振蕩腔壁向上流動(dòng)，并與上碰撞壁再次發(fā)生碰撞，形成圍繞振蕩腔內(nèi)中心射流束的渦環(huán)，高速運(yùn)動(dòng)的渦環(huán)在腔室中心形成了中心低壓二區(qū)，該區(qū)對(duì)流經(jīng)兩個(gè)渦環(huán)中間的流體形成阻尼作用（圖4（a））。在中心低壓二區(qū)的阻尼作用下，中心低壓二區(qū)上方形成了能量聚集一區(qū)（圖4（b）），這兩個(gè)區(qū)是調(diào)制脈沖射流的關(guān)鍵。一區(qū)與二區(qū)相互影響的結(jié)果致使二區(qū)的阻尼效果不斷增強(qiáng)，一區(qū)聚集的能量不斷增多，當(dāng)一區(qū)的能量增大到一定程度，上腔室內(nèi)的壓力分布的不均度達(dá)到最大（圖4（c）），此后，能量聚集一區(qū)的壓力突然沖破中心低壓二區(qū)的阻礙，將能量聚集一區(qū)的能量迅速釋放，形成了短暫的高壓流（圖4（d））；當(dāng)一區(qū)的能量完全釋放后，上腔室的壓力分布又回到初始狀態(tài)。如此反復(fù)循環(huán)，在上腔室出口形成了脈沖射流。流體在二級(jí)振蕩器內(nèi)的經(jīng)歷與一級(jí)振蕩器運(yùn)動(dòng)變化過程類似，其壓力脈動(dòng)被進(jìn)一步放大，作用在打擊力傳遞面上（見圖2），形成周期性的沖擊力傳遞至鉆頭，改善鉆頭與巖石的相互作用狀況，二級(jí)振蕩腔內(nèi)的流體經(jīng)二級(jí)振蕩腔的出口噴出，形成脈沖射流向下傳遞至井底，用于強(qiáng)化井底清洗（見圖5～圖6）。

圖4 雙級(jí)自激振蕩水力元件腔室內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化Fig．4 The field pressure contours change with time of two oscillation chamber

圖5 原理樣機(jī)打擊力傳遞面的沖擊力Fig．5 Combat plane hitting force of principle prototype

自激振蕩腔可單獨(dú)使用，也可串聯(lián)使用，為了比較兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，分析了一種單級(jí)自激振蕩水力元件（D1＝32 mm，D2＝38 mm，D4＝135 mm，L1＝130 mm，入口流量0．032 m3／s）的出口壓力脈動(dòng)并與原理樣機(jī)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示，兩種自激振蕩水力元件均可產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，但是雙級(jí)水力元件的壓力脈動(dòng)變化幅度為450 kPa，明顯優(yōu)于單級(jí)水力元件的壓力脈動(dòng)變化幅度 185 kPa（圖6）。

圖6 不同結(jié)構(gòu)自激振蕩水力元件壓力變化對(duì)比Fig．6 Compare the pressure of different hydraulic components

有研究表明，結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)自激振蕩式水力元件的性能具有顯著影響［7，13－15］。為了驗(yàn)證上述結(jié)論是否適合于雙級(jí)自激振蕩式水力元件，模擬分析了流體在結(jié)構(gòu)2（D1＝28 mm，D2＝32 mm，D3＝38 mm，D4＝95 mm，D5＝135 mm，L1＝48 mm，L2＝65 mm）內(nèi)的流場(chǎng)變化情況。結(jié)果表明，在結(jié)構(gòu)2內(nèi)有多個(gè)低壓二區(qū)形成，多個(gè)渦環(huán)的存在增加了腔室內(nèi)部的壓力損耗，能量聚集一區(qū)的存在微弱，流體在通過此結(jié)構(gòu)時(shí)所產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)較小，僅為235 kPa（圖6與圖7）。研究進(jìn)一步證實(shí)了優(yōu)選自激振蕩式水力元件結(jié)構(gòu)參數(shù)的重要性。

圖7 結(jié)構(gòu)2雙級(jí)自激振蕩水力元件腔室內(nèi)壓力分布云圖Fig．7 The pressure contours in structure two of two oscillation chamber

4 性能優(yōu)化與試驗(yàn)

上述分析證實(shí)了雙級(jí)自激振蕩水力元件能夠產(chǎn)生壓力脈動(dòng)與沖擊力，但是雙級(jí)自激振蕩水力元件影響因素較多，為提高分析效率，將正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法用于自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的性能優(yōu)化。

4．1 自激振蕩腔的串聯(lián)方式

雙級(jí)自激振蕩水力元件存在上腔室直徑大或者下腔室直徑大的結(jié)構(gòu)，為確定這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，設(shè)定D1＝D2＝D3＝28 mm，互換上、下腔室進(jìn)行分析。結(jié)果表明，上腔室直徑小的結(jié)構(gòu)出口壓力脈動(dòng)要優(yōu)于上腔室直徑大的結(jié)構(gòu)，因此在后續(xù)研究中均選取下腔室直徑大的結(jié)構(gòu)。

表1 腔室互換結(jié)果Tab．1 The results of chamber swaps

4．2 性能優(yōu)化

基于215．9 mm井眼用鉆井工具的實(shí)際尺寸（外徑多為177．8 mm）、鉆具的承壓能力和鉆機(jī)負(fù)荷的限制的考慮，設(shè)定自激振蕩式水力元件的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍，結(jié)果見表2。

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍Tab．2 The range of the structural parameters

對(duì)上述因素采用 L16（4）5正交設(shè)計(jì)，分析結(jié)果見表3。

表3 正交設(shè)計(jì)數(shù)值模擬結(jié)果Tab．3 Results of numerical simulation on orthogonal design

對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果參見表4～表5。

k1是因素D2取相同值時(shí)，出口壓力脈動(dòng)的平均值，k2、k3、k4與 k1的算法類似。K1、K2、K3、K4則是各因素對(duì)沖擊力影響的平均值。分別對(duì)出口壓力脈動(dòng)與沖擊力對(duì)各結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響進(jìn)行極差分析，各因素按照影響大小依次為：上腔室出口直徑D2＞上腔室腔長(zhǎng)L1＞下腔室腔長(zhǎng)L2＞上腔室腔徑D4＞下腔室出口直徑D3，其中上腔室腔徑D4與下腔室出口直徑D3影響相對(duì)較小。優(yōu)化后自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具水力元件出口壓力脈動(dòng)與打擊力傳遞面上沖擊力較優(yōu)化前有顯著的提高，其沖擊力由優(yōu)化前的5．8 kN提高至10．8 kN，壓力脈動(dòng)由優(yōu)化前的450 kPa提高至780 kPa（圖 8）。

表4 壓力脈動(dòng)極差分析結(jié)果Tab．4 Range analysis results of pressure fluctuation

表5 沖擊力極差分析結(jié)果Tab．5 Range analysis results of hitting force

圖8 優(yōu)化后打擊面上沖擊力與出口壓力脈動(dòng)Fig．8 Optimized combat plane hitting force and outlet pressure pulsation

4．3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

所研制的自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的原理樣機(jī)（水力元件的結(jié)構(gòu)尺寸見前述結(jié)構(gòu)1）于2010年在勝利油田進(jìn)行了試驗(yàn)（采用在鉆具與鉆頭之間加裝自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的鉆具結(jié)構(gòu)）。試驗(yàn)簡(jiǎn)圖見圖9。鉆柱旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，柴油機(jī)帶動(dòng)鉆井泵將鉆井液通過管線泵入鉆柱，利用鉆具將鉆井液輸送至自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具，該工具利用鉆井液給鉆頭施加具有一定頻率沖擊力的作用，形成旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井，同時(shí)將連續(xù)鉆井液轉(zhuǎn)化為具有一定壓力脈動(dòng)的流體通過鉆頭水眼噴出形成脈沖射流作用于井底，強(qiáng)化井底清潔。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)簡(jiǎn)圖Fig．9 Test diagram

試驗(yàn)結(jié)果顯示，使用自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具可明顯提高鉆速，證明自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具原理可行（試驗(yàn)結(jié)果見表6）。

表6 工具試驗(yàn)情況Tab．6 The case of tool tests

依據(jù)前述對(duì)水力元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬優(yōu)化的結(jié)果，研制了自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具。并于2011年至2012年在勝利油田進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，優(yōu)化后工具的提速效果顯著優(yōu)于優(yōu)化前的，平均提速效果由優(yōu)化前的30．1%提高至63．5%，證明所采用的優(yōu)化分析方法正確可行，該方法的成功應(yīng)用促進(jìn)了自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)的發(fā)展（試驗(yàn)結(jié)果見表 7）。

勝利油田5口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明自激振蕩旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具使用方便，現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單，不改變現(xiàn)有鉆具結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有鉆頭與鉆井參數(shù)具有良好的適應(yīng)性，應(yīng)用前景廣闊。

表7 優(yōu)化后工具試驗(yàn)情況Tab．7 the case of optimized tool tests

注：（1）機(jī)速對(duì)比采用距離最近，工況相近的可比原則對(duì)比；（2）史106－4在井段2593－2855井段因鉆井需要未使用工具；（3）史106－4與史106－7使用工具一套，PDC鉆頭一個(gè)。

5 結(jié) 論

（1）采用大渦模擬的方法分析了雙級(jí)自激振蕩水力元件的調(diào)制機(jī)理，證明所提出的自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井方法原理正確可行。

（2）大渦模擬結(jié)果揭示流體在自激振蕩水力元件內(nèi)可形成低壓渦環(huán)與高壓聚能區(qū)，二者的相互影響形成了周期性的壓力脈動(dòng)。

（3）采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的水力元件進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后其使用性能有了明顯改善，表明優(yōu)化自激振蕩水力元件方法正確、可行。所得結(jié)論可作為相關(guān)工程應(yīng)用領(lǐng)域優(yōu)化自激振蕩水力元件的依據(jù)。

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