水力振蕩器振動特性的影響因素

余長柏，黎明，劉洋，李紅，信石玉

（1.中國石化石油工程機(jī)械有限公司研究院，湖北 武漢 430000；2.中國石化石油機(jī)械裝備重點實驗室，湖北 武漢 430000）

水力振蕩器振動特性的影響因素

余長柏1，2，黎明1，2，劉洋1，2，李紅1，2，信石玉1，2

（1.中國石化石油工程機(jī)械有限公司研究院，湖北 武漢 430000；2.中國石化石油機(jī)械裝備重點實驗室，湖北 武漢 430000）

為了合理分析水力振蕩器的振動特性影響因素，文中根據(jù)水力振蕩器在井下的實際工況，通過條件假設(shè)、模型簡化，建立了關(guān)于水力振蕩器井下工具組合的振動分析模型，選取合適的鉆井參數(shù)，分析得到水力振蕩器在靜閥板中心孔直徑不同、相對鉆頭的安放位置不同時的振動特性。通過室內(nèi)實驗與下井試驗，進(jìn)一步分析這2個重要參數(shù)對工具振動特性的影響。研究表明：隨著靜閥板中心孔直徑的增大，水力振蕩器的振動位移和振動速度均逐漸減??；隨著安放位置與鉆頭距離的增大，水力振蕩器的振動位移和振動速度均逐漸增大。研究結(jié)果對下井工藝的應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。

水力振蕩器；振動分析；中心孔直徑；安放位置；減摩降阻

0 引言

定向井、水平井和大位移井技術(shù)是有效開發(fā)復(fù)雜油氣藏、海洋油氣資源的重要手段［1-3］。在定向井、水平井和大位移井的實際鉆探過程中，其斜井段和水平段的鉆柱與井壁直接接觸，導(dǎo)致摩阻成為鉆井過程中的一個關(guān)鍵問題，國內(nèi)外圍繞鉆井減阻問題進(jìn)行了大量研究。蔡偉偉［4］用實驗方法驗證了化學(xué)減阻方法能夠減小井壁摩阻；李博［5］通過水力振蕩器在某井中的實際應(yīng)用，有效地降低水平井摩阻；董學(xué)成等［6］用數(shù)值模擬分析的方法，研究了不同參數(shù)對水力振蕩器破巖效率的影響；Franklin等［7］通過分析不同的應(yīng)用案例，驗證了水力振蕩器對頁巖氣開采具有很大幫助；田家林等［8］從理論上分析鉆井振蕩器工作的振動特性，并通過臺架實驗，驗證了鉆井振蕩器的工作效果。

上述主要針對現(xiàn)場試驗研究，并未進(jìn)行水力振蕩器井下振動特性的理論分析和井下工作模型的建立。因此，為進(jìn)一步深入分析水力振蕩器的工作特性，建立了井下工具組合的振動分析模型，分析了水力振蕩器軸向振動特性的影響因素，為井下工具組合的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)，并為鉆井工具提速增效提供新思路。

1 振蕩器結(jié)構(gòu)及原理

水力振蕩器主要由軸向振動短節(jié)、動力短節(jié)、閥門系統(tǒng)3部分組成，如圖1所示。其中，動力短節(jié)主要由螺桿組成，閥門系統(tǒng)主要由振蕩閥盤和定閥盤組成［9］。

圖1 水力振蕩器結(jié)構(gòu)示意

軸向振動短節(jié)主要由心軸、外管、活塞、碟簧組組成，如圖2所示。

圖2 軸向振動短節(jié)結(jié)構(gòu)示意

由圖1和圖2可知，水力振蕩器是通過一對閥門周期性的相對運(yùn)動，把流經(jīng)動力部分的流體能量轉(zhuǎn)化為壓力脈沖，將該壓力脈沖傳遞給振動短節(jié)，由振動短節(jié)帶動鉆具在軸線方向上進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，使鉆具在井底的靜摩擦變成動摩擦。這樣既有效地降低了鉆具摩阻，又達(dá)到了改善鉆壓傳遞效果的目的，且不影響MWD、螺桿鉆具的使用［10］。

2 分析模型

為建立水力振蕩器在水平井中的振動模型，假設(shè)：1）水力振蕩器處于水平井的水平段，井眼軌跡為直線，忽略鉆柱正弦屈曲或螺旋屈曲對振動的影響；2）忽略接頭和加重鉆桿以及其他工具引起的截面變化，將鉆桿整個看成均勻變化的圓環(huán)面；3）忽略鉆井液的影響，包括鉆井液攜帶的巖屑對井底鉆柱振動的影響；4）忽略鉆頭與巖石，以及鉆柱與井壁的相互作用以及大鉤荷載變化的影響。建立的振動模型如圖3所示。

圖3 水力振蕩器在水平井中的振動模型

將水力振蕩器簡化為具有一定剛度和質(zhì)量的一段鉆柱，并且有一個周期性變化的作用力作用在該段鉆桿上。水力振蕩器以下部分簡化為質(zhì)量均勻變化、內(nèi)外壁直徑不變的一個鉆柱串，并且質(zhì)量按照該段鉆柱串相應(yīng)的質(zhì)量進(jìn)行計算，即考慮接頭和加重鉆桿的質(zhì)量。鉆柱和水力振蕩器為彈性變形，并且鉆柱橫截面為圓環(huán)形，軸線為水平方向，鉆頭可看作剛體，不產(chǎn)生彈性變形。左側(cè)為上部鉆井系統(tǒng)，其質(zhì)量遠(yuǎn)大于減震器和振蕩器組合的質(zhì)量，為了簡化計算模型，忽略碟簧組的彈性力對上部鉆井系統(tǒng)的影響。

根據(jù)牛頓第二定律得到每個節(jié)點的振動方程，利用有限單元法考慮所有節(jié)點，可得到水力振蕩器以下的整個鉆柱系統(tǒng)的振動方程為

式中：x為節(jié)點位移，m；x˙為速度，m/s-1；x¨為加速度，m/ s2；M，C，K分別為整體質(zhì)量矩陣、整體阻尼矩陣、整體剛度矩陣；Fa為系統(tǒng)在截斷位置受到的由于鉆柱重力產(chǎn)生的軸向力，N；F為水力振蕩器受到的軸向力，N；Ffric為井下鉆柱系統(tǒng)與井壁之間的摩擦力，N；Fb為巖石對鉆頭的作用力，N，與鉆頭受到的鉆壓大小相等、方向相反。

節(jié)點的剛度k計算公式為

式中：E為材料的彈性模量，GPa；A為節(jié)點的截面面積，m2；l為節(jié)點的長度，m。

對于鉆柱的整體阻尼矩陣，可以用它的整體質(zhì)量矩陣和整體剛度矩陣近似表示，即：

其中，α=0.1，β=0.001。

水力振蕩器受到的軸向力F可近似看作正余弦函數(shù)［8］，其大小與工具內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工況相關(guān)：

式中：F0為水力振蕩器靜軸向力，kN；F1為水力振蕩器軸向力幅值，kN；f為水力振蕩器工作頻率，Hz；t為水力振蕩器工作時間，s；δ為水力振蕩器軸向力相位，（°）。

由于水力振蕩器的作用會使整個鉆柱產(chǎn)生振動，鉆柱受到的井壁摩擦力會隨節(jié)點的速度方向變化而變化，可表示為

式中：μ為鉆柱與井壁之間的摩擦因數(shù)；m為節(jié)點的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2。

巖石對三牙輪鉆頭的作用力為［11］

式中：Nb為牙輪個數(shù)；Nr為鉆頭的轉(zhuǎn)速，r/min；F2為靜鉆壓，kN。

3 算例分析

3.1 基本參數(shù)

考慮到水力振蕩器工作的實際情況，水力振蕩器和鉆井相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 基本參數(shù)

根據(jù)建立的水力振蕩器井下振動模型和基本參數(shù)，現(xiàn)選取不同的水力振蕩器靜閥板中心孔直徑和相對于鉆頭的安放位置這2個影響因素，對比分析水力振蕩井下振動特性的變化。

3.2 靜閥孔直徑的影響

現(xiàn)僅以靜閥板中心孔直徑作為變量進(jìn)行振動分析。假設(shè)水力振蕩器的安放位置距離鉆頭120m，將水力振蕩器看作一個節(jié)點，水力振蕩器以下部分每12m作為一個節(jié)點，共11個節(jié)點。輸入流量30 L/s，輸入泵壓為20 MPa。

根據(jù)表1和鉆柱系統(tǒng)的振動方程（式（1）），計算得到在靜閥板中心孔直徑為3.048cm時開始振動，并且有一定的波動，振動位移和速度都較大，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定后，振動位移在0.003 1～0.011 3m波動，振動速度在±0.088m/s間波動，如圖4所示。

同理，通過改變靜閥板中心孔直徑，水力振蕩器產(chǎn)生的軸向力F發(fā)生改變，即工具的井下振動特性發(fā)生改變，可以根據(jù)上述計算靜閥板中心孔直徑為3.048cm時的方法，分析得到水力振蕩器在穩(wěn)定后的振動位移和振動速度見表2。

根據(jù)以上分析可知，在水力振蕩器距離鉆頭位置和輸入泵壓不變的情況下，隨著水力振蕩器靜閥板中心孔直徑的增大，水力振蕩器的振動位移逐漸減小，同時振動速度也逐漸減小。

圖4 靜閥板中心孔直徑為3.048cm的振動結(jié)果

表2 靜閥板中心孔直徑不同時的振動位移和振動速度

3.3 安放位置的影響

現(xiàn)假設(shè)水力振蕩器安放在距離鉆頭150m的位置，水力振蕩器產(chǎn)生的軸向力發(fā)生改變，工具井下振動特性相應(yīng)改變，同理代入相應(yīng)計算公式，求解得出振動結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，開始振動會有一定的波動，振動位移和速度均較大，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，工具振動位移在0.003 2～0.011 9m波動，振動速度在±0.12m/s之間波動。

圖5 距離鉆頭150m的振動結(jié)果

通過改變水力振蕩器的安放位置，分析得到水力振蕩器在穩(wěn)定后的振動位移和振動速度見表3。

表3 不同安放位置時的振動位移和振動速度

分析可知，在靜閥板中心孔直徑和輸入泵壓不變的情況下，隨著水力振蕩器的安放位置與鉆頭的距離的增大，水力振蕩器的振動位移逐漸增大，振動速度也逐漸增大。

水力振蕩器不同的靜閥板中心孔直徑和安放位置對其振動特性影響較大，因此在實際應(yīng)用過程中，要根據(jù)不同的井身結(jié)構(gòu)和地質(zhì)工況，選取對應(yīng)的鉆具組合，以最大限度地提高工具的使用效果。

4 實驗分析

4.1 室內(nèi)實驗

室內(nèi)實驗所用的設(shè)備有實驗臺架1臺、泵2臺、水力蕩器工具組合1套、壓力傳感器、位移傳感器管匯（包括節(jié)流閥、旁通閥、出口總閥、進(jìn)出水管道等）。實驗中通過旁通閥、節(jié)流閥進(jìn)行流量壓力控制，泵壓和流量可達(dá)5 MPa和30 L/s。實驗流程如圖6所示。

圖6 實驗流程

室內(nèi)實驗測得數(shù)據(jù)見表4。由表4分析可得，在泵的輸入流量（30 L/s）不變的情況下，隨著水力振蕩器靜閥板中心孔直徑的增大，水力振蕩器的入口與出口的壓差逐漸減小，進(jìn)而影響其軸向振動，導(dǎo)致工具的振動特性產(chǎn)生變化。

表4 實驗數(shù)據(jù)

室內(nèi)實驗主要是為了模擬水力振蕩器的頻率、工作壓降和振動位移和速度，并將實驗測試結(jié)果與理論計算結(jié)果進(jìn)行對比。隨著靜閥孔直徑增大，水力振蕩器的頻率基本不變。由于靜閥孔直徑增大會使水力振蕩器產(chǎn)生的激振力減小，因此會使振動位移和振動速度逐漸減小。這與數(shù)值模擬的計算結(jié)果基本相符，驗證了數(shù)值模擬的正確性。

4.2 現(xiàn)場試驗

在廣華寺組底進(jìn)行下井試驗測試，并驗證水力振蕩器的提速效果。試驗井段為：φ215.9 mm鉆頭+ φ165.0 mm1.25°單彎動力鉆具+回壓凡爾+φ127.0 mm無磁承壓鉆桿9m+MWD（隨鉆測量儀器）+φ127.0 mmHWDP（加重鉆桿）13根+φ165.0 mm水力振蕩器+ φ127.0 mm鉆桿。工具入井后進(jìn)行淺層測試，結(jié)果表明，加入水力振蕩器后MWD信號傳輸正常到底后定向鉆進(jìn)進(jìn)尺364m。判斷牙輪鉆頭可能過度磨損或已經(jīng)損壞起鉆。根據(jù)距離最近、層位相同、深度相同和鉆進(jìn)參數(shù)相同具有可比性原則，選取鄰井對比分析，最低提高機(jī)械鉆速33%，平均提高機(jī)械鉆速46%。

通過調(diào)整水力振蕩器在井底的安裝位置、流量、動靜閥板孔徑等重要參數(shù)，分析下井試驗數(shù)據(jù)可得，在水力振蕩器工作過程中，其上部的鉆具組合在井筒內(nèi)產(chǎn)生的軸向振動特性（位移、速度等）會隨著工作條件的變化而變化。根據(jù)實際應(yīng)用的需要，合理選擇水力振蕩器的輸入流量［12］、安裝位置和動靜閥板孔徑等重要影響因素，確保工具振動達(dá)到最佳工作狀態(tài)，更有效地減小鉆柱與井壁之間的摩阻，從而提高鉆井效率，節(jié)約鉆井成本。

5 結(jié)論

1）在水力振蕩器距離鉆頭位置和輸入泵壓不變的情況下，隨著水力振蕩器靜閥板中心孔直徑的增大，水力振蕩器的振動位移和振動速度均逐漸減小。

2）在靜閥板中心孔直徑和輸入泵壓不變的情況下，隨著水力振蕩器安放位置與鉆頭距離的增大，水力振蕩器的振動位移和振動速度均逐漸增大。

3）水力振蕩器在工作過程中能夠使鉆具產(chǎn)生縱向的往復(fù)運(yùn)動，使鉆具在井下的靜摩擦變成動摩擦，大大降低了摩擦阻力，可以有效地減少因井眼軌跡而產(chǎn)生的鉆具托壓現(xiàn)象，保證有效鉆壓。

4）在實際應(yīng)用過程中，要根據(jù)不同的井身結(jié)構(gòu)和地質(zhì)工況，調(diào)整工具水力參數(shù)，選取對應(yīng)的鉆具組合，最大限度提高工具的使用效果。

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（編輯 孫薇）

Influence factors on vibration characteristics of hydraulic oscillator

YU Changbai1，2,LI Ming1，2,LIU Yang1，2,LI Hong1，2,XIN Shiyu1，2
(1.Institute of SINOPEC Oilfield Equipment Corporation,Wuhan 430000,China;2.SINOPEC Key Laboratory of Petroleum Equipment,Wuhan 430000,China)

In order to analyze the influencing factors on the vibration characteristics of the hydraulic oscillator,according to the actual working condition of the hydraulic oscillator,the vibration analysis model of downhole tool combination of the hydraulic oscillator is established on the condition assumption and model simplification.By selecting appropriate drilling parameters,the vibration characteristics are analyzed and obtained when the diameter of the static valve plate center hole and the place position of the bit are different.Laboratory and downhole experiments show that,with the diameter increase of the center hole of the valve plate, the vibration displacement and vibration velocity of the hydraulic oscillator are gradually reduced;with the increase of the distance between the position and the drill,the vibration displacement and vibration velocity of the hydraulic oscillator are gradually increased.The research results have important guiding significance for downhole technology applications of hydraulic oscillator.

hydraulic oscillator;vibration analysis;center hole diameter;installation position;friction reduction

中石化集團(tuán)公司先導(dǎo)科技項目“水力振蕩器工具先導(dǎo)性試驗”（JPJ11003）

TE921

A

10.6056/dkyqt201606033

2016-03-23；改回日期：2016-09-19。

余長柏，男，1981年生，2009年碩士畢業(yè)于西南石油大學(xué)，主要從事石油鉆采機(jī)械、井下工具設(shè)計和仿真方面的研究。E-mail：yuchangbai@163.com。

余長柏，黎明，劉洋，等.水力振蕩器振動特性的影響因素［J］.斷塊油氣田，2016，23（6）：842-845，850.

YU Changbai，LI Ming，LIU Yang，et al.Influence factors on vibration characteristics of hydraulic oscillator［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（6）：842-845，850.