插針式水力振蕩器的研制及應(yīng)用*

史懷忠 成鵬飛 穆總結(jié) 席傳明

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室克拉瑪依分室 3. 中國(guó)石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院)

0 引 言

新疆吉木薩爾凹陷頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)潛力巨大[1]，為擴(kuò)大該區(qū)塊開(kāi)采波及范圍及提高油層動(dòng)用程度，主要采用“水平井+體積壓裂”技術(shù)[2]，其中水平段長(zhǎng)度普遍在1 000～2 000 m。由于水平段較長(zhǎng)，存在摩阻扭矩大、井眼清潔困難及托壓現(xiàn)象嚴(yán)重等難題，從而導(dǎo)致機(jī)械鉆速降低、鉆井周期延長(zhǎng)和成本的提高[3-5]。隨著吉木薩爾頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)的不斷深入[6-7]，為有效改善托壓現(xiàn)象，同時(shí)為減少對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的過(guò)度依賴(lài)，降低鉆井成本，進(jìn)行了“大功率螺桿+水力振蕩器”的技術(shù)試驗(yàn)，應(yīng)用效果顯著[8-9]。水力振蕩器的應(yīng)用已成為提高水平井鉆井速度的重要技術(shù)手段。

常規(guī)的水力振蕩器主要采用容積式盤(pán)閥馬達(dá)設(shè)計(jì)[10-19]，主要包括振動(dòng)短節(jié)和動(dòng)力短節(jié)。其工作原理是通過(guò)鉆井液驅(qū)使動(dòng)力短節(jié)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)盤(pán)閥產(chǎn)生脈沖壓降，該脈沖壓降作用于振動(dòng)短節(jié)，驅(qū)使振動(dòng)短節(jié)產(chǎn)生高頻低幅的沖擊振動(dòng)，從而將鉆柱與井壁之間的靜摩擦力改為動(dòng)摩擦力，大幅減小摩阻，實(shí)現(xiàn)鉆壓的有效傳遞。常規(guī)水力振蕩器的技術(shù)弊端為動(dòng)力短節(jié)的定子橡膠件在井底高溫環(huán)境下無(wú)法正常使用，在吉木薩爾頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為了保證井壁穩(wěn)定以及減小摩阻，必須采用油基鉆井液進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)[20]，而定子橡膠無(wú)法適應(yīng)油基鉆井液環(huán)境。因此，常規(guī)的水力振蕩器技術(shù)已無(wú)法適應(yīng)吉木薩爾頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)技術(shù)要求。

為有效解決常規(guī)水力振蕩器的技術(shù)弊端，實(shí)現(xiàn)水平井鉆進(jìn)過(guò)程中減摩降阻，從而更好地實(shí)現(xiàn)提速提效，本文進(jìn)行了插針式純金屬水力振蕩器的研究及應(yīng)用。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

插針式水力振蕩器由花鍵心軸、花鍵外筒、連接筒、振蕩碟簧、下外筒、滑套筒、插針碟簧、滑套、鎖帽以及下接頭等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。花鍵心軸與花鍵外筒之間通過(guò)花鍵嵌套在一起，起到復(fù)合密封效果?；ㄦI外筒與連接筒通過(guò)螺紋連接在一起，其連接方式和密封方式與常規(guī)鉆桿扣型連接方式類(lèi)似，即通過(guò)端面實(shí)現(xiàn)機(jī)械密封。振蕩活塞通過(guò)螺紋連接在花鍵心軸下端，其與連接筒之間的密封通過(guò)復(fù)合密封組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。振蕩碟簧設(shè)計(jì)在花鍵心軸、花鍵外筒、連接外筒和振蕩活塞之間，保證井底工具振動(dòng)效果。下外筒通過(guò)螺紋連接在連接筒下端，并通過(guò)端面實(shí)現(xiàn)密封。滑套筒通過(guò)螺紋連接在下外筒內(nèi)，并通過(guò)O形密封圈保證靜密封效果?；自O(shè)計(jì)在滑套筒內(nèi)，插針碟簧設(shè)計(jì)在滑套筒和滑套之間，保證滑套的往復(fù)運(yùn)動(dòng)效果。鎖帽通過(guò)螺紋連接在滑套筒下方，保證了插針碟簧的有效裝配。下接頭通過(guò)螺紋連接在下外筒下方，并通過(guò)端面密封保證密封效果。

1—花鍵心軸；2—花鍵外筒；3—連接筒；4—振蕩碟簧；5—振蕩活塞；6—下外筒；7—滑套筒；8—插針碟簧；9—滑套；10—鎖帽；11—下接頭。

1.2 工作原理

插針式水力振蕩器根據(jù)鉆具組合特點(diǎn)安放在井底特定位置[21]?；ㄦI心軸與下接頭分別與井底鉆柱相連接，在鉆井過(guò)程中，鉆井液由花鍵心軸經(jīng)滑套后，通過(guò)下接頭流入下部鉆柱，在滑套和滑套筒上分別設(shè)有可供鉆井液流通的孔，如圖2所示。當(dāng)鉆井液通過(guò)滑套時(shí)，由于滑套對(duì)鉆井液的節(jié)流作用，鉆井液驅(qū)動(dòng)滑套壓縮插針碟簧下行至鎖帽的內(nèi)臺(tái)階處并被限位，此時(shí)滑套上的孔與滑套筒上的孔重合，即滑套與滑套筒連通。此時(shí)部分鉆井液將通過(guò)滑套和滑套筒上的孔經(jīng)滑套筒與下外筒之間的環(huán)形空間流入下接頭，此為工具的泄壓過(guò)程。由于泄壓作用，插針碟簧將在預(yù)緊力的作用下驅(qū)動(dòng)滑套恢復(fù)原位(見(jiàn)圖2)。

該振蕩器脈沖壓力產(chǎn)生過(guò)程如圖3所示。當(dāng)滑套與滑套筒不連通時(shí)，鉆井液處于節(jié)流狀態(tài)，此時(shí)產(chǎn)生的壓降最大(見(jiàn)圖3a)；當(dāng)滑套與滑套筒連通時(shí)，由于泄壓作用，此時(shí)工具產(chǎn)生的壓降最小(見(jiàn)圖3b)，插針碟簧驅(qū)動(dòng)滑套恢復(fù)原位后，壓降再次達(dá)到最大值(見(jiàn)圖3c)。該過(guò)程將產(chǎn)生連續(xù)的脈沖壓力Δp(插針式水力振蕩器的動(dòng)力)。

圖2 滑套與滑套筒連通過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of connection process between sliding sleeve and cylinder

圖3 插針式水力振蕩器脈沖壓力產(chǎn)生過(guò)程Fig.3 Generation of pulse pressure of pin type hydraulic oscillator

插針式水力振蕩器往復(fù)振蕩產(chǎn)生過(guò)程如圖4所示。從圖4可見(jiàn)，此連續(xù)的脈沖壓降Δp作用于振蕩活塞環(huán)形端面處，給振蕩活塞一個(gè)脈沖的作用力，驅(qū)動(dòng)振蕩活塞向上運(yùn)動(dòng)，行程為ΔL，即產(chǎn)生一次振動(dòng)沖擊作用(見(jiàn)圖4a)。在活塞向上作用過(guò)程中，將壓縮碟簧組做功?；着c滑套筒連通時(shí)，壓降最小，此時(shí)碟簧將恢復(fù)預(yù)緊狀態(tài)，即驅(qū)動(dòng)心軸及活塞向下運(yùn)動(dòng)至初始狀態(tài)(見(jiàn)圖4b)，此時(shí)，完成一個(gè)周期的振動(dòng)沖擊。當(dāng)脈沖壓降再次達(dá)到Δp時(shí)，活塞再次上行，并壓縮碟簧做功，驅(qū)動(dòng)心軸向上運(yùn)動(dòng)，再產(chǎn)生一次振動(dòng)沖擊作用；當(dāng)壓降達(dá)到最小時(shí)，心軸及活塞再次恢復(fù)到初始狀態(tài)。心軸將產(chǎn)生連續(xù)的高頻低幅振動(dòng)沖擊作用，該振動(dòng)沖擊力又作用于井底鉆柱，不僅將驅(qū)動(dòng)井底鉆柱高頻振動(dòng)，使鉆柱與井壁之間的靜摩擦轉(zhuǎn)換為動(dòng)摩擦，大幅降低摩擦因數(shù)，而且可保證鉆壓的有效傳遞，從而消除或減少托壓現(xiàn)象。

圖4 插針式水力振蕩器往復(fù)振蕩過(guò)程示意圖Fig.4 Schematic diagram of reciprocating oscillation process of pin type hydraulic oscillator

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

結(jié)合吉木薩爾頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)井身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，插針式水力振蕩器的參數(shù)設(shè)計(jì)為：工具外徑172 mm，工具內(nèi)徑62 mm，適用鉆井液排量25～35 L/s，工具整體壓降≤3 MPa，工具振動(dòng)頻率11～15 Hz，振幅6～8 mm，工具上、下連續(xù)接扣型均為API-NC50。

2 仿真模擬研究

作用在插針式水力振蕩器中振蕩活塞上的力可為花鍵心軸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，同時(shí)也是配套碟簧選擇的重要依據(jù)。為計(jì)算該作用力，選用CFD計(jì)算軟件進(jìn)行建模。結(jié)合工具工作原理，分別模擬滑套與滑套筒連通及閉合兩種極限條件下的流場(chǎng)分布。

2.1 模型建立及邊界條件設(shè)置

圖5為簡(jiǎn)化后的流體域模型。當(dāng)滑套上連通孔閉合時(shí)，流體只能從工具內(nèi)部通過(guò)。此時(shí)滑套下端截面積減小，工具上端壓力上升。當(dāng)滑套與滑套筒連通后，在分流作用下壓力迅速降低。應(yīng)用Geometry處理模塊，兩種工況下工具下端都將采用壓力邊界，數(shù)值設(shè)置為0.1 MPa，以有效模擬鉆井液柱壓力；工具上端采用速度邊界，設(shè)置入口鉆井液初始流速為30 L/s，基于工具結(jié)構(gòu)尺寸，速度設(shè)置為3.56 m/s，仿真過(guò)程中可通過(guò)改變?nèi)肟诹魉?，模擬不同排量下工具內(nèi)的壓力分布情況。

圖5 水力振蕩器流體域模型Fig.5 Fluid domain model of metal hydraulic oscillator

2.2 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

通過(guò)ICEM-CFD對(duì)整個(gè)計(jì)算域采用適應(yīng)性較強(qiáng)的四面體非結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并采用局部加密的方法對(duì)開(kāi)孔位置處的流域進(jìn)行網(wǎng)格加密，以滿(mǎn)足開(kāi)孔處的速度比及壓力變化。網(wǎng)格正交質(zhì)量對(duì)單元采用面法向的矢量、從單元中心指向每個(gè)相鄰單元中心的矢量，以及從單元中心指向每個(gè)面的矢量進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果顯示，絕大多數(shù)網(wǎng)格質(zhì)量均在0.8以上，故網(wǎng)格質(zhì)量滿(mǎn)足數(shù)值計(jì)算需求。

2.3 計(jì)算模型求解

Realizablek-ε湍流模型針對(duì)不同的流體運(yùn)動(dòng)類(lèi)型適應(yīng)性較強(qiáng)，包括射流與混合流的自由流動(dòng)、管道內(nèi)流動(dòng)及邊界層流動(dòng)等。該模型適用于模擬水力振蕩器流道內(nèi)高速流體的運(yùn)動(dòng)，能夠得到較為精確的結(jié)果。

模型理論建立在流體的連續(xù)性方程(見(jiàn)式(1))和動(dòng)量方程(見(jiàn)式(2))基礎(chǔ)上。

(1)

(2)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t、ti分別為總時(shí)間及時(shí)間分量，s；vi、vj均為速度分量，m/s；xi、xj為各坐標(biāo)分量；p為壓力，MPa；μ為分子黏度，mPa·s；μi為湍流黏度，mPa·s。

代入模型的求解參數(shù)對(duì)方程進(jìn)行變形，得到Realizablek-ε湍流模型：

(3)

(4)

式中：ε為耗散率；k為湍動(dòng)能，J；σε、σk為耗散率和湍動(dòng)能的湍流普朗特常量；Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能，J；Gb為浮力作用產(chǎn)生的湍動(dòng)能，J；YM為可壓縮湍動(dòng)脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響因子；C1、C2、C3、C1ε及C3ε為湍流方程常系數(shù)；E為渦動(dòng)黏滯系數(shù)，即對(duì)數(shù)流速分布公式中的常系數(shù)；v為流體總速度，m/s。

2.4 模擬結(jié)果分析

圖6為排量30 L/s條件下的計(jì)算結(jié)果。工具上端內(nèi)徑相同，流體速度與壓力分布無(wú)明顯變化。工具下端在滑套內(nèi)徑縮小時(shí)流體速度明顯提升，而壓力逐漸減小。根據(jù)伯努利方程，這是由于流體能量在壓能和動(dòng)能之間發(fā)生相互轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的。作用在滑套縮徑處的壓力為其運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，直至流體下一次泄壓。配套碟簧在滑套移動(dòng)時(shí)積聚的彈力與流體作用在滑套上的壓力達(dá)到平衡?；诖?，可以確定碟簧勁度系數(shù)等參數(shù)，以保證工具正常工作。

圖6 流通狀態(tài)下流體域分布特征Fig.6 Fluid domain distribution characteristics in flow state

滑套與滑套筒關(guān)閉及連通時(shí)流體作用在振蕩活塞端面上的壓力如圖7所示。從圖7可知：當(dāng)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，工具下端泄流面積小，端面壓力較大；反之，滑套通孔打開(kāi)時(shí)作用在端面上的壓力會(huì)有一定程度的減小。在兩種壓差作用下振蕩活塞發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)其運(yùn)動(dòng)行程和流體壓差可以合理選擇振蕩碟簧的勁度系數(shù)。

圖8為不同排量條件下振蕩活塞端面所受作用力的變化規(guī)律。從圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著鉆井液排量的增大，流體作用力呈不斷增大趨勢(shì)。這主要是由于當(dāng)工具下端泄流面積發(fā)生變化時(shí)，輸入流體不斷增加的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為更多的壓力勢(shì)能?；诖耍谠O(shè)計(jì)工具時(shí)，應(yīng)提前確定鉆井液排量變化范圍，以便選擇合適碟簧，從而保障鉆井過(guò)程安全順利。

圖7 不同狀態(tài)下活塞端面壓力分布Fig.7 Pressure distribution of piston end face in different states

圖8 不同排量下活塞端面作用力的變化規(guī)律Fig.8 Variation of piston end force with different flow rates

2.5 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

(1)插針式水力振蕩器通過(guò)井底產(chǎn)生高頻低幅振動(dòng)沖擊作用，大幅減小鉆柱與井壁之間的摩擦因數(shù)，消除或減少托壓現(xiàn)象，保證了鉆壓的有效傳遞，達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目的。

(2)插針式水力振蕩器無(wú)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)部件，機(jī)械加工簡(jiǎn)單，較常規(guī)水力振蕩器成本低。

(3)插針式水力振蕩器為純金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠滿(mǎn)足深井、水平井鉆井技術(shù)要求，可滿(mǎn)足在高溫高壓以及油基鉆井液等環(huán)境中的鉆井技術(shù)要求，同時(shí)純金屬結(jié)構(gòu)可延長(zhǎng)其井底使用壽命。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)井基本情況

JHW058**井位于新疆吉木薩爾縣。該井構(gòu)造位于準(zhǔn)噶爾盆地東部吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁(yè)巖油層位，為一口水平采油井，二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)。該井設(shè)計(jì)井深為5 645 m，目的層位為二疊系蘆草溝組(P2l22)。該井井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表1所示。井身結(jié)構(gòu)如圖9所示。

表1 JHW058**井井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)Table 1 Casing program data of Well JHW058**

圖9 JHW058**井井身結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Casing program of Well JHW058**

該井地層泥巖較發(fā)育，水敏性強(qiáng)，容易造成井眼縮徑、垮塌。在造斜井段韭菜園組至梧桐溝組泥巖較發(fā)育，水敏性強(qiáng)，垮塌井壁穩(wěn)定性差，井眼縮徑和垮塌較嚴(yán)重，為確保井壁穩(wěn)定以及井眼質(zhì)量，決定在二開(kāi)造斜段開(kāi)展白/柴油基鉆井完井液體系鉆進(jìn)。鉆井液體系及配方如表2所示。結(jié)合該井油基鉆井液體系，常規(guī)水力振蕩器的定子橡膠無(wú)法適應(yīng)油基鉆井液環(huán)境，遂開(kāi)展插針式純金屬水力振蕩器的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

表2 JHW058**井二開(kāi)井段油基鉆井液配方Table 2 Formula of oil-based drilling fluid in the second spud section of Well JHW058**

3.2 試驗(yàn)情況及結(jié)果

插針式水力振蕩器于2020年9月2—10日進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用鉆具組合為：?215.9 mm PDC鉆頭+?172.0 mm螺桿+?172.0 mm雙外接頭+?172.0 mm電阻率+?172.0 mm雙外接頭+?172.0 mm懸掛短節(jié)+?172.0 mm保護(hù)接頭+?127.0 mm加重鉆桿3根+?127.0 mm斜坡鉆桿17根+轉(zhuǎn)換接頭+?127.0 mm插針式水力振蕩器+?127.0 mm斜坡鉆桿+?127.0 mm加重鉆桿36根+?127.0 mm斜坡鉆桿?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)施工參數(shù)：鉆壓20～50 kN，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速0～50 r/min，鉆井液排量20～32 L/s，泵壓18～20 MPa，鉆井液密度1.55～1.60 g/cm3，漏斗黏度53～67 s，含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%～0.2%。

試驗(yàn)井段為定向造斜段至水平段起點(diǎn)，實(shí)際進(jìn)尺為3 185～4 102 m，進(jìn)尺層位為三疊系韭菜園組、二疊系梧桐溝組及蘆草溝組。單套工具累計(jì)入井7.98 d，井下純鉆時(shí)間110.32 h，單套工具累計(jì)進(jìn)尺917 m，平均機(jī)械鉆速8.31 m/h，較該區(qū)塊相同井深鄰井的平均機(jī)械鉆速(6.23 m/h)提速33.5%?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，插針式水力振蕩器能夠完全滿(mǎn)足油基鉆井液環(huán)境中的鉆井技術(shù)要求，同時(shí)能夠大幅緩解鉆頭托壓現(xiàn)象，提高機(jī)械鉆速。

4 結(jié)論及建議

(1)插針式水力振蕩器通過(guò)脈沖壓力驅(qū)動(dòng)花鍵心軸產(chǎn)生高頻低幅振動(dòng)沖擊，將井底鉆柱與井壁之間的靜摩擦轉(zhuǎn)換為動(dòng)摩擦，大幅減小摩擦因數(shù)，保證了有效鉆壓的實(shí)時(shí)傳遞，起到了提速效果。

(2)插針式水力振蕩器為純金屬設(shè)計(jì)，可以滿(mǎn)足油基鉆井液環(huán)境下長(zhǎng)壽命鉆井技術(shù)要求，同時(shí)適用于高溫高壓地層的鉆井作業(yè)，具有良好的應(yīng)用前景。

(3)建議加強(qiáng)插針式水力振蕩器的研究并進(jìn)行深入的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，同時(shí)應(yīng)結(jié)合我國(guó)不同區(qū)域油氣田井身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行相應(yīng)尺寸的工具研發(fā)設(shè)計(jì)，為我國(guó)頁(yè)巖油氣田低成本高效開(kāi)發(fā)提供技術(shù)參考。