水力振蕩器的工作原理及未來發(fā)展趨勢

聶宇晗

(中石化江鉆石油機械有限公司，湖北 武漢 430223)

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著鉆井作業(yè)技術(shù)發(fā)展與油氣資源開采難度增大，常規(guī)的直井、斜井等井型已不足以滿足開采作業(yè)的需要，超深井、水平井、三維井、叢式井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井型在鉆井作業(yè)中的使用越來越多。復(fù)雜的井型極大程度地影響了整個鉆具組合與井壁之間的摩阻，導(dǎo)致鉆壓的傳遞效率降低，造成鉆進(jìn)速度下降、憋卡等不良影響。美國國民油井華高公司(NOV)是首家將水力振蕩器進(jìn)行商業(yè)化運用的公司，最初用于連續(xù)管作業(yè)中。由于水力振蕩器極為有效地降低了鉆具與鉆柱等在鉆井過程中與井壁的摩阻，極大地提高了鉆進(jìn)速度，從而逐漸被廣泛應(yīng)用于各種井型的作業(yè)中。該公司新一代水力振蕩器AgitatorTMSystem是一種螺桿式水力振蕩器，通過容積式馬達(dá)為動閥提供動力，從而改變動閥與靜閥之間的過流面積，產(chǎn)生壓力脈沖。在壓力脈沖的作用下，芯軸會發(fā)生軸向位移，產(chǎn)生振動，改善鉆具、鉆柱等與井壁的摩阻，提高鉆井效率。

相較于國外，國內(nèi)對水力振蕩器的研發(fā)較晚，但進(jìn)展速度較快，螺桿式水力振蕩器、自激式水力振蕩器、徑向水力振蕩器、軸向水力振蕩器等多種類型的提速工具已進(jìn)入商業(yè)化使用。螺桿式水力振蕩器結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)、組裝、維修便捷，是目前世界上各大石油設(shè)備制造公司最常用的水力振蕩器。

2 螺桿式水力振蕩器的結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成

螺桿式水力振蕩器主要有振蕩短節(jié)(下稱A短節(jié))和彈簧短節(jié)(下稱S短節(jié))2個主要部分組成。

A短節(jié)作為脈沖的發(fā)生器，主要結(jié)構(gòu)由定子、轉(zhuǎn)子、動閥總成和靜閥總成組成，其中轉(zhuǎn)子與動閥總成相連，靜閥總成與上端接頭相連。定子與轉(zhuǎn)子配合使用，是螺桿式水力振蕩器的動力源，是一種理論基礎(chǔ)成熟的容積式馬達(dá)，為動閥總成提供動扭矩與偏心轉(zhuǎn)動。由于水力振蕩器所需扭矩較小，采用單頭馬達(dá)與稍大于1級的密封即可滿足所需動力。水力振蕩器的轉(zhuǎn)子可以自由轉(zhuǎn)動，幾乎沒有扭向載荷，因此整個橡膠承受極少量的載荷，使用壽命大幅度提高。動閥總成與靜閥總成緊密貼合，鉆井液流經(jīng)動、靜閥總成上的過流孔。根據(jù)工況所需，通過理論計算，設(shè)計決定動、靜閥總成上的過流孔尺寸與靜閥總成上過流孔的偏心距，通過改變動、靜閥總成中的過流孔直徑的尺寸或是靜閥總成中過流孔的偏心距，可以產(chǎn)生不同的脈沖頻率。

S短節(jié)作為軸向振動的發(fā)生器和減震器，主要有花鍵芯軸、活塞和碟簧組成，花鍵芯軸部分與活塞組成的密封腔由硅油密封。硅油與碟簧兩種阻尼彈簧元件通過形變來儲存(釋放)能量，從而減小整個工具的震動與跳動。鋼制碟簧可以通過不同的組合方式來改變S短節(jié)的剛性，從而根據(jù)工況所需調(diào)整水力振蕩器的軸向位移，并且通過調(diào)整組合方式，可以使S短節(jié)具有可變的剛度，即在同一個行程內(nèi)初始剛度較低、后續(xù)剛度較高的性能。

2.2 工作原理

當(dāng)鉆井液進(jìn)入A短節(jié)后，定子與轉(zhuǎn)子螺旋線間產(chǎn)生的密封腔形成了高壓區(qū)與低壓區(qū)，壓差驅(qū)動轉(zhuǎn)子產(chǎn)生偏心轉(zhuǎn)動，并帶動動閥總成以相同的軌跡轉(zhuǎn)動。動閥總成的過流孔設(shè)置在動閥片的圓心位置，靜閥總成的過流孔則設(shè)置于靜閥片的偏心位置，動閥片與靜閥片緊密配合，通過動閥片的旋轉(zhuǎn)，使兩個過流孔重合的面積產(chǎn)生周期性的變化，從而使工具下端的過流面積產(chǎn)生周期性變化。過流面積的改變使上端壓力發(fā)生改變，周期性的壓力變化即壓力脈沖。當(dāng)過流面積減小時，鉆具上端壓力增大，從而推動活塞向上運動，使花鍵芯軸產(chǎn)生向上的軸向位移，碟簧與硅油壓縮儲能；當(dāng)過流面積增大時，鉆具上端壓力減小，碟簧與硅油釋放能量，推動活塞向下運動，使花鍵芯軸產(chǎn)生向下的軸向位移。如此高頻的循環(huán)反復(fù)，使水力振蕩器產(chǎn)生軸向振動。

3 水力振蕩器的未來發(fā)展趨勢

3.1 研發(fā)大排量的水力振蕩器

通過增大水力振蕩器的工作排量，可以極大程度地提高水力振蕩器的降摩阻效果，能在復(fù)雜井型中有效提升鉆進(jìn)速度，提升效率，減小鉆井周期。

3.2 通過優(yōu)化內(nèi)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)降低壓耗

目前無論是螺桿式水力振蕩器或是渦輪式水力振蕩器，都有著壓耗較大的問題。鉆井液經(jīng)過水力振蕩器后，鉆壓降低2～4 MPa，傳遞至鉆頭的壓力損失較大，使鉆井液對巖層的沖擊力減小，導(dǎo)致鉆進(jìn)速度下降。優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低壓耗，或是改進(jìn)壓力脈沖產(chǎn)生方式，是未來水力振蕩器結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要研發(fā)方向。

3.3 螺桿式水力振蕩器橡膠材料的研發(fā)

隨著鉆井作業(yè)的深度逐漸加深，井溫也越來越高，對于水力振蕩器在高溫工況下工作的穩(wěn)定性有著極大的挑戰(zhàn)。螺桿式水力振蕩器因為受到定子橡膠的限制，在過高的溫度下發(fā)生膨脹，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子憋卡、掉膠等問題。目前主要是用全金屬水力振蕩器在超高溫井中工作，但相較于全金屬水力振蕩器，螺桿式水力振蕩器結(jié)構(gòu)簡單，加工、組裝、維修較為便捷，成本較低，研發(fā)一種耐超高溫的橡膠，使螺桿式水力振蕩器能在超高溫的工況下工作，是一個重要的研究方向。

3.4 優(yōu)化水力振蕩器運動零部件的材料

隨著國內(nèi)鉆井作業(yè)對于水平段長度設(shè)計愈長，對于井下工具的使用壽命有著越苛刻的要求，水力振蕩器在工作中產(chǎn)生高頻脈沖，運動零部件(如動閥總成的動閥片和靜閥總成的靜閥片)的磨損和沖蝕極為嚴(yán)重。優(yōu)化運動零部件的材料，改進(jìn)運動零部件接觸面的涂層，從而提高工具的壽命，提升鉆井效率，是必然趨勢。

3.5 水力振蕩器安裝位置的模擬

通過水力振蕩器在井下使用經(jīng)驗的逐步積累，收集使用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并通過軟件對井下的情況進(jìn)行模擬，從而歸納出水力振蕩器在不同井型、井深時最適合的鉆具組合中的安裝位置，使其工作效率達(dá)到最佳狀態(tài)，既可以有效提升鉆進(jìn)速度，又可以避免其產(chǎn)生的高頻率振動對MWD等井下精密儀器設(shè)備造成的損壞。

4 結(jié)語

水力振蕩器的使用有效減小了鉆具、鉆柱與井壁之間的摩阻，提高了鉆井效率。相比于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)等工具，水力振蕩器提速效果好，使用成本較低，且已全部國產(chǎn)化，具有很好的推廣價值。但是由于其壓耗過大等問題，還需進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，以提高性能。