射流式脈沖短節(jié)設(shè)計(jì)及測(cè)試研究

趙潤(rùn)琦

中石化中原石油工程有限公司鉆井三公司

0 引言

水力振蕩器通過(guò)脈沖短節(jié)產(chǎn)生周期性壓力波，壓力波帶動(dòng)振蕩短節(jié)產(chǎn)生軸向和徑向的振動(dòng)，改善鉆具與井壁或套筒間的摩擦條件，解決鉆頭脫壓?jiǎn)栴}，提高鉆進(jìn)效率[1-6]，近年來(lái)獲得了廣泛應(yīng)用。水力振蕩器一般由振蕩短節(jié)和脈沖短節(jié)組成，振蕩短節(jié)結(jié)構(gòu)相似，脈沖短節(jié)差別很大，按脈沖短節(jié)結(jié)構(gòu)形式可以分為螺桿式、葉輪式、渦輪式和射流式等。射流式脈沖短節(jié)采用射流元件作為換向和動(dòng)力執(zhí)行部件[7-10]，活塞在射流元件驅(qū)動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞桿周期性改變節(jié)流盤(pán)過(guò)流面積，從而產(chǎn)生壓力波，具有良好的應(yīng)用前景。渤海鉆探針對(duì)射流脈沖短節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究，在射流式水力振蕩器設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方面取得了一系列進(jìn)展[11-14]，但在射流式脈沖短節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)與性能分析兩個(gè)方面缺乏理論指導(dǎo)，制約了射流式水力振蕩器性能與應(yīng)用。本文針對(duì)射流式脈沖短節(jié)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，研究射流式脈沖短節(jié)設(shè)計(jì)理論，分析射流式脈沖短節(jié)壓力脈沖特性，對(duì)射流式水力振蕩器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有重要意義。

1 射流式脈沖短節(jié)結(jié)構(gòu)及工作原理

射流式水力振蕩器脈沖短節(jié)結(jié)構(gòu)包括：上壓蓋、射流元件、缸體、調(diào)整錐桿、活塞桿、缸蓋、隔套、節(jié)流盤(pán)、碟簧、外缸等，連接關(guān)系詳見(jiàn)圖1。脈沖短節(jié)核心部件為射流元件、活塞與活塞桿、節(jié)流盤(pán)等。

1.外缸;2.上壓蓋;3.射流元件;4.缸體;5.調(diào)整錐桿;6.活塞桿;7.缸蓋;8.隔套;9.節(jié)流盤(pán);10.碟簧。

射流元件具有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)與換向雙重功能。其動(dòng)力驅(qū)動(dòng)原理為：上下沖程活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，射流穩(wěn)定附壁作用在射流元件一側(cè)壁面上，高速射流動(dòng)能轉(zhuǎn)為高壓后，在射流元件兩個(gè)輸出道產(chǎn)生壓力差p1和p2(如圖1)，兩側(cè)輸出道中的壓力差通過(guò)流道聯(lián)通到活塞缸中活塞上下端面上，驅(qū)動(dòng)活塞帶動(dòng)活塞桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。射流元件兩側(cè)輸出道壓差p1-p2是活塞桿上下運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源[15-18]。其換向原理為:當(dāng)活塞缸中的活塞運(yùn)動(dòng)到上下死點(diǎn)時(shí)，射流元件噴嘴射流會(huì)發(fā)生切換，射流由一側(cè)附壁流動(dòng)切換為另外一側(cè)附壁流動(dòng)，兩側(cè)輸出道與活塞缸上下腔高低壓力分布隨之改變，活塞上下端面的壓差也完成切換，活塞缸中的活塞在反向壓差作用下產(chǎn)生反向運(yùn)動(dòng)，從而完成運(yùn)動(dòng)換向。

節(jié)流盤(pán)是脈沖壓力產(chǎn)生部件，內(nèi)部為錐形結(jié)構(gòu)。鉆井液流入隔套時(shí)壓力為p3，當(dāng)活塞桿在節(jié)流盤(pán)內(nèi)部往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，過(guò)流面積會(huì)產(chǎn)生周期變化，過(guò)流壓差會(huì)產(chǎn)生周期變化，如圖1所示，過(guò)流后活塞桿端面位置壓力分別定義為p4與p4′。當(dāng)活塞桿運(yùn)動(dòng)到上死點(diǎn)時(shí)，活塞桿處于剛進(jìn)入節(jié)流盤(pán)位置，過(guò)流面積最大，此時(shí)壓力定義為p4；當(dāng)活塞桿運(yùn)動(dòng)到下死點(diǎn)時(shí)，活塞桿到達(dá)錐形結(jié)構(gòu)底部，過(guò)流面積最小，此時(shí)壓力定義為p4′。在周期性壓力p4-p4′作用下，射流式脈沖短節(jié)產(chǎn)生壓力波，壓力波向下作用在振動(dòng)短節(jié)上，振動(dòng)短節(jié)產(chǎn)生軸向振動(dòng)，降摩減阻防止鉆頭托壓，提高機(jī)械鉆速。

2 射流式脈沖短節(jié)設(shè)計(jì)理論研究

2.1 射流式脈沖短節(jié)穩(wěn)定工作條件

基于圖1所示的射流式脈沖短節(jié)基本結(jié)構(gòu)，建立活塞與活塞桿力學(xué)模型，如圖2所示。上下沖程時(shí)存在四個(gè)壓力區(qū)，從左往右依次為：缸體上腔壓力區(qū)p1、缸體下腔壓力區(qū)p2、隔套次低壓區(qū)p3和節(jié)流盤(pán)低壓區(qū)p4，或p4′;A1為活塞上端面積，可以通過(guò)活塞缸內(nèi)徑計(jì)算得到；A3為活塞桿末端面積，可以通過(guò)活塞桿外徑計(jì)算得到；A2為活塞桿下端面積，可以通過(guò)公式A2=A1-A3計(jì)算得到。

圖2 活塞桿受力圖

下沖程時(shí)(見(jiàn)圖3)，活塞桿向下運(yùn)動(dòng)：p1>p2>p3>p4，作用力可以分成兩組：①射流元件輸出道產(chǎn)生的壓差p1-p2,合力方向向下，作為動(dòng)力推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，作用面積為活塞下端面面積大小為A2，環(huán)形面積；②活塞桿端面壓差p1-p4，作用面積大小為A3，合力方向向下，也作為動(dòng)力推動(dòng)活塞桿向下運(yùn)動(dòng)。因此，下沖程時(shí)活塞桿受到兩組動(dòng)力同時(shí)推動(dòng)活塞桿向下運(yùn)動(dòng)，下沖程能夠正常工作。

圖3 活塞桿受力圖(下沖程)

上沖程時(shí)活塞桿向上運(yùn)動(dòng)，詳見(jiàn)圖4，p2>p1>p3>p4′，作用力也分成兩組：①射流元件輸出道產(chǎn)生的壓差p2-p1，作用面積大小為活塞下端面面積A2，合力向上，作為動(dòng)力推動(dòng)活塞桿向上運(yùn)動(dòng)；②活塞桿端面壓差p1-p4′，作用面積大小為A3，合力向下，作為阻力阻礙活塞桿向上運(yùn)動(dòng)。所以，上沖程時(shí)，活塞桿同時(shí)受到動(dòng)力和阻力的作用，上沖程穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的條件是：動(dòng)力>阻力。

圖4 活塞桿受力圖(上沖程)

2.2 活塞桿上沖程設(shè)計(jì)理論研究

由2.1分析得，脈沖短節(jié)向上穩(wěn)定工作需要?jiǎng)恿?阻力，如圖4，當(dāng)活塞桿處于下死點(diǎn)時(shí)，過(guò)流面積最小，此時(shí)p4′最小，阻力壓差最大，若此時(shí)活塞桿滿(mǎn)足穩(wěn)定工作條件，則上行過(guò)程可以穩(wěn)定進(jìn)行。所以下死點(diǎn)時(shí)活塞與活塞桿受力如下：

活塞缸內(nèi)動(dòng)力(向上為正方向)：

F1=(p2-p1)A2

(1)

節(jié)流盤(pán)處阻力：

(2)

忽略下腔到隔套的摩阻壓降，若工具穩(wěn)定向上換向，則需：動(dòng)力≥阻力，整理得：

(3)

式(3)為動(dòng)阻比公式，式左為射流元件產(chǎn)生的動(dòng)力，式右為節(jié)流盤(pán)處產(chǎn)生的阻力。考慮到實(shí)際工程應(yīng)用，需要加一保險(xiǎn)系數(shù)α，確保其穩(wěn)定工作，則

(4)

式中：p1—缸體上腔壓強(qiáng)，MPa;

p2—缸體下腔壓強(qiáng)，MPa；

p4′—節(jié)流盤(pán)出口處壓強(qiáng)，MPa；

A2—活塞桿下端面積，m2；

A3—活塞桿末端面積，m2；

α—保險(xiǎn)系數(shù)，取值1.5。

從式(4)可知，動(dòng)力與阻力比值等于活塞桿末端與下端面積的比值，即當(dāng)動(dòng)力一定時(shí)，活塞桿末端面積越小，阻力越小。所以應(yīng)在保證脈沖幅值的情況下，盡量設(shè)計(jì)小尺寸活塞桿。

綜上,當(dāng)進(jìn)行射流脈沖短節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)，如果射流速度一定時(shí)即射流動(dòng)力一定，通過(guò)減小活塞桿尺寸減小節(jié)流盤(pán)負(fù)載阻力；當(dāng)節(jié)流盤(pán)負(fù)載一定時(shí)，通過(guò)減小活塞桿尺寸，在保證穩(wěn)定工作前提下降低射流動(dòng)力，即減小射流速度，從而降低工具壓降。

2.3 射流式脈沖短節(jié)脈沖幅值設(shè)計(jì)理論

2.3.1 上死點(diǎn)壓力分析

下沖程開(kāi)始時(shí)，活塞桿位于上死點(diǎn)開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)活塞桿剛進(jìn)入節(jié)流盤(pán)，與節(jié)流盤(pán)的過(guò)流面積最大，即開(kāi)度最大位置。根據(jù)射流脈沖短節(jié)的流動(dòng)特征，全流量Q流入隔套中并經(jīng)節(jié)流盤(pán)流入下接頭。通過(guò)節(jié)流盤(pán)時(shí)由于節(jié)流面積突變產(chǎn)生壓降，則壓降p3-p4等效于此時(shí)流體動(dòng)壓。節(jié)流盤(pán)大直徑d1，小直徑d2，活塞桿末端直徑d3，見(jiàn)圖5。

圖5 節(jié)流盤(pán)壓力圖(下沖程)

由上文分析得：

(5)

式中:p3—隔套壓力,MPa;

p4—節(jié)流盤(pán)最大壓力，MPa;

d1—節(jié)流盤(pán)大直徑，mm;

d2—節(jié)流盤(pán)小直徑，mm;

d3—活塞桿末端直徑,mm;

Q—鉆井排量,m3/min;

ρ—鉆井液密度，kg/m3。

2.3.2 下死點(diǎn)壓力分析

上沖程開(kāi)始時(shí)，活塞桿位于下死點(diǎn)開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)活塞桿全進(jìn)入節(jié)流盤(pán)，與節(jié)流盤(pán)的面積差最小，即開(kāi)度最小位置。根據(jù)射流脈沖短節(jié)的流動(dòng)特征，全流量Q流入隔套中并經(jīng)節(jié)流盤(pán)流入鉆頭，通過(guò)節(jié)流盤(pán)時(shí)由于節(jié)流面積突變產(chǎn)生壓降，此時(shí)壓力p3-p4′等效于流體動(dòng)壓，見(jiàn)圖6。

圖6 節(jié)流盤(pán)壓力圖(上沖程)

由上文分析得：

(6)

式中：p3—隔套壓力,MPa;

p4′—節(jié)流盤(pán)最小壓力，MPa。

因此，活塞桿在節(jié)流盤(pán)中周期運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的周期壓力波波峰值為p3-p4，波谷值為p3-p4′，其壓力波幅值為Δp=p4-p4′。

綜上，由式(5)、式(6)得出，當(dāng)脈沖幅值一定時(shí)，可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的節(jié)流盤(pán)內(nèi)徑與收縮錐度；在活塞桿保持不變時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的節(jié)流盤(pán)內(nèi)徑和收縮錐度，可以產(chǎn)生不同大小的脈沖幅值，提高鉆進(jìn)效率。

3 122 mm射流式脈沖短節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 122 mm射流式脈沖短節(jié)原水力參數(shù)計(jì)算

以122 mm射流式脈沖短節(jié)為例，其現(xiàn)場(chǎng)正常工作排量為8～10 L/s，工具壓降為4 MPa左右，射流噴速達(dá)70 m/s才能工作，原結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 122 mm射流式脈沖短節(jié)原結(jié)構(gòu)參數(shù)表

由現(xiàn)場(chǎng)資料得，射流式脈沖短節(jié)正常工作排量為8～10 L/s，本文取9 L/s清水計(jì)算。根據(jù)公式(4)得出，射流動(dòng)力與節(jié)流盤(pán)阻力之比和其作用面積成反比，由122 mm射流式水力振蕩器缸體和活塞桿直徑，可以計(jì)算出射流動(dòng)壓以及節(jié)流盤(pán)壓力。根據(jù)式(5)、式(6)得出，脈沖幅值與節(jié)流盤(pán)尺寸有關(guān)，由122mm射流式水力振蕩器節(jié)流盤(pán)尺寸，可以計(jì)算出脈沖幅值Δp，工具壓降Δpt基本等于射流壓降與脈沖幅值均值的和，忽略工具摩阻壓降，計(jì)算的水力參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 122 mm射流式脈沖短節(jié)水力參數(shù)表

3.2 122mm射流式脈沖短節(jié)水力參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)上節(jié)分析，工作排量為9 L/s，射流噴速達(dá)到70 m/s，產(chǎn)生了2.45 MPa的射流壓耗，但節(jié)流盤(pán)脈沖幅值只有0.4 MPa左右。根據(jù)公式(4)，壓降比和面積比成反比，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)活塞桿d3，可以有效減小阻力，從而降低射流噴速，減小射流壓耗。

根據(jù)式(5)、式(6)，脈沖幅值與節(jié)流盤(pán)內(nèi)外徑的數(shù)量關(guān)系，優(yōu)化設(shè)計(jì)節(jié)流盤(pán)的內(nèi)外徑d2和d1，增大節(jié)流盤(pán)處的壓力脈沖幅值，提高鉆進(jìn)效率。具體優(yōu)化參數(shù)和水力參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 122mm射流式脈沖短節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)表

由表3可知，在9 L/s排量下，保持工具穩(wěn)定換向前提下，通過(guò)減小活塞桿和節(jié)流盤(pán)尺寸，將射流噴速降至50 m/s，減小了1.25 MPa射流壓耗；同時(shí)增大脈沖幅值1.4～3.3 MPa,且保持工具壓降在3 MPa以?xún)?nèi)，優(yōu)化效果明顯。

3.3 設(shè)計(jì)理論驗(yàn)證

選取表3兩組尺寸，進(jìn)行工具加工和地面試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)過(guò)程中，射流式脈沖短節(jié)上設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，連接3個(gè)壓力傳感器，分別采集上接頭入口、射流元件噴嘴和節(jié)流盤(pán)出口處壓力，試驗(yàn)參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4、表5,試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖7。

表4 地面試驗(yàn)參數(shù)

表5 地面試驗(yàn)結(jié)果

圖7 現(xiàn)場(chǎng)裝置安裝示意圖

驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)給出的兩組尺寸參數(shù)，122 mm射流式脈沖短節(jié)均能穩(wěn)定工作，沒(méi)有換向失敗情況發(fā)生；在9 L/s的排量下，射流噴嘴流速保持在50 m/s左右，兩組壓力脈沖幅值為3.45 MPa和2.20 MPa，工具壓降為3.30 MPa和2.50 MPa，與理論計(jì)算值在允許誤差范圍內(nèi)，驗(yàn)證了射流式脈沖短節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的正確性。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)射流式脈沖短節(jié)的工作原理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)下沖程中活塞桿受到射流元件和節(jié)流盤(pán)兩部分動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，可以順利下行；上沖程中活塞桿受到射流元件的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和節(jié)流盤(pán)的阻力負(fù)載，穩(wěn)定工作需要?jiǎng)恿Α葑枇Α?/p>

(2)通過(guò)對(duì)上沖程中活塞桿的受力情況分析，得到了動(dòng)阻比公式，即動(dòng)力與阻力之比等于活塞桿末端與前端截面積之比，減小活塞桿末端尺寸可以有效減小阻力，從而降低射流動(dòng)力，從而保證工具在低射流噴速下穩(wěn)定工作。

(3)通過(guò)分析上下死點(diǎn)節(jié)流盤(pán)處壓力，發(fā)現(xiàn)脈沖壓力幅值與節(jié)流盤(pán)和活塞桿的尺寸有定量關(guān)系：通過(guò)減小活塞桿和節(jié)流盤(pán)尺寸可以有效地增大脈沖幅值，從而提高鉆進(jìn)效率。

(4)對(duì)122 mm射流式脈沖短節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，工具在射流噴速50 m/s下即可正常工作，壓力脈沖幅值大幅升高，工具壓降保持在3 MPa以?xún)?nèi)，優(yōu)化效果顯著。