低壓耗增強型水力振蕩器的研制與現(xiàn)場試驗

李建亭， 胡金建， 羅恒榮

（1.中石化中原石油工程有限公司工程服務管理中心，河南濮陽 457001；2.德州地平線石油科技股份有限公司，山東德州 253300；3.中石化西南石油工程有限公司鉆井一分公司，四川成都 610500）

大位移井、長水平段水平井、多分支水平井等復雜結(jié)構(gòu)井鉆井過程中存在摩阻大、托壓嚴重等問題，尤其是在滑動鉆進時，因無法有效給鉆頭施加鉆壓，嚴重影響機械鉆速，造成鉆井周期增長[1–2]。為此，國內(nèi)外研制應用了多種水力振蕩減阻工具（以下統(tǒng)稱水力振蕩器），并取得了一定的提速效果，在一定程度上解決了托壓及摩阻大的問題[3–14]。但是，在現(xiàn)場應用時發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外水力振蕩器的壓耗普遍偏高（約 4.5～8.0 MPa）[15]，易使鉆井泵超負荷運轉(zhuǎn)而出現(xiàn)故障，造成財產(chǎn)損失和人員傷亡。針對該問題，通過優(yōu)化水力振蕩器結(jié)構(gòu)，增大了振蕩短節(jié)中反饋活塞的面積，研制了低壓耗增強型水力振蕩器（以下簡稱新型水力振蕩器），并在勝利油田義184-斜37井進行了現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明，該水利振蕩器不但有效解決了托壓嚴重、摩阻大的難題，而且壓耗大幅降低，滿足了安全鉆井的需求。

1 新型水力振蕩器的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 工具結(jié)構(gòu)

新型水力振蕩器主要由振蕩短節(jié)、動力馬達和偏心閥系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 新型水力振蕩器的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of the novel hydraulic oscillator

1）動力馬達。動力馬達是一個定轉(zhuǎn)子比為1∶2的容積式液壓馬達，主要由定子和轉(zhuǎn)子組成，當鉆井液流過時會驅(qū)動轉(zhuǎn)子在定子腔內(nèi)往復運動，帶動轉(zhuǎn)子下端連接的偏心環(huán)一起往復運動。

2）偏心閥系統(tǒng)。偏心閥系統(tǒng)主要由偏心環(huán)和偏心座組成，偏心環(huán)和偏心座各有1個過流孔，動力馬達帶動偏心環(huán)產(chǎn)生往復運動，與偏心座的過流孔周期性的重合與錯開，使過流面積發(fā)生周期性變化，從而產(chǎn)生脈沖壓力，并作用于振蕩短節(jié)的活塞面上而形成軸向振蕩。過流孔直徑?jīng)Q定了水力振蕩器壓降的大小，可根據(jù)鉆井液密度及排量選擇過流孔直徑，以保證振蕩器壓降在額定工作范圍內(nèi)。偏心環(huán)和偏心座在工作過程中要承受鉆井液的沖蝕，因此要具有良好的耐磨性和耐沖蝕性[16]。

3）振蕩短節(jié)。振蕩短節(jié)主要由活塞、花鍵芯軸和碟簧組成，脈沖壓力作用于活塞面上產(chǎn)生沖擊能量，碟簧通過吸收及釋放沖擊能量來實現(xiàn)軸向振蕩，將水力脈沖能量轉(zhuǎn)換為軸向振動的機械能。振蕩器能產(chǎn)生振幅為3～10 mm的軸向振動，可將井下鉆具與井壁間的靜摩擦轉(zhuǎn)化為動摩擦[17]，而且因軸向沖擊力和振幅都不大，不會對鉆頭、鉆桿等井下鉆具產(chǎn)生不利影響。

1.2 工作原理

水力振蕩器一般安裝在鉆頭、螺桿鉆具和MWD之上，距鉆頭80～120 m。在鉆進過程中，當鉆井液流經(jīng)水力振蕩器的動力馬達時，會帶動其下部的偏心閥系統(tǒng)轉(zhuǎn)動。此時，動力馬達的轉(zhuǎn)子會在一個平面上進行往復運動，并帶動偏心環(huán)往復運動，使偏心環(huán)和偏心座的過流孔發(fā)生周期性的重合與錯開，導致流經(jīng)偏心閥鉆井液的流量呈周期性變化，從而產(chǎn)生周期性的脈沖壓力。該壓力作用于振蕩短節(jié)的活塞上而產(chǎn)生周期性軸向振動，達到克服摩阻及托壓、提高鉆壓傳遞效率、提高鉆進速度的目的。

偏心閥盤過流面積與壓降的關(guān)系如圖2所示。由圖2可以看出，當偏心環(huán)和偏心座的過流孔完全重合時（如圖2（b）所示），偏心閥盤過流面積最大，則產(chǎn)生的壓降最??；當偏心閥和偏心座的過流孔重合面積最小時（如圖2（a）和（c）所示），偏心閥盤過流面積最小，則產(chǎn)生的壓降最大[18]。

圖2 偏心閥盤過流面積與壓降的關(guān)系示意Fig.2 Relationship between flow area of eccentric valve and pressure drop

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)優(yōu)化

水力振蕩器的壓降受動力馬達級數(shù)和偏心閥通道面積的影響，其計算公式為：

式中：Δp為水力振蕩器的壓降，MPa；為馬達每級間的承壓值，取0.8 MPa；K為馬達級數(shù)，此處取1級； ?pr,s為局部壓力損失，MPa；ζ為局部阻尼系數(shù)；ρ為鉆井液密度，kg/m3；v1為鉆井液流速，m/s。

由式（1）、式（2）可知，在馬達級數(shù)確定的情況下，水力振蕩器的壓降只與局部壓力損失有關(guān)，而在不計摩擦阻力的情況下，局部壓力損失取決于鉆井液密度及流速，而流速取決于鉆井液排量和過流面積。所以，在鉆井液密度及排量不變的情況下，增大過流面積，就可以降低 ?pr,s，從而實現(xiàn)減小水力振蕩器壓降的目的。

水力振蕩器軸向沖擊力的計算公式為：

式中：F為水力振蕩器軸向沖擊力，kN；S為活塞的受力面積，mm2。

由式（3）可知，在沖擊力F相同的情況下，增大活塞受力面積，就可以降低壓降Δp。為此，筆者對常規(guī)水力振蕩器的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，在振蕩短節(jié)中增加了1個固定活塞（如圖3所示），使活塞的反饋面積增大了約1.5倍。同時，增大了偏心閥過流孔直徑，從而增大了過流面積。另外，對振蕩短節(jié)中花鍵端部和底部過渡位置的結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，增加過流槽（如圖4所示），以減小流體流動的阻力，從而減小了振蕩短節(jié)的能量損耗。

圖3 新型水力振蕩器和常規(guī)水力振蕩器的振蕩短節(jié)示意Fig.3 Oscillation sub of the novel oscillator and conventional oscillator

圖4 新型水力振蕩器振蕩短節(jié)花鍵優(yōu)化示意Fig.4 Spline optimization of oscillation sub of the novel hydraulic oscillator

3 室內(nèi)測試

為了評價新型水力振蕩器的整體性能，在室內(nèi)測試了不同排量下的泵壓、振動頻率和振幅。室內(nèi)測試流程如圖5所示，將?172.0 mm新型水力振蕩器兩端分別與試壓泵的進水、回水管線連接，并在水力振蕩器上安裝壓力傳感器，進行脈沖壓力監(jiān)控，在振蕩短節(jié)上安裝傳感器，測量工具的振動頻率和振幅。

圖5 新型水力振蕩器室內(nèi)試驗流程Fig.5 Laboratory test process of the novel hydraulic oscillator

開啟試壓泵，排量逐漸增加至13 L/s時工具開始振動，然后記錄不同排量下的泵壓、振動頻率和振幅，達到水力振蕩器的設計最大排量38 L/s后停止測試，測試結(jié)果見表1。從表1可以看出，隨著排量增大，水力振蕩器的振動頻率和振幅逐漸增大，當達到設計最大排量時，泵壓（即壓降）2.5 MPa，明顯低于常規(guī)水力振蕩器的壓降（一般為4.0～5.0 MPa），達到了設計要求。在相同條件下，進行了多組室內(nèi)測試，水力振蕩器的振動頻率與振幅隨排量增大而增大的趨勢是一致的，且工作穩(wěn)定，未出現(xiàn)故障。

表1 新型水力振蕩器室內(nèi)測試結(jié)果Table 1 Results of laboratory test of the novel hydraulic oscillator

4 現(xiàn)場試驗

新型水力振蕩器在勝利油田義184-斜37井進行了現(xiàn)場試驗，試驗表明，該振蕩器各項指標滿足設計和使用要求，解決了托壓問題，提高了機械鉆速，且壓降較常規(guī)水力振蕩器有明顯降低。

義184-斜37井是一口斜井，位于渤南洼陷的中部斷階帶，設計井深3 989.70 m，目的層為沙四下，設計采用三開井身結(jié)構(gòu)（一開采用?346.1 mm鉆頭鉆至井深 351.00 m，二開采用?241.3 mm 鉆頭鉆至井深 3 274.00 m，三開采用?149.2 mm 鉆頭鉆至設計井深）及直—增—穩(wěn)—降—穩(wěn)五段制井眼剖面，造斜段（2 077.16～2 530.12 m）主要為泥質(zhì)地層，巖性以油泥巖為主，采用的鉆具組合為：?241.3 mm鉆頭+?197.0 mm×1.25°單彎動力鉆具+止回閥+?177.8 mm無磁鉆鋌 1 根+MWD+?177.8 mm 鉆鋌 2 根+?127.0 mm加重鉆桿15根+?127.0 mm鉆桿，鉆井參數(shù)為：復合鉆進時鉆壓 40～80 kN，定向鉆進時鉆壓 80～160 kN，轉(zhuǎn)速 60 r/min，排量 34 L/s，泵壓 16 MPa。在定向鉆進過程中，由于井眼軌跡呈“S”形，摩阻扭矩較大，托壓問題嚴重，導致鉆時長達20～30 min/m，且經(jīng)常出現(xiàn)憋泵、蹩鉆等井下故障。

為解決托壓問題，提高機械鉆速，該井在鉆進2 495.00～3 319.00 m 井段（穩(wěn)斜段）時試用了?172.00 mm新型水力振蕩器，采用與造斜段相同的鉆具組合，在加重鉆桿上部接入新型水力振蕩器（距鉆頭118.0 m）。鉆井參數(shù)為：復合鉆進時鉆壓60～80 kN，定向鉆進時鉆壓 40 kN，排量 34 L/s，轉(zhuǎn)速 60～70 r/min，泵壓 15～18 MPa。在鉆進過程中，復合鉆進時降斜快，定向鉆進時基本未出現(xiàn)托壓問題，鉆時大幅減小至4～7 min/m，新型水力振蕩器的提速效果顯著（見表2），且未出現(xiàn)憋泵、蹩鉆等井下故障。

表2 新型水力振蕩器應用效果Table 2 Application effect of the novel hydraulic oscillator

現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，使用新型水力振蕩器后泵壓增加約2 MPa，說明該水力振蕩器的壓降約為2 MPa，與常規(guī)水力振蕩器的壓降（4 MPa）相比有了明顯減小。其他各項性能指標滿足現(xiàn)場使用要求，不影響MWD和LWD信號的傳輸，降低摩阻和提速效果顯著。

5 結(jié)論與建議

1）低壓耗增強型水力振蕩器采取在振蕩短節(jié)中增加1個固定活塞、增大偏心閥過流孔直徑、在花鍵端部和底部過渡位置增加過流槽等結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，降低了能量損耗，解決了常規(guī)水力振蕩器壓耗高的問題，從而降低了鉆井泵的負荷。

2）現(xiàn)場試驗表明，低壓耗增強型水力振蕩器可與常規(guī)定向工具和隨鉆測量儀器同時使用，不會影響MWD和LWD信號的傳輸，可有效解決托壓的問題，從而達到提高鉆速的目的。

3）根據(jù)低壓耗增強型水力振蕩器壓降低的特性，若鉆井泵能夠滿足更高的泵壓要求，可在鉆具組合上串接幾個振蕩器，以更好地降低井下鉆具與井壁間的摩阻，從而提高大位移井和長水平段水平井的井眼延伸能力。