水力振蕩器優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用實踐

孟凡華，陳立強，張啟龍，趙克賢，劉禹銘，楊元超

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300459； 2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

臨興區(qū)塊地層發(fā)育齊全，自上而下依次發(fā)育第四系黃土，三疊系延長組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組，二疊系石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組、太原組，石炭系本溪組以及奧陶系馬家溝組[1-4]。隨著勘探開發(fā)的進(jìn)程，近年來多向大斜度井、水平井發(fā)展，以提高單井產(chǎn)量，但深井、大位移井及水平井在鉆井過程中面臨一系列突出難題，如摩阻大，托壓現(xiàn)象嚴(yán)重，軌跡控制難度大等[5-8]。在國外及國內(nèi)效益較好油田多采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，可有效解決上述難題，考慮本項目經(jīng)濟(jì)效益較低，引進(jìn)國外先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具導(dǎo)致鉆井成本過高，因此多采用“常規(guī)馬達(dá)+水力振蕩器”的模式，水力振蕩器作為一種減摩降阻專用工具，能產(chǎn)生高頻率、小位移軸向振動，將鉆桿與井壁的靜摩擦轉(zhuǎn)換為動摩擦，減摩降阻效果明顯[9-12]。

水力振蕩器振動的原理在于鉆井液通過過流面積以一定周期變化的中心孔后，使得鉆井液以相同頻率沖擊碟形彈簧組，進(jìn)而帶動水力振蕩器振動[13-15]。由此可知，碟簧參數(shù)的設(shè)計直接影響工具振動力大小等參數(shù)，影響工具性能。因此，筆者基于對水力振蕩器內(nèi)部碟簧受力及振幅的分析，對碟簧的受力行程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以最大程度釋放碟簧的彈性勢能，從而提高水力振蕩器效率及壽命。

1 水力振蕩器特點與優(yōu)化

1.1 水力振蕩器原理

水力振蕩器將流經(jīng)鉆井液的液體動能轉(zhuǎn)化為鉆柱往復(fù)運動的機械能，水力振蕩器往復(fù)振動帶動相鄰鉆具實現(xiàn)同步軸向往復(fù)振動，將鉆柱與井壁間的靜摩擦轉(zhuǎn)為動摩擦，降低摩擦阻力，從而提高機械鉆速[16]。

水力振蕩器由振動短節(jié)和動力短節(jié)兩部分組成，振動短節(jié)內(nèi)部含有片閥組，片閥主要由動片閥與定片閥組成。當(dāng)鉆井液流經(jīng)動力短節(jié)的螺桿時，驅(qū)動螺桿轉(zhuǎn)動，螺桿帶動其下端連接的動閥盤做平面往復(fù)運動，動片閥隨動力短節(jié)轉(zhuǎn)子在定片閥表面，圍繞定片閥圓心做行星運動，由于動片閥孔偏心開設(shè)，因此過流面積發(fā)生周期性變化，當(dāng)動閥盤與定閥盤交錯到最小重合位置時，過流面積達(dá)到最小值，此時壓降為最大值；當(dāng)動閥盤與定閥盤交錯到到最大重合位置時，過流面積達(dá)到最大值，此時壓降為最小值。當(dāng)過流面積發(fā)生周期性變化時，則產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，產(chǎn)生壓力脈沖。壓力脈沖又會反作用于軸向振動短節(jié)的下部，使壓力升高，壓縮碟形彈簧組，推動心軸向外伸出，存儲能量；當(dāng)壓力降低時，碟形彈簧恢復(fù)原狀，發(fā)生彈性形變，釋放出儲存在彈簧組內(nèi)部的能量，心軸回到原位置，產(chǎn)生沖擊，引起軸向振動，將鉆具與井眼壁面之間的靜摩擦轉(zhuǎn)化為動摩擦，減少由摩擦造成的能量損失，起到了減少摩擦，降低扭矩的功能[17-21]。

1.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)與參數(shù)優(yōu)化

水力振蕩器振動的根本在于壓力脈沖壓縮碟形彈簧組，碟簧周期性存儲釋放能量，進(jìn)而產(chǎn)生振動，由此可見，碟簧參數(shù)的設(shè)計直接影響工具振動力大小等參數(shù)，影響工具性能。

碟簧是通過金屬彈簧材料加工制成的薄板彈簧，有體積小、減震能力強、承載能力大等優(yōu)點。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。水力振蕩器的主要受力零件是碟簧，隨壓力波的周期性變化，碟簧不停的進(jìn)行能量釋放與存儲，碟簧不停的進(jìn)行軸向往復(fù)振動，進(jìn)而帶動整個工具高頻振動。

圖1 碟簧結(jié)構(gòu)圖

重點優(yōu)化設(shè)計碟簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以最大程度釋放碟簧的彈性勢能，從而提高水力振蕩器效率及壽命。目前關(guān)于碟簧受力的計算方法以Almen和Laszlo提出的近似計算法使用最為廣泛，該方法忽略碟簧徑向應(yīng)力、摩擦力等因素的影響，推導(dǎo)出單片碟簧受力與變形行程的關(guān)系式如下。

式中：F—受力載荷，N；

D—碟簧外徑，mm；

t—碟簧厚度，mm；

E—彈性模量，N·mm-2；

h0—碟簧最大變形量，mm；

f—單片碟簧變形行程，mm；

K—計算系數(shù)。

使用Ф121 mm水力振蕩器，設(shè)計A、B兩種碟簧類型，通過分析其行程受力情況，進(jìn)行碟簧類型優(yōu)選。碟簧腔外筒內(nèi)徑為96 mm，碟簧腔總長600 mm，碟簧安裝方式為單片對合安裝。A型碟簧單片厚度11.3 mm，外徑95 mm，如使用A型碟簧，則需安裝54片，根據(jù)公式（1），計算得到A型碟簧受力行程圖，如圖2所示；B型碟簧單片厚度7.0 mm，外徑95 mm，如使用B型碟簧，則需安裝86片，根據(jù)公式（1），計算得到B型碟簧受力行程圖，如圖3所示。

圖2 A型碟簧受力行程圖

圖3 B型碟簧受力行程圖

在排量0.9 m3·min-1工況時，Ф121 mm水力振蕩器內(nèi)部產(chǎn)生軸向載荷約為50 000 N，根據(jù)A、B型兩種碟簧受力行程圖可知，A型碟簧受力50 000 N時，單片行程約0.2 mm，總行程約10.8 mm，符合水力振蕩器振幅要求。B型彈簧受力50 000 N時，單片行程大于2.5 mm，井下工具使用時，碟簧彈性勢能將不能完全釋放，降低工具效率，影響工具壽命。根據(jù)以上優(yōu)選分析結(jié)果，本項目選用A型碟簧，單片厚度11.3 mm，外徑95 mm。

1.3 加工測試

水力振蕩器加工參數(shù)如表1所示，Ф121 mm水力振蕩器本體鋼件選用與鉆鋌鋼級、材質(zhì)相同的材料，上接頭相對運動表面采用硬鍍層技術(shù)，動定片閥采用硬質(zhì)合金材料，密封材料采用耐磨密封組合。經(jīng)工具臺架試驗表明：在排量900～1 900 LPM范圍內(nèi)，工具壓耗1.75～3.84 MPa，水力振蕩器頻率范圍16～20 Hz，水力振蕩器抗拉870 kN，抗扭32 kN·m。

表1 Ф121 mm水力振蕩器加工參數(shù)

同時對該工具進(jìn)行了實驗井測試，測試數(shù)據(jù)表明：Ф121 mm水力振蕩器下部懸掛5 t鉆具，在230～1 380 LPM排量范圍內(nèi)，泵壓0～2.1 MPa，最大振幅4 mm，如表2所示。

表2 Ф121 mm水力振蕩器實驗井測試結(jié)果

2 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

2.1 井位基本情況

以臨興某區(qū)塊A井為例，設(shè)計井深2 449 m，該區(qū)塊自上而下依次發(fā)育第四系黃土，三疊系延長組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組，二疊系石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組、太原組，石炭系本溪組以及奧陶系馬家溝組。本井主要目的層位于盒2段、盒4段，完鉆曾為位于馬家溝組，采用套管射孔方式完井。綜合考慮作業(yè)難度、安全余量、作業(yè)成本，采用兩開井身結(jié)構(gòu)，表層Ф311.15 mm鉆進(jìn)至219 m，下Ф244.5 mm套管固井，二開采用Ф215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)至完鉆井深2 449 m，下入Ф139.7 mm套管完井。

該井二開井段采用常規(guī)馬達(dá)鉆具組合，Φ215.9 mm Bit+Φ171.5 mm PDM+F/V+Φ212 mm STB+ Φ165.1 mm NMDC+MWD+Φ165.1 mm NMDC+ Φ165.1 mm DC×（3～9）+Φ127 mm HWDP+Φ127 mm DP，鉆進(jìn)至1 081.5～1 821.0 m時，大鉤載荷變化較大，底部鉆具組合托壓嚴(yán)重，導(dǎo)致鉆時增加，機械鉆速降低，大鉤在和變化情況如圖4所示。為此項目組決定起鉆具，采用水力振蕩器解決鉆壓傳遞及托壓問題。

2.2 應(yīng)用效果分析

該井二開井段采用常規(guī)馬達(dá)鉆具組合起鉆后，更換鉆具組合如下，Φ215.9 mm Bit+Φ171.5 mm PDM+F/V+Φ212 mm STB+Φ165.1 mm NMDC+MWD+ Φ165.1 mm NMDC+Φ165.1 mm DC×（3～9）+Φ127 mm HWDP+Ф121 mm水力振蕩器+Φ127 mm DP，工具應(yīng)用后，大鉤載荷變化平穩(wěn)，托壓得到解決，機械鉆速升高。

以本工具應(yīng)用的A和B井為例，A井1 801～1 841 m井段均屬于下石河子組，對比兩個井段鉆井速度和大鉤載荷，如表3和圖4、5所示。

表3 臨興區(qū)塊典型井提速效果分析

圖4 A井未使用水力振蕩器大鉤載荷變化

可明顯發(fā)現(xiàn)，未使用工具井段大鉤載荷變化較大，底部鉆具組合托壓嚴(yán)重，導(dǎo)致鉆時增加，機械鉆速降低。水力振蕩器工具下入后，大鉤載荷變化平穩(wěn)，托壓問題得到解決，機械鉆速由未使用水力振蕩器的8.24 m·h-1提高至17.0 m·h-1，提高了106.31%。由于井下鉆具組合托壓得到緩解，一定程度上減少了鉆頭對地層的軸向沖擊，從而起到保護(hù)鉆頭的作用。根據(jù)鉆頭出井效果來看，鉆頭輕微磨損，如圖6所示。

圖5 A井使用水力振蕩器大鉤載荷變化

圖6 鉆頭磨損情況實物圖

3 結(jié) 論

1）常規(guī)馬達(dá)滑動鉆進(jìn)易產(chǎn)生托壓現(xiàn)象，嚴(yán)重制約現(xiàn)場作業(yè)效率，水力振蕩器可有效解決該難題，應(yīng)用結(jié)果表明，大鉤載荷變化平穩(wěn)，托壓得到解決，減少鉆頭對地層的軸向沖擊，鉆頭輕微磨損，機械鉆速提高36%～106%。

2）針對水力振蕩器碟簧參數(shù)開展優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的碟簧彈性勢能可有效釋放，大大提高了水力振蕩器效率及壽命，加工測試與現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明工具性能良好。該自主化工具在臨興區(qū)塊首次應(yīng)用并取得良好效果，大大縮短了鉆井周期，提速效果和經(jīng)濟(jì)效益顯著，為產(chǎn)品推廣應(yīng)用打下堅實基礎(chǔ)。