新型螺桿驅(qū)動水力振蕩器的設(shè)計(jì)分析

劉健

（遼河油田公司生產(chǎn)運(yùn)營部，遼寧 盤錦 124010）

1 前言

隨著非常規(guī)油氣開采的日漸廣泛，鉆進(jìn)過程中鉆柱與井壁之間摩阻較大時常產(chǎn)生托壓現(xiàn)象，導(dǎo)致無法有效施加鉆壓，影響機(jī)械鉆速，甚至誘發(fā)黏吸卡鉆等井下事故。水力振蕩減阻技術(shù)采用水力振蕩器在鉆具軸向產(chǎn)生一定頻率和振幅的振動，將靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ亮?，以減少鉆具與井壁之間的摩阻，具有良好的發(fā)展前景。

水力振蕩器主要由配流閥系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和振蕩系統(tǒng)三部分組成。按照動力部分的不同，水力振蕩器的發(fā)展過程分為螺桿提供動力、葉片提供動力以及渦輪提供動力三種水力振蕩器。其中，葉片震蕩器中葉片容易受鉆井液中顆粒物磨損，極大限制了水力振蕩器作用的發(fā)揮；且國內(nèi)在此方面的研究還不夠成熟。而目前以螺桿為提供動力的水力振蕩器解決了葉片損耗導(dǎo)致的在鉆井中需要頻繁起下鉆的問題，且性能參數(shù)尤其在提高鉆速上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于螺桿動力水力振蕩器。

2 新型螺桿驅(qū)動水力振蕩器技術(shù)參數(shù)

結(jié)合非常規(guī)油氣的井身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，新型螺桿驅(qū)動水力振蕩器的參數(shù)設(shè)計(jì)為：振蕩器的外部最大直徑≤172mm，振蕩器內(nèi)部最大直徑≤62mm，適用于鉆井液排量在20 ～40L/s，振蕩器整體壓降≤5MPa，振蕩器的振動頻率為10 ～16Hz，振蕩器的振幅為5 ～9mm，振蕩器的上下連接扣扣型均為API-NC50。

3 新型螺桿驅(qū)動水力振蕩器設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型螺桿驅(qū)動水力振蕩器（圖1）主要由振蕩模塊（圖2）、動力模塊（圖3a）及脈沖發(fā)生模塊（圖3b）三大模塊組成。

圖1 新型螺桿驅(qū)動水力振蕩器的剖視圖

工作過程為：鉆井液從振蕩器的振蕩短節(jié)一側(cè)通過振蕩短節(jié)流入振蕩器內(nèi)腔，進(jìn)入振蕩器內(nèi)腔的鉆井液進(jìn)入動力模塊驅(qū)動螺桿旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動螺桿轉(zhuǎn)動帶動動閥盤旋轉(zhuǎn)，動閥盤旋轉(zhuǎn)使進(jìn)入脈沖閥發(fā)生模塊的鉆井液周期性的流出振蕩器，當(dāng)動閥盤與定閥盤不連通時，振蕩器腔內(nèi)壓力增大，致使振蕩短節(jié)壓縮復(fù)位碟簧發(fā)生位移產(chǎn)生軸向摩擦，當(dāng)動閥盤與定閥盤連通時，振蕩器腔內(nèi)壓力減小，復(fù)位碟簧驅(qū)動振蕩短節(jié)復(fù)位。

（1）振蕩模塊（圖2）主要由振蕩短節(jié)及復(fù)位碟簧組成。振蕩短節(jié)一段與鉆桿螺紋連接，振蕩短節(jié)另一端的外幣與振蕩器外殼體密封滑動連接，振蕩短節(jié)的側(cè)壁上開設(shè)有限位槽，以限制振蕩短節(jié)行程，復(fù)位碟簧一端與振蕩短節(jié)的肩部抵持設(shè)置，復(fù)位碟簧的另一端與尾塞抵持設(shè)置。

圖2 振蕩模塊示意圖

（2）動力模塊（圖3a）主要是將高速流動的鉆井液流動時的水力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，主要是通過鉆井液驅(qū)動螺桿驅(qū)動，發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

（3）脈沖發(fā)生模塊（圖3b）在動力模塊的作用下完成閥道的開閉，具體工作時，靜閥盤的側(cè)壁上設(shè)有限位槽限制其旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動螺桿驅(qū)動動閥盤旋轉(zhuǎn)，動閥盤旋轉(zhuǎn)使閥道周期性的啟閉。

圖3 動力模塊及脈沖發(fā)生模塊示意圖

3.2 工作原理

動閥盤及靜閥盤的三維結(jié)構(gòu)參數(shù)如（圖4）所示與動閥盤運(yùn)動至閥道開（圖4b）時，此時過流面積最大，振蕩器內(nèi)部壓力最??；動閥盤運(yùn)動至閥道關(guān)（圖4c）時，此時過流面積最小，振蕩器內(nèi)部壓力最小。通過改變閥道過流面積以實(shí)現(xiàn)對振蕩器內(nèi)部壓力的改變，從而通過液壓力周期性的改變振蕩短節(jié)的軸向位置，以實(shí)現(xiàn)軸向沖擊；通過設(shè)置環(huán)狀對稱式的動閥盤及定閥盤，從而減小振蕩器運(yùn)行時的周向振動。

圖4 動閥板與定閥板開關(guān)狀態(tài)示意圖

4 新型螺桿驅(qū)動水力振蕩器主要部件的強(qiáng)度校核

4.1 動閥盤及靜閥盤的工程參數(shù)

閥盤選用合金結(jié)構(gòu)鋼40CrNiMoA。40CrNiMoA 是合金結(jié)構(gòu)鋼的一種具有高強(qiáng)度、高韌性，并具有良好的穩(wěn)定性和加工性能，廣泛地運(yùn)用于航天、核能、以及石油工業(yè)中。常溫下40CrNiMoA 的性能參數(shù)如表1 所示，并采用Mises 準(zhǔn)則。

表1 40CrNiMoA 的性能參數(shù)

4.2 動閥盤及靜閥盤的有限元模擬

采用10 節(jié)點(diǎn)線性應(yīng)變四面體單元對滑套實(shí)體模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，精度等級為5 級，滑套網(wǎng)格劃分后產(chǎn)生的單元數(shù)為130253，節(jié)點(diǎn)數(shù)為202111。

在模擬過程中設(shè)置給靜閥盤的上端施加25MPa 的壓力，模擬井下2000m 時的壓差環(huán)境。通過上述步驟模擬圖4c 所示狀態(tài)，研究滑套井下受壓工況。

通過對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理分析，得到不同工作載荷下，滑套位移和應(yīng)力分布情況。對后處理結(jié)果進(jìn)行整理，得到不同載荷時閥芯最大Mises 應(yīng)力及最大位移的變化規(guī)律，如圖5 所示。

從圖5 可得到以下結(jié)論：（1）載荷越大，滑套的最大Mises 應(yīng)力、最大總位移的值也越大。（2）滑套能夠適應(yīng)井下25Mpa 鉆井的工況條件，具備井下工作能力。（3）在載荷F=39MPa 時，滑套的最大Mises 應(yīng)力為863.7MPa，超過材料的屈服強(qiáng)度，滑套發(fā)生塑性形變。

圖5 靜閥盤最大Mises 應(yīng)力及最大位移隨載荷的變化規(guī)律

5 結(jié)語

（1）新型螺桿驅(qū)動水力振蕩器通過脈沖壓力滑套產(chǎn)生低頻水力脈沖，可與常規(guī)鉆桿相連，利用常規(guī)鉆桿即可實(shí)現(xiàn)井下鉆井時降磨減阻的目的。

（2）新型螺桿驅(qū)動水力振蕩器為純金屬設(shè)計(jì)，可以滿足長壽命鉆井工藝要求，具有良好的應(yīng)用前景。

（3）建議加強(qiáng)新型螺桿驅(qū)動水力振蕩器的研究并進(jìn)行深入的現(xiàn)場試驗(yàn)，同時應(yīng)結(jié)合我國不同區(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)，為我國非常規(guī)油氣低成本高效開發(fā)提供技術(shù)參考。