軸流式脈沖發(fā)生器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及現(xiàn)場應(yīng)用

盧林祝，劉 杰，傅 余，黃 鑫，宋曉健，宋曉暉

1荊州學(xué)院石油與化學(xué)工程學(xué)院 2黃岡師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院·催化材料制備及應(yīng)用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司 4華北石油通信有限公司

0 引言

“極限鉆井參數(shù)”鉆井技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)鉆井全面提速和非常規(guī)油氣資源高效開發(fā)的重要技術(shù)，其核心就是盡一切可能釋放鉆井參數(shù)[1]。尤其大排量、大鉆壓的廣泛應(yīng)用，使得鉆井液對軸流式脈沖發(fā)生器沖蝕嚴(yán)重，嚴(yán)重影響其井下使用壽命。針對上述問題，筆者通過有限元分析對脈沖發(fā)生器易沖蝕關(guān)鍵部件主閥、限流環(huán)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，改進(jìn)后的軸流式脈沖發(fā)生器能夠滿足“極限鉆井參數(shù)“鉆井技術(shù)條件，并在華北、長慶、新疆等地區(qū)的應(yīng)用中取得了良好的效果。

1 軸流式脈沖發(fā)生器存在的問題

對于“極限鉆井參數(shù)”施工井而言，軸流式脈沖發(fā)生器關(guān)鍵部件主閥、限流環(huán)沖蝕嚴(yán)重，脈沖信號的發(fā)生與傳輸困難，地面設(shè)備難以檢測到有用信號[2]。更換現(xiàn)有主閥、限流環(huán)的配比常出現(xiàn)信號不正常、沖蝕嚴(yán)重的情況。

原主閥采用圓柱型分體式結(jié)構(gòu)，由主閥閥芯和閥套組成，見圖1，圓柱型主閥閥芯材質(zhì)為工具鋼，在大排量、高密度鉆井液的沖蝕下，極易造成沖蝕形變，導(dǎo)致鉆井液脈沖信號變?nèi)踔敝羴G失。

圖1 軸流式脈沖發(fā)生器主閥沖蝕示意圖

在“極限鉆井參數(shù)”情況下，鉆井液流速快，對脈沖發(fā)生器限流環(huán)沖蝕非常嚴(yán)重，長時(shí)間使用后限流環(huán)就會出現(xiàn)刺漏現(xiàn)象，嚴(yán)重的情況下會導(dǎo)致限流環(huán)碎裂，無法正常傳遞信號[3-5]。

為了解決軸流式脈沖發(fā)生器發(fā)生的上述問題，在保證信號強(qiáng)度的同時(shí)，通過有限元仿真分析和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，從結(jié)構(gòu)、材料上對軸流式脈沖發(fā)生器主閥、限流環(huán)進(jìn)行改進(jìn)，提高軸流式脈沖發(fā)生器抗沖蝕能力。

2 脈沖發(fā)生器的改進(jìn)措施及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論依據(jù)

根據(jù)非定常伯努利方程理論，單位時(shí)間內(nèi)流過相同體積的情況下，增加流通面積可以有效降低流速，使得流體對機(jī)械部件的沖蝕降低到可控范圍之內(nèi)[6-8]。因此，在保證脈沖發(fā)生器信號的基礎(chǔ)上，改變限流環(huán)形狀，增大限流環(huán)極限間距值，提高主閥、限流環(huán)材料的抗沖蝕能力，將大大降低鉆井液的沖蝕，提高脈沖發(fā)生器的穩(wěn)定性和效率，為“極限鉆井參數(shù)”鉆井提供可靠的保障。

根據(jù)2019～2020年內(nèi)軸流式脈沖發(fā)生器現(xiàn)場使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，排量、信號強(qiáng)度、極限間距的關(guān)系如圖2所示，極限間距值為產(chǎn)生脈沖信號時(shí)，鉆井液流經(jīng)限流環(huán)的最小截面積。

圖2 極限間距、排量、信號強(qiáng)度關(guān)系圖

非線性回歸擬合的曲線方程為：

(1)

式中：z—信號強(qiáng)度，MPa；x—排量，L/s；y—極限距離，m；z0、B、C、D、E、F、G、H—曲線方程常數(shù)項(xiàng)，z0取值為-24.971 91；B取值為-236 649.3043 7；C取值為-2 730.123 24；D取值為-1 476.369 56；E取值為96.072 33；F取值為24.762 2；G取值為26.609 08；H取值為1 729 622.486 08。擬合R2值為0.968 7。

2.2 軸流式脈沖發(fā)生器主閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析

2.2.1 主閥外形分析

在相同體積、材料的情況下，根據(jù)伯努利方程，鉆井液對錐形主閥結(jié)構(gòu)的沖擊比圓柱型主閥結(jié)構(gòu)小[9-10]。圓柱型、錐形主閥結(jié)構(gòu)流固耦合分析結(jié)果如圖3所示，可以看出，圓柱型主閥閥芯表面所受等效應(yīng)力值為1.32×104N/m2，錐形主閥結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力為1.07×104N/m2，錐形受力更小、更均勻。考慮到噴嘴尺寸和安裝問題，錐角設(shè)計(jì)最大值為7°。

圖3 圓柱型、錐型主閥結(jié)構(gòu)流固耦合結(jié)果

2.2.2 主閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

圓柱型主閥CFD仿真計(jì)算形變量如圖4所示，可以看出圓柱型主閥閥芯內(nèi)側(cè)形變量最大，對于工具鋼材質(zhì)容易造成形變。為了提高圓柱型主閥閥芯的抗沖蝕能力，增加硬質(zhì)合金噴嘴，如圖5所示，閥芯本體一端與閥套采用環(huán)氧樹脂粘接，另一端設(shè)有螺紋，螺紋用于連接脈沖發(fā)生器信號閥桿總成，閥芯本體上端設(shè)有噴嘴座臺階，硬質(zhì)合金噴嘴與閥芯本體采用高強(qiáng)度黏接膠水粘接，硬質(zhì)合金噴嘴內(nèi)孔設(shè)有倒角，減少沖蝕面積[12]。

圖4 脈沖發(fā)生器主閥結(jié)構(gòu)流固耦合結(jié)果

圖5 新舊式主閥示意圖

2.2.3 主閥防沖蝕材料優(yōu)化

圓柱型主閥閥芯材質(zhì)為工具鋼，含碳量達(dá)1.5%，含鉻量達(dá)11.5%，經(jīng)熱處理硬度可達(dá)60 HRC[13]。閥套為硬質(zhì)合金，高密度、高含砂的鉆井液對于主閥閥芯極易造成沖蝕形變。在“極限鉆井參數(shù)”的條件下，容易產(chǎn)生局部塑性變形，材質(zhì)脫落等現(xiàn)象。為提高主閥總成的耐沖蝕性，選擇鈦合金TC6加工硬質(zhì)合金噴嘴。TC6鈦合金成分為Ti-6Al-2Mo-1.5Cr-2Nb，強(qiáng)度850～1 150 MPa，具有塑性強(qiáng)、裂紋擴(kuò)展速率低等優(yōu)點(diǎn)，耐沖蝕強(qiáng)，不同溫度瞬時(shí)拉伸、蠕變、持久等高溫性能與雙重退火和等溫退火狀態(tài)相當(dāng)。

2.2.4 改進(jìn)后主閥CFD仿真計(jì)算

如圖6所示，改進(jìn)后的主閥外側(cè)流場最高流速從17.25 m/s降低到14.56 m/s，高流速區(qū)域明顯減少，靜壓差從0.24 MPa下降到0.16 MPa，高壓區(qū)域減少。錐形主閥采用流線型設(shè)計(jì)，相比圓柱型主閥限流環(huán)內(nèi)部流道增大，流速減緩，抗沖蝕能力提高。

圖6 改進(jìn)前后主閥流場對比

2.3 軸流式脈沖發(fā)生器限流環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析

2.3.1 基于CFD的限流環(huán)沖蝕分析

目前軸流式脈沖發(fā)生器限流環(huán)采用側(cè)閥口設(shè)計(jì)，CFD仿真計(jì)算結(jié)果如圖7所示，限流環(huán)側(cè)閥口部分應(yīng)力達(dá)到4.65×105N/m2，該部分表面積小容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，在鉆井液的沖刷下，形成渦流導(dǎo)致沖蝕破碎。同時(shí)為了保證脈沖信號，只能配備最大外徑30.5 mm的主閥，在“極限鉆井參數(shù)”鉆井條件下，沖蝕嚴(yán)重，信號微弱。

2.3.2 限流環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

側(cè)閥口型限流環(huán)結(jié)構(gòu)如圖8所示，環(huán)體的外徑為64 mm，采用對稱燕尾旁側(cè)口結(jié)構(gòu)，開口角度19.64°，側(cè)閥口和本體邊緣最薄距離小于2 mm，鉆井液循環(huán)擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂。為了提高限流環(huán)抗沖蝕能力，采用“等通過量”法對限流環(huán)進(jìn)行改進(jìn)，環(huán)體外徑不變，限流環(huán)內(nèi)徑為52.36 mm，內(nèi)環(huán)下端成有3 mm內(nèi)倒角，增大了限流環(huán)與脈沖發(fā)生器主閥間隙，消除了限流環(huán)與脈沖發(fā)生器主閥相互碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 側(cè)閥口型限流環(huán)有限元分析

圖8 新舊限流環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.3 限流環(huán)防沖蝕材料優(yōu)化

側(cè)閥口型限流環(huán)材料為YG8硬質(zhì)合金，材料密度14.6～14.8 g/cm3，硬度90.5 HRA，抗彎強(qiáng)度2 300 MPa。韌性相對低，外環(huán)主要與其他硬質(zhì)合金組件連接，需要抗壓強(qiáng)度大，內(nèi)環(huán)主要與鉆井液接觸，沖擊力變化大，韌性要求相對較高，可以適當(dāng)降低硬度。新型限流環(huán)材料采用混合金屬氧化物合金，ZrO2與La2O3金屬物的加入細(xì)化了合金的晶粒，平均晶粒度降低6.7%，提高了合金的抗彎強(qiáng)度；ZrO2在黏結(jié)相中的球形分布，使得裂紋在合金中的擴(kuò)展時(shí)受到阻礙，提高了合金抗裂紋擴(kuò)展能力，同時(shí)強(qiáng)化了合金黏結(jié)相，混合后的合金外環(huán)抗彎強(qiáng)度增加359 MPa，硬度略有增加，內(nèi)環(huán)抗彎強(qiáng)度增加816 MPa，硬度略有降低。同時(shí)為了降低表面粗糙度，采用表面噴涂納米防沖蝕涂層。

2.3.4 改進(jìn)后限流環(huán)CFD仿真計(jì)算

從圖9可以看出，側(cè)閥口型限流環(huán)內(nèi)側(cè)靜壓差從0.86 MPa下降到0.37 MPa，高壓區(qū)域減少，流場最高流速從40.45 m/s降低到25.46 m/s，高流速區(qū)域明顯減少。改進(jìn)后的限流環(huán)解決了側(cè)閥口集中應(yīng)力大，流速高的問題，降低了鉆井液中的固相含量對環(huán)體的沖擊。

圖9 改進(jìn)前后限流環(huán)流場對比

2.4 軸流式脈沖發(fā)生器主閥、限流環(huán)匹配優(yōu)化

圓錐型主閥、新型限流環(huán)的使用，提高了軸流式脈沖發(fā)生器的抗沖蝕能力，為了保證軸流式脈沖發(fā)生器信號強(qiáng)度，需要調(diào)整主閥螺紋臺階面與限流環(huán)軸向距離、主閥外徑、主閥錐角、限流環(huán)內(nèi)徑。

原始限流環(huán)的厚度為12.7±0.04 mm，脈沖發(fā)生器的行程為9.5±0.3 mm，主閥螺紋臺階面與限流環(huán)底部最大軸向距離為3.5 mm。主閥外徑大于30 mm，限流環(huán)內(nèi)徑大于45.72 mm。

根據(jù)上述參數(shù)范圍和理論計(jì)算模型公式(1)，對軸流式脈沖發(fā)生器主閥、限流環(huán)尺寸進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最優(yōu)結(jié)果如表2所示，主閥外徑尺寸優(yōu)化為31.2 mm，脈沖發(fā)生器限流環(huán)的極限間距增加了0.023 m，平均節(jié)流面積增加0.001 67 m2，信號強(qiáng)度增量為-0.17 MPa。限流環(huán)內(nèi)徑為46.5 mm，軸向距離為3.43 mm，錐角5.8°時(shí)，脈沖發(fā)生器限流環(huán)的極限間距增加了0.011 m，平均節(jié)流面積增加0.001 25 m2，信號強(qiáng)度增量為0.215 MPa。

2.5 軸流式脈沖發(fā)生器主閥、限流環(huán)CFD仿真計(jì)算

對改進(jìn)前后軸流式脈沖發(fā)生器主閥、限流環(huán)流道流場進(jìn)行有限元仿真[13-14]，因鉆進(jìn)過程中，鉆桿內(nèi)及其環(huán)控內(nèi)鉆井液流量和泵壓一直處于變化中，所以選用非定常湍流RNGk-ε模型，由式(2)，式(3)決定。

(2)

(3)

式中：ρ—鉆井液密度，kg/m3；k—湍流動能，kg·m/s2；Pk—平均速度梯度引起的湍流動能k的產(chǎn)生項(xiàng)；ε—耗散率，m2·s2；μt—湍流黏度，N·s/m2；μ—?jiǎng)恿︷ざ?，N·s/m2。

假設(shè)流場處于完全湍流狀態(tài)[15-16]，鉆井液密度0.012 kg/m3，黏度0.002 s，流量26.2 L/s，入口流速10 m/s，出口壓降0.8 MPa，k方程湍流系數(shù)σk=1.256 3；RNG模型系數(shù)C2=1.186，C1=1.48，采用雷諾平均法對改進(jìn)前后過程進(jìn)行仿真計(jì)算。通過CFD計(jì)算可以得出：改進(jìn)后流道面積增加了1.423倍，過流速度降低31.96%，流道靜壓力降0.25 MPa，產(chǎn)生脈沖信號時(shí)，信號強(qiáng)度增量為0.041 MPa，與計(jì)算結(jié)果相印證。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

YMX、FYY井位于塔里木盆地庫車拗陷克拉蘇構(gòu)造帶克深斷裂構(gòu)造帶，該區(qū)塊塔河南二疊系火成巖孔洞、裂縫發(fā)育極易發(fā)生掉塊卡鉆，可鉆性差，蹩跳鉆嚴(yán)重。優(yōu)化前后軸流式脈沖發(fā)生器使用情況如表1所示，使用前后對比發(fā)現(xiàn)限流環(huán)、蘑菇頭邊角變得光滑，其他部位基本沒有損傷。

表1 優(yōu)化前后軸流式脈沖發(fā)生器使用情況對比

YMX井，完鉆井深8 003 m，垂深7 620 m，7 300 m深層定向，鉆井密度2.35 g/cm3，排量65 L/s，在第二趟鉆沒信號起鉆，起初發(fā)現(xiàn)限流環(huán)碎裂，更換改進(jìn)型主閥、限流環(huán)后單趟MWD井下作業(yè)時(shí)間較之前延長142.1 h，單趟進(jìn)尺568 m，該趟鉆起鉆前后MWD脈沖發(fā)生器限流環(huán)、主閥沖蝕得到了很大緩解。后3趟鉆未出現(xiàn)嚴(yán)重沖蝕情況，平均單趟MWD井下作業(yè)時(shí)間為128.5 h，平均信號強(qiáng)度增加0.038 MPa。

FYY井，完鉆井深7 864 m，垂深7 516.08 m，排量68 L/s，鉆井液含砂量大，在第四趟無信號的情況下，起出MWD發(fā)現(xiàn)主閥、信號閥桿沖蝕嚴(yán)重，下入改進(jìn)型主閥、限流環(huán)，單趟MWD井下作業(yè)時(shí)間較優(yōu)化前延長102.1 h，單趟進(jìn)尺467 m。后3趟鉆未出現(xiàn)嚴(yán)重沖蝕情況，平均單趟MWD井下作業(yè)時(shí)間為133.1 h，平均信號強(qiáng)度增加0.034 MPa。

截止2022年以來，改進(jìn)型脈沖發(fā)生器先后在華北、長慶、新疆等地區(qū)應(yīng)用80多口井?，F(xiàn)場應(yīng)用效果表明，平均單趟MWD井下作業(yè)時(shí)間相比同區(qū)塊延長123.4 h。

4 結(jié)論

(1)本文理論模擬計(jì)算與CFD仿真相結(jié)合的方法，對軸流式脈沖發(fā)生器機(jī)械結(jié)構(gòu)和材質(zhì)進(jìn)行了優(yōu)化，信號強(qiáng)度提升9%，提高了軸流式脈沖發(fā)生器的抗沖蝕性能，在華北、長慶、新疆等地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在塔里木區(qū)塊深井中表現(xiàn)良好，井下作業(yè)時(shí)間明顯提高，打破中石油集團(tuán)最大垂深記錄。

(2)基于目前的研究成果，可以進(jìn)一步優(yōu)化軸流式脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，采用人工智能算法對參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，從而提高軸流式脈沖發(fā)生器抗沖蝕能力。