影響水力振蕩器工作性能因素分析

呂克華， 鄒志鋼

(1中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 2華北油田煤層氣勘探開發(fā)事業(yè)部)

水力振蕩器是一種鉆井用減摩降阻工具[1-4]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)鉆井液經(jīng)過水力振蕩器單螺桿馬達(dá)時，鉆井液驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子一端裝有帶有偏心孔的動片閥，隨著動片閥的轉(zhuǎn)動，偏心孔周期性的覆蓋靜片閥中心孔(靜片閥固定于下部接頭)，使過流面積以一定頻率變化。這種過流面積的改變使得鉆井液以一定頻率沖擊碟簧，從而帶動水力振蕩器振動[5-6]。

圖1 水力振蕩器結(jié)構(gòu)圖

碟簧、單螺桿馬達(dá)是水力振蕩器的關(guān)鍵設(shè)計之一，其各自的性能及相互配合很大程度的影響著水力振蕩器的工作性能。本文通過試驗手段結(jié)合作業(yè)案例，系統(tǒng)的研究了碟簧的力學(xué)性能及碟簧與單螺桿馬達(dá)的配合關(guān)系，探討了最佳工作頻率及振幅，根據(jù)試驗結(jié)果設(shè)計的水力振蕩器參數(shù)更貼近實際工況，有利于縮短水力振蕩器的設(shè)計周期。

一、 水力振蕩器振動過程分析

水力振蕩器工作時，單螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動一周，其產(chǎn)生的壓力從大到小和從小到大各變化一次，所以水力振蕩器的工作頻率是馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的2倍。其動、靜片閥的運動規(guī)律如圖2所示。

圖2 動、靜片閥運動規(guī)律

二、碟簧、單螺桿馬達(dá)對水力振蕩器性能影響分析及試驗

1.組合碟簧靜態(tài)試驗

本文以適用于?216 mm井眼的?171.4 mm水力振蕩器為研究對象，選用幾何尺寸為?125 mm×?71 mm×10×15.5的碟簧作為研究內(nèi)容，碟簧組合形式為單片對合方式，碟簧數(shù)量為40片。試驗儀器為DNS系列電子萬能試驗機(jī)，因水力振蕩器單螺桿馬達(dá)為其碟簧提供的最大壓力為240 000 N，最小壓力為60 000 N，因此DNS系列電子萬能試驗機(jī)選用的最大測試壓力為250 000 N，最小壓力從0 N開始加載。測得碟簧載荷-變形值如圖3所示。

圖3 碟簧載荷-變形值

2.組合碟簧動態(tài)試驗

影響單螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)速的因素很多，如通過單螺桿馬達(dá)的實際流量、容積效率、螺桿襯套的導(dǎo)程等等[7]。假設(shè)水力振蕩器碟簧從被壓縮到最大位置回彈到自由狀態(tài)用時為t1，單螺桿馬達(dá)提供的壓力從一個相鄰的波峰到波谷之間用時為t2，若t1≤t2，則碟簧的位移-時間曲線與單螺桿馬達(dá)提供的壓強(qiáng)-時間曲線趨勢相同。若t1≥t2，則水力振蕩器碟簧從最大壓縮位置回彈至自由狀態(tài)的運動趨勢為其自由回彈和受迫回彈二者趨勢的疊加。如圖4所示，橫坐標(biāo)為時間軸，縱坐標(biāo)為碟簧的壓縮位移量。假設(shè)t1≤t2，則碟簧的運動趨勢如曲線a所示。假設(shè)t1≥t2，以3t1為周期繪制一曲線b，則碟簧的實際運動趨勢為曲線a與曲線b的相互疊加，即如曲線c所示。由圖4可以看出，當(dāng)t1≤t2時，水力振蕩器的振幅近似等于L2，而當(dāng)t1≥t2時，由于疊加的作用，水力振蕩器的振幅近似等于L1，如L1過小，則會很大程度的影響水力振蕩器的工作效果。

據(jù)此在設(shè)計水力振蕩器時，需要選用t1≤t2的碟簧，或者調(diào)整相應(yīng)的單螺桿馬達(dá)參數(shù)。

圖4 水力振蕩器振幅趨勢

三、振動頻率、振幅對水力振蕩器性能的影響

為了探究振動頻率、振幅對水力振蕩器工作性能的影響，設(shè)計了a、b、c、d四種工作頻率為16 Hz、不同振幅的水力振蕩器，首先對水力振蕩器進(jìn)行井口測試，測試BHA組合為?215.9 mm PDC鉆頭+?172 mm螺桿(1.5°)+?172 mm浮閥+?165 mm無磁鉆鋌+MWD+?165 mm無磁鉆鋌+?127 mm加重鉆桿×6柱+?172 mm水力振蕩器，測試排量為1 800 L/min，鉆井液密度1.37 g/cm3。開泵進(jìn)行測試，其中a振幅約為3 mm，b振幅約為5 mm，c振幅約為10 mm，d振幅約為15 mm。首先進(jìn)行了為期120 h壽命試驗，用來檢驗不同振幅對水力振蕩器密封件的影響，水力振蕩器密封件滑動密封采用進(jìn)口聚氨酯丁腈橡膠的U形密封，靜密封采用進(jìn)口丁腈橡膠氟橡膠O形密封圈。在測試過程中，a、b、c型水力振蕩器均在120 h后能正常工作，d型水力振蕩器在工作61 h后發(fā)現(xiàn)工具本體平衡孔中有鉆井液返出，起鉆對水力振蕩器拆卸檢查后發(fā)現(xiàn)活塞U形密封圈損壞，分析認(rèn)為水力振蕩器振幅過大，加速了滑動密封圈的損壞，導(dǎo)致活塞發(fā)生刺漏現(xiàn)象，增加了鉆井作業(yè)風(fēng)險。

圖5 使用水力振蕩器前后立壓變化曲線

某井為三開定向井，設(shè)計井深3 647 m，設(shè)計最大井斜44.22°。該井鉆進(jìn)至2 700 m后托壓釋放蹩泵現(xiàn)象嚴(yán)重，作業(yè)期間滑動摩阻18 t，托壓8 t，需頻繁調(diào)整工具面，下入c水力振蕩器，增斜鉆進(jìn)至井斜44.22°，共滑動鉆進(jìn)28.59 m，單趟進(jìn)尺453 m，純鉆時間30.5 h，鉆進(jìn)期間無托壓蹩泵現(xiàn)象，如圖5所示為三開使用水力振蕩器前后立壓隨井深變化曲線，從圖5中可以看出在第一趟鉆未使用水力振蕩器滑動鉆進(jìn)期間托壓釋放頻繁蹩泵，鉆進(jìn)過程泵壓不穩(wěn)定，在使用水力振蕩器后滑動鉆進(jìn)平穩(wěn)，無蹩泵現(xiàn)象，說明使用水力振蕩器后有效解決滑動托壓，工具面不穩(wěn)定情況，保證滑動作業(yè)的連續(xù)性。選取該井三開全井段，對比水力振蕩器使用前后滑動機(jī)械鉆速變化，如圖6所示，從圖6可以看出使用水力振蕩器后滑動鉆進(jìn)機(jī)械鉆速與第一趟鉆對比提高38.28%，與第二趟對比提速13.68%，有效提高滑動鉆進(jìn)速度。

圖6 三開滑動鉆進(jìn)機(jī)械鉆速對比

為測試水力振蕩器振幅對其工作效率的影響，選取了與該井相鄰的兩井下入a、b兩種型號的水力振蕩器進(jìn)行作業(yè)，選取沙河街組，垂深相同，井斜相近的井段，對比a、b、c水力振蕩器使用效果如表1所示。

表1 a、b、c水力振蕩器使用效果對比

從表1可以看出，水力振蕩器振幅相對大些效果較好，c水力振蕩器作業(yè)過程中平均行程鉆速與平均機(jī)械鉆速要高于b，b要高于c，因此在保證安全穩(wěn)定工作的前提下可選用較大振幅的水力振蕩器。

以上作業(yè)過程中使用的為國產(chǎn)自主研發(fā)的MWD，作業(yè)過程中MWD未出現(xiàn)測斜失敗或信號丟失問題。由于水力振蕩器產(chǎn)生的為高頻脈沖，脈沖頻率為16 Hz，單個脈沖持續(xù)時間為0.062 5 s，按照脈沖在鉆井液中的傳播速度為1 200 m/s計算，該脈沖信號僅能傳播75 m，因此使用水力振蕩器后不會影響MWD脈沖信號解碼，同時測斜重力和為1.004 5，滿足儀器測斜精度要求，說明工具振動不會影響三軸重力加速度計軸向Gx的測量精度，綜上，使用水力振蕩器后不會影響MWD工作。

四、結(jié)論

(1)設(shè)計?216 mm井眼用水力振蕩器時宜選擇單片變形值在4～6 mm的碟簧，組合碟簧片數(shù)不宜過多，30～40片碟簧既可滿足水力振蕩器工作需要又能減少相互摩擦帶來的影響。

(2)水力振蕩器振幅過大易導(dǎo)致密封元件提前失效，在滿足密封件性能要求的情況下水力振蕩器振幅宜控制在10～15 mm。

(3)為避免水力振蕩器影響MWD正常工作，水力振蕩器工作頻率宜控制在14～16 Hz。

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