低壓高能長壽命水力振蕩器研制與試驗

摘 " 要：水力振蕩器是緩解定向托壓最有效的工具之一。針對傳統(tǒng)的單頭螺桿、偏心盤閥式水力振蕩器難以滿足深井、超深井、長水平井對低壓耗、長壽命、高能效的需求等問題，研發(fā)了低壓高能長壽命水力振蕩器。設(shè)計了同心盤閥結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了鉆井液的過流面積，降低了工具壓耗；設(shè)計了7/8頭螺桿和撓軸結(jié)構(gòu)，保障螺桿轉(zhuǎn)子穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，使定子橡膠均勻受力；設(shè)計了多級活塞結(jié)構(gòu)，振蕩力在壓力波動降低的前提下，保持不變；優(yōu)化設(shè)計碟簧組、活塞密封結(jié)構(gòu)、表面處理工藝，提供工具的強(qiáng)度、耐磨性和壽命。該水力振蕩器現(xiàn)場試驗25口井，平均機(jī)械鉆速提高23.9%，工具最低壓耗2.1 MPa，最長工作壽命可達(dá)312 h，使用最高溫度161 ℃，驗證了其低壓高能長壽命的工作性能?？稍谏罹?、超深井、長水平井作業(yè)中推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：水力振蕩器；同心驅(qū)動；低壓耗；定向托壓

中圖分類號：TE921.2 " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.06.005

Development and Test of Low-pressure High Energy and Long Life Hydraulic Oscillator

WANG Jianlong1， ZHENG Feng1， YANG Chao2， LIU He1， YU Chen1， ZHANG Zhanhao1

（ 1.Bohai Drilling Engineering Technology Research Institute，CNPC，Tianjin 300280，China; 2. China Petroleum Technical Service Corporation，CNPC，Beijing 100007，China）

Abstract：The hydraulic oscillator is an effective tool for relieving directional pressure. It is challenging to meet the specifications for low-pressure consumption， extended operational lifespan， and high energy efficiency in the context of deep， ultra-deep， and extended horizontal wells. A low-pressure， high-energy， and long-life hydraulic oscillator was developed， and a concentric disc valve was designed to enlarge the flow area of drilling fluid and reduce the pressure loss of the tool. The multi-stage piston structure was designed with the objective of maintaining a constant oscillating force while reducing pressure fluctuations. The design of the disc spring group and piston seal structure were optimized to enhance tool strength， wear resistance， and lifespan. The hydraulic oscillator has been tested in 25 wells， demonstrating an average penetration rate increase of 23.9%， a lowest pressure loss of 2.1 MPa， a longest working life of 312 hours， and a highest temperature of 161 ℃. These results verify the performance of low pressure， high energy， and long life， making it suitable for use in deep wells， ultra-deep wells， and long horizontal wells.

Key words： hydraulic oscillator; concentric drive; low pressure loss; directional pressure support

隨著非常規(guī)、深部油氣資源開發(fā)的不斷深入，水平井、大位移井、深井超深井越來越多，水平段長度已經(jīng)突破5 000 m、井眼深度已經(jīng)突破9 000 m，但是這些井鉆井后期均存在摩阻扭矩大、定向托壓嚴(yán)重等問題，導(dǎo)致鉆壓傳遞效率低、定向機(jī)械鉆速低，造成鉆井周期增長［1-5］。國外率先研發(fā)的水力振蕩器，已經(jīng)成為緩解定向托壓最有效的工具之一，以美國NOV公司Agitator工具最為典型，性能優(yōu)、效果好、規(guī)模大。隨后國內(nèi)各大高校、鉆探企業(yè)也相繼研發(fā)了多款水力振蕩器工具，包括螺桿式、渦輪式、射流式、全金屬式、閥式、自激振蕩式水力振蕩器等工具［6-13］，其中單頭螺桿式水力振蕩器應(yīng)用效果最好、規(guī)模最大。

但隨著深井長水平井增加、一趟鉆水平的提高，單頭螺桿式水力振蕩器存在三方面的問題［14-16］：①壓耗高達(dá)4.0～5.0 MPa，給鉆井泵增加運行載荷，鉆井后期會出現(xiàn)泵功率不足，致使鉆井工具出現(xiàn)無法正常工作的情況；②振蕩力為35～50 kN，隨著井眼深度、水平段長度的增加，摩阻不斷增加，鉆井后期由于振蕩力不足，導(dǎo)致緩解定向托壓效果明顯減弱，甚至不起作用；③壽命小于200 h，隨著一趟鉆技術(shù)不斷的進(jìn)步，螺桿、定向儀器、鉆頭的壽命達(dá)到300 h以上，工具壽命成為底部鉆具組合的短板，難以滿足一趟鉆的需求。

針對上述問題，在傳統(tǒng)單頭螺桿、偏心盤閥、單級活塞的基礎(chǔ)上，設(shè)計了多頭螺桿、同心盤閥、多級活塞的結(jié)構(gòu)，研制了低壓高能長壽命水力振蕩器，在國內(nèi)各大油氣田應(yīng)用100余口井，工具體現(xiàn)出低壓耗、高能效、長壽命的良好性能，滿足現(xiàn)場安全高效鉆井需求。

1 結(jié)構(gòu)及原理

1.1 工具結(jié)構(gòu)

低壓高能水力振蕩器主要由振蕩短節(jié)、動力短節(jié)、撓軸、盤閥總成等四部分組成如圖1所示。

振蕩短節(jié)主要由雙級活塞、碟簧、芯軸3部分組成。下部盤閥總成處產(chǎn)生的周期性壓力脈沖作用于活塞上產(chǎn)生沖擊能量，碟簧組通過吸收和釋放沖擊能量來實現(xiàn)軸向振蕩，帶動上下連接的工具產(chǎn)生軸向振動。動力短節(jié)是一個定轉(zhuǎn)子比例為7∶8的容積式液壓馬達(dá)，主要由定子和轉(zhuǎn)子組成。當(dāng)鉆井液流經(jīng)動力短節(jié)時，會驅(qū)動轉(zhuǎn)子在定子腔內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，并帶動撓軸、動閥高速旋轉(zhuǎn)。撓軸將馬達(dá)轉(zhuǎn)子的運動傳遞給動閥，同時也吸收螺桿轉(zhuǎn)子的偏心位移，使得動閥可以繞著螺桿定子中心軸做圓周運動。盤閥總成由同心的動閥、定閥組成，動閥在外緣間隔均布4個大孔和4個小孔，定閥在外緣均布4個大孔，閥孔的大小決定了壓力脈沖的幅值和壓降。在動力短節(jié)、撓軸的驅(qū)動下，動定閥盤的液體過流面積出現(xiàn)周期性增大、減小變化，進(jìn)而產(chǎn)生周期性的壓力脈沖作用在活塞上，為活塞運動提供動力。

1.2 工作原理

鉆井過程中，鉆井液流經(jīng)工具時，驅(qū)動7/8頭螺桿馬達(dá)高速旋轉(zhuǎn)，在撓軸的作用下，帶動動閥圍繞定子中心做圓周運動。當(dāng)動閥和定閥的重合面積最小時，產(chǎn)生最大的壓力脈沖；當(dāng)重合面積最大時，產(chǎn)生最小的壓力脈沖。壓力脈沖作用在振蕩短節(jié)的活塞上，壓力脈沖大時壓縮碟簧吸收能量，芯軸伸出；壓力脈沖小時碟簧釋放能量，芯軸縮回。隨著動閥高速旋轉(zhuǎn)，動定閥過流面積產(chǎn)生高頻周期性變化，進(jìn)而驅(qū)動工具產(chǎn)生高頻軸向振動12～15 Hz，從而帶動上下鉆具產(chǎn)生軸向蠕動，使滑動鉆進(jìn)的靜摩阻轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽ψ?，達(dá)到降低摩阻緩解托壓的目的。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

以降低壓耗、提高振蕩力、延長工具壽命為目標(biāo)，在傳統(tǒng)單頭螺桿水力振蕩器基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計了螺桿馬達(dá)頭數(shù)、盤閥結(jié)構(gòu)、活塞級數(shù)、碟簧數(shù)量等參數(shù)，并對材料進(jìn)行精選，加工工藝進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 螺桿馬達(dá)設(shè)計

螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子和定子間存在著偏心距e，轉(zhuǎn)子與定子曲面為頭數(shù)差1個、螺距相同、旋向相同（左）的共輒曲面，形成一系列相互隔離的密封腔。當(dāng)高壓鉆井液從上端入口流入馬達(dá)時，不平衡的水壓力產(chǎn)生驅(qū)使轉(zhuǎn)子相對于定子轉(zhuǎn)動的力矩，即驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。若轉(zhuǎn)子軸向無約束，則在轉(zhuǎn)動過程中轉(zhuǎn)子還要軸向運動。但由于轉(zhuǎn)子下端和撓軸相連，即轉(zhuǎn)子軸向運動被限制，所以轉(zhuǎn)子在鉆井液作用下相對于定子的平面做行星運動。

分析轉(zhuǎn)子相對于定子的平面行星運動，對7/8頭螺桿馬達(dá)進(jìn)行定轉(zhuǎn)子骨線方程計算、端面型線設(shè)計，確定螺桿關(guān)鍵參數(shù)，具體螺距為113.75 mm、偏心距為5.93 mm、過流面積為1 887.05 mm2、排量為12.02 L/r。利用仿真技術(shù)，進(jìn)行了靜力學(xué)仿真分析，如圖2所示。結(jié)果可知螺桿的應(yīng)力值為2.764×107 Pa，小于材料的屈服應(yīng)力，且最大位移為7.513×10-2 mm，可忽略不計，保障了螺桿設(shè)計的可行性。相比于單頭螺桿馬達(dá)，7/8頭螺桿馬達(dá)定子受力更加均勻，有利于提高螺桿馬達(dá)的工作穩(wěn)定性和壽命。

2.2 動、定盤閥設(shè)計

水力振蕩器閥盤旋轉(zhuǎn)由螺桿馬達(dá)來驅(qū)動，撓軸可將螺桿馬達(dá)的偏心位移吸收，因此動閥盤會以螺桿轉(zhuǎn)子的公轉(zhuǎn)速度繞工具中心軸旋轉(zhuǎn)。據(jù)此旋轉(zhuǎn)規(guī)律，設(shè)計動定閥盤的閥孔為圓周分布，在閥盤運動過程中不可能完全阻斷液流，因此在動閥盤上設(shè)計大小兩種閥孔并呈圓周分布。動定閥閥孔的運動過程可以看作為兩個圓的靠近分離運動，且過流面積在零和定閥孔面積之間變化，在計算動定閥孔之間的過流面積時，以任意圓O1和圓O2為例（如圖3所示），分別列出動定閥之間過流面積的計算公式。

基于式（1）～（4）計算結(jié)果，設(shè)計動閥盤上大閥孔的尺寸為？準(zhǔn)20 mm、小閥孔的尺寸為？準(zhǔn)12.5 mm，大小閥孔數(shù)量各為4，定閥盤上閥孔的尺寸為？準(zhǔn)20 mm，閥孔數(shù)量為4。

建立了仿真流道模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模擬排量32 L/s時，動閥相對于定閥轉(zhuǎn)角為0～40°時定轉(zhuǎn)子交界面的壓力云圖，計算脈沖壓力幅值為2.49 MPa。模擬分析表明，當(dāng)過流面積最大時，即轉(zhuǎn)角為0°時，此時閥盤上游壓力最小，仿真數(shù)據(jù)為p=0.42 MPa；當(dāng)過流面積最小時，即轉(zhuǎn)角為25°時，此時閥盤上游壓力最大，仿真數(shù)據(jù)為p=2.91 MPa。

相較于偏心盤閥，單頭螺桿的動盤閥為偏心盤閥，同心驅(qū)的工具是多頭螺桿同心驅(qū)動盤閥，同心驅(qū)的盤閥尺寸參數(shù)調(diào)整的空間很大，因此工作壓耗可以降低很多，同心驅(qū)工具相比前一代的壓耗降低1.5～2.0 MPa。

2.3 活塞設(shè)計

液壓在活塞處軸向推力F計算公式為：

由式（5）可知，水力振蕩器產(chǎn)生的振蕩力大小與壓力脈沖和作用面積成正比，上述同心驅(qū)動的盤閥結(jié)構(gòu)壓力脈沖降低了1.5～2.0 MPa，要想實現(xiàn)振蕩力不降低，需要增大壓力脈沖的作用面積，壓力脈沖的作用面積即為活塞的截面積。因此，設(shè)計了雙級活塞結(jié)構(gòu)，活塞當(dāng)量截面積為原來的1.33倍，相比單級活塞，相同壓耗下振動力提高33%。

2.4 碟簧設(shè)計

進(jìn)行了碟形彈簧組合受力分析，如圖5所示。通過對碟簧的載荷、應(yīng)力、剛度、變形等方面計算得到滿足振動要求的碟簧組合，選用外徑？準(zhǔn)125.5 mm，內(nèi)徑？準(zhǔn)80.5 mm碟形彈簧，采用單碟21組對合，仿真分析結(jié)果表明，選用碟簧未發(fā)生塑性變形，保證高頻振動的工況下，碟簧不能發(fā)生疲勞損壞。

碟簧組合應(yīng)力主要集中在碟簧內(nèi)圈，最大值為829 MPa，而所選用的碟簧應(yīng)力為1 420 MPa，未達(dá)到碟簧屈服極限，碟簧組合處于完全彈性階段而未發(fā)生塑性變形。

2.5 材質(zhì)優(yōu)選及加工工藝

優(yōu)選隔套式密封、承壓耐磨組合式密封、斯特封等新式密封結(jié)構(gòu)，如圖6所示，保證密封承壓可靠性和運動順暢度，有效解決活塞運動副的失效問題，壽命提高1倍以上。

優(yōu)選使用鍍鉻、激光熔覆、激光噴涂、激光熔噴等表面處理工藝，提高表面硬度、光潔度、耐腐蝕性，延長使用壽命，降低工具內(nèi)部摩阻內(nèi)耗，提高運動順暢度，解決了轉(zhuǎn)子、芯軸表面易腐蝕、受損等問題，如圖7所示。

3 室內(nèi)測試

在測試系統(tǒng)上對研制的樣機(jī)進(jìn)行了功能測試，測試樣機(jī)的壓耗、振動加速度。測試結(jié)果表明：加工的172 mm樣機(jī)在30 L/s排量下，壓耗低于2.5 MPa，測試振動加速度達(dá)到3g，如圖8～9所示。

4 現(xiàn)場試驗

低壓高能長壽命水力振蕩器現(xiàn)場試驗25口井，平均機(jī)械鉆速提高23.9%，工具最低壓耗2.1 MPa，最長工作壽命達(dá)到312 h，試驗最大井深6 188 m，最大井斜92.5°，單趟鉆最長進(jìn)尺3 307 m，最高溫度161 ℃，助力巴彥油田、華北油田、大港油田等多口井創(chuàng)造鉆井周期最短、機(jī)械鉆速最高紀(jì)錄。

大港油田某水平井，叢式井平臺鄰井多、距離近，最近距離5.69 m，為避免防碰，要求軌跡精細(xì)控制；造斜點淺（100 m），通過三次增斜，700 m范圍內(nèi)由20°增斜至90°、扭方位井段，易產(chǎn)生托壓，定向機(jī)速低、工具面穩(wěn)定性差。為此，在該井試驗了低壓高能長壽命水力振蕩器，工具入井前，在井口按30 L/s排量進(jìn)行試壓2次，工具壓耗2.4 MPa，振動正常。使用工具前，單根定向一般需活動鉆具3～5次，嚴(yán)重影響了定向鉆進(jìn)效率，井眼質(zhì)量難以保證；使用工具后，工具安放在距離鉆頭315 m的位置，單根定向一般僅活動鉆具1～2次，說明定向工具面穩(wěn)定性更好，如圖10所示。使用工具井段井斜46.1°～92.5°，純鉆時間44 h，平均機(jī)械鉆速11.93 m/h，對比鄰井的9.72 m/h，提高了22.7%。

5 結(jié)語

隨著以定向井、水平井為代表的復(fù)雜結(jié)構(gòu)井?dāng)?shù)量不斷增多，井深不斷突破，井眼軌跡日趨復(fù)雜，深部鉆井面臨的定向托壓、鉆壓傳遞困難問題愈發(fā)凸顯，現(xiàn)場對低壓高能長壽命水力振蕩器需求緊迫。通過創(chuàng)新設(shè)計多頭馬達(dá)、撓軸、同心盤閥、多級活塞結(jié)構(gòu)，研制了同心驅(qū)動水力振蕩器，實現(xiàn)了低壓耗、長壽命、高能效的目標(biāo)。試驗效果良好，滿足了深井、長水平井高效定向需求。為了進(jìn)一步降低水力振蕩器對鉆井泵的載荷、提高其壽命，建議開展地面可控水力振蕩器的研制工作，實現(xiàn)定向鉆進(jìn)井段工具開啟、復(fù)合鉆進(jìn)井段工具停止工作的功能。

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