可控式水力振蕩器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能參數(shù)研究

中圖分類號(hào)：TE927文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.12473/CPM.202406080

He Xin，Liu Gonghui，Chen Tian，etal. Structural designand performance parametersof controllable hydraulicoscillator[J].China PetroleumMachinery，2025，53（7）：83-88.

Structural Designand Performance Parametersof Controllable Hydraulic Oscillator

He XinLiu Gonghui ^1，2 Chen Tian1 Li Jun1，Wang Wei2 （1.CollgeofPetroleumEnginering，China UniversityofPetroleumBeijing）；2.ScholofMechanicalandEnergyEnneing Beijing UniversityofTechnology;3.CollgeofPetroleum，China UniversityofPetroleum（Beijing）atKaramay）

Abstract：Hydraulic oscillators are widely used in drilling of horizontal welsand extended-reach wels，to effectively solve the problem of backing pressure of pipe strings and improve drillng effciency.Aconventional hydraulicoscilator starts towork immediately afterit isrun in hole for circulation，with uncontrollale working stateand low effectiveservice life.To addressthis issue，acontrollable hydraulicoscillator is designed.This tool has two working states：vibrational，and dormant，which are switched bycontroling the rotation of the disc valve， and can meet the drilling needs under different conditions.The force during the movement of the disc valve was analyzed，and the disc valve movement mathematical model was built.Based on the analysisof the structure and working principle ofthetool，togetherwith the principleoffluid mechanics，theoutput performance of the tool was analyzed through examples，and a number of hydraulic structure parameters that have obvious effects on the oscillation frequencyand pressure drop of the tool were examined.The results show that the oscilation frequencyof the turbine-drivenhydraulicoscillatorisonlyrelated tothedisplacementofdrillingfluid，thatis，theoscillationfrequency increases with the increase of driling fluid displacement.The pressure dropof the tool increases with the increaseofdrillingfluiddisplacementanddensity，anddecreaseswith the increaseof the areaofthethrottleorifice on the mandrel sidewall.Theresearch findings are referentialfor the design and application of controllble hydraulic oscillators.

Keywords： hydraulic oscillator;backing pressure effect； structural design;disc valve;oscilation frequency

0 引言

隨著油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)不斷向非常規(guī)資源轉(zhuǎn)移，開(kāi)發(fā)難度日趨增大，水平井和大位移井的應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越多[1-3]。在水平井和大位移井的鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆柱的摩擦阻力隨著鉆具與井壁之間接觸面積的增大而不斷增大，導(dǎo)致鉆壓無(wú)法有效傳遞到鉆頭，容易產(chǎn)生托壓現(xiàn)象，嚴(yán)重限制了機(jī)械鉆速的提升[4-5]。在鉆柱上加裝水力振蕩器能有效緩解水平井鉆進(jìn)過(guò)程中的托壓?jiǎn)栴}[6-9]。水力振蕩器利用自身產(chǎn)生的軸向振動(dòng)可減小底部鉆具與井眼之間的摩擦阻力，增強(qiáng)鉆壓傳遞效果，進(jìn)而提高鉆進(jìn)效率[10-13]。但現(xiàn)有的水力振蕩器下井循環(huán)后即開(kāi)始工作，存在工具工作狀態(tài)不可控制、有效使用壽命較短的問(wèn)題，無(wú)法滿足更高效的油氣開(kāi)發(fā)需求[14]。

為此，筆者提出一種可控式水力振蕩器，并在工具結(jié)構(gòu)與工作原理分析的基礎(chǔ)上，完成了工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)影響工具性能的參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。該工具具有“休眠”“振動(dòng)”2種工作狀態(tài)。鉆進(jìn)過(guò)程中，在鉆柱未發(fā)生托壓?jiǎn)栴}的井段，控制工具處于休眠狀態(tài)；對(duì)于存在托壓?jiǎn)栴}的井段，控制工具進(jìn)行振動(dòng)，通過(guò)縮短工具在非必要工作井段的工作時(shí)間，延長(zhǎng)工具的有效使用壽命。研究結(jié)果可為可控式水力振蕩器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供借鑒。

1技術(shù)分析

1.1 工具結(jié)構(gòu)

可控式水力振蕩器由動(dòng)力機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)和振蕩機(jī)構(gòu)3部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中動(dòng)力機(jī)構(gòu)主要包括心軸、渦輪定子、渦輪轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)筒及動(dòng)盤閥等；控制機(jī)構(gòu)主要包括電機(jī)、電機(jī)齒輪、靜盤閥及控制盤閥等；振蕩短節(jié)主要包括振蕩心軸、振蕩心軸端蓋及碟簧組等。

1—上接頭；2一心軸；3—轉(zhuǎn)筒；4—渦輪轉(zhuǎn)子；5一渦輪定子； 6一渦輪限位塊；7—?jiǎng)颖P閥；8—靜盤閥；9—電機(jī)；10—電機(jī) 齒輪；11—控制盤閥；12—振蕩心軸端蓋；13—碟簧；14—外 殼體；15—碟簧擋圈；16—振蕩心軸；17—下接頭。 圖1可控式水力振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

鉆井過(guò)程中，動(dòng)力短節(jié)上端接頭連接上部鉆柱，振蕩短節(jié)下端接頭與下部鉆柱相連；工具的動(dòng)盤閥通過(guò)螺紋與轉(zhuǎn)筒連接，轉(zhuǎn)筒通過(guò)鍵與渦輪轉(zhuǎn)子固連；渦輪在鉆井液的推動(dòng)下，通過(guò)轉(zhuǎn)筒帶動(dòng)動(dòng)盤閥轉(zhuǎn)動(dòng)。靜盤閥上安裝有小型電機(jī)和電機(jī)齒輪，控制盤閥上設(shè)有齒輪結(jié)構(gòu)，控制盤閥的齒輪與電機(jī)齒輪相嚙合，通過(guò)電機(jī)控制盤閥的轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)靜盤閥和控制盤閥的相對(duì)位置在圖2a狀態(tài)和圖2b狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換（見(jiàn)圖2）。工具設(shè)計(jì)有“休眠”狀態(tài)和“振動(dòng)”狀態(tài)2種?！靶菝摺睜顟B(tài)下，靜盤閥與控制盤閥的相對(duì)位置如圖2a所示。此時(shí)靜閥盤與控制盤閥之間的振蕩腔室供液流道處于閉合狀態(tài)，高壓流體無(wú)法進(jìn)入振蕩短節(jié)，振蕩短節(jié)不振動(dòng)?！靶菝摺睜顟B(tài)下工具內(nèi)部鉆井液的流動(dòng)情況如圖3所示?！罢駝?dòng)”狀態(tài)下，靜盤閥與控制盤閥的相對(duì)位置如圖2b所示。此時(shí)靜閥盤與控制盤閥之間的振蕩腔室供液流道處于連通狀態(tài)，隨著動(dòng)盤閥的轉(zhuǎn)動(dòng)，振蕩腔供液流道與渦輪腔室發(fā)生周期性的連通、閉合。供液流道連通時(shí)，高壓鉆井液流入振蕩腔室，推動(dòng)振蕩短節(jié)心軸伸出；供液通道閉合時(shí)，振蕩腔室通過(guò)盤閥泄流孔和外殼體泄流孔與環(huán)空連通，振蕩腔室內(nèi)的鉆井液排入環(huán)空?！罢駝?dòng)”狀態(tài)下工具內(nèi)部鉆井液的2種流動(dòng)情況如圖4所示。

1.3特點(diǎn)與主要技術(shù)參數(shù)

設(shè)計(jì)的可控式水力振蕩器為全金屬結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的抗腐蝕和耐高壓能力，有效使用壽命長(zhǎng)。

其主要技術(shù)參數(shù)為：工具外徑 172mm ，總長(zhǎng)1250mm ，設(shè)計(jì)工作排量 15～25L/s 。

2 工具力學(xué)分析與設(shè)計(jì)

整體工具的設(shè)計(jì)內(nèi)容較多，僅選取其關(guān)鍵部分一一動(dòng)力機(jī)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)闡述。

2.1 動(dòng)力機(jī)構(gòu)

可控式水力振蕩器的動(dòng)力機(jī)構(gòu)主要由渦輪組、轉(zhuǎn)筒和動(dòng)盤閥組成，渦輪在鉆井液驅(qū)動(dòng)下克服轉(zhuǎn)筒與動(dòng)盤閥的摩擦阻力，帶動(dòng)動(dòng)盤閥轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)盤閥的受力情況如圖5所示。

動(dòng)盤閥轉(zhuǎn)動(dòng)需滿足渦輪扭轉(zhuǎn)力 F_w 大于轉(zhuǎn)筒摩擦力 f₁ 和動(dòng)盤閥摩擦阻力 f₂ ，即：

F_w-（f₁+f₂）gt;0

其中：

Fig.5Forceof thedynamic discvalveduring the movemenl

f₂=μm₂g

M₁=ZηρQRu

式中： F_w 為渦輪的扭轉(zhuǎn)力，N； f₁ 為轉(zhuǎn)筒摩擦力，N; f₂ 為動(dòng)閥盤摩擦阻力， N ； M₁ 為動(dòng)盤閥扭矩，N?m ； R₁ 為盤閥半徑， m μ 為靜摩擦因數(shù)，無(wú)量綱； m₁ 和 m₂ 分別為轉(zhuǎn)筒和動(dòng)盤閥的質(zhì)量， kg ： g 為重力加速度， m/s² ； Z 為渦輪級(jí)數(shù)； η 為葉片水力效率，無(wú)量綱； ρ 為流體密度， kg/m³ ； Q 為排量，m³/s ； R 為渦輪葉片平均半徑， m ； 為渦輪轉(zhuǎn)子的圓周速度， m/s ： A 為渦輪定子出口液流面積， m² β_1k 為渦輪定子入口結(jié)構(gòu)角， （^°） ； β_2k 為渦輪轉(zhuǎn)子出口結(jié)構(gòu)角， （^°） 。

由式（2）＼～式（6）可知：?jiǎn)渭?jí)渦輪的轉(zhuǎn)速和扭矩與渦輪轉(zhuǎn)子的出入口結(jié)構(gòu)角、渦輪葉片半徑、流體排量和密度有關(guān)。渦輪組級(jí)數(shù)根據(jù)動(dòng)盤閥和轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)所需克服摩擦阻力的大小確定?；谠O(shè)計(jì)需要，通過(guò)計(jì)算確定了動(dòng)力機(jī)構(gòu)的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.2 控制機(jī)構(gòu)

控制盤閥是工具的控制核心，當(dāng)需要切換工具的工作狀態(tài)時(shí)，安裝在靜盤閥上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制盤閥進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變控制盤閥與靜盤閥的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的切換?？刂票P閥的受力情況如圖6所示。

若要控制盤閥實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，需滿足盤閥扭轉(zhuǎn)力F_p 大于盤閥摩擦阻力 f₃ ，即：

F_p-f₃gt;0

其中：

式中： M₂ 為電機(jī)扭矩， N?m R₂ 為電機(jī)齒輪半徑，m m₃ 為控制盤閥的質(zhì)量， k_g 。

基于控制盤閥的力學(xué)分析，綜合考慮電機(jī)布置空間、盤閥和轉(zhuǎn)筒的質(zhì)量，并結(jié)合具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與電機(jī)選型。

3 工具性能參數(shù)計(jì)算與參數(shù)敏感性分析

Δp_w=ρgH

水力振蕩器的關(guān)鍵性能參數(shù)是振蕩頻率和工具壓降。工具的振蕩頻率和壓降受鉆井水力參數(shù)和工具結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，因此需要分析鉆井液排量、鉆井液密度、球閥流道面積及中心流道側(cè)壁孔面積對(duì)工具振蕩頻率和工具壓降的影響。分別通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬完成工具的性能參數(shù)計(jì)算，并基于計(jì)算結(jié)果開(kāi)展影響工具輸出特性的參數(shù)敏感性分析。

3.1理論計(jì)算

可控式水力振蕩器的動(dòng)力機(jī)構(gòu)為渦輪結(jié)構(gòu)，工具的振蕩頻率只與渦輪轉(zhuǎn)速相關(guān)，渦輪轉(zhuǎn)速與鉆井液排量相關(guān)。工具振蕩頻率和工具渦輪轉(zhuǎn)速計(jì)算式分別為：

式中： n 為渦輪轉(zhuǎn)速， r/min ： f 為工具振蕩頻率，Hz ; D 為渦輪葉片平均中徑， m α_1k 為渦輪定子葉片入口結(jié)構(gòu)角， （^°） ； α_2k 為渦輪轉(zhuǎn)子葉片出口結(jié)構(gòu)角， （^°） 。

工具壓降受排量、鉆井液密度和側(cè)壁孔面積的影響。鉆井液流經(jīng)上心軸側(cè)壁孔、渦輪、下心軸側(cè)壁孔時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓降。其中流體流經(jīng)側(cè)壁孔的壓降 Δp_k 為：

式中： Δp_k 為側(cè)壁孔壓降， Pa ； ξ_k 為節(jié)流孔的壓力損耗系數(shù)，無(wú)量綱； n_k 為節(jié)流孔個(gè)數(shù)； s_k 為節(jié)流孔面積， m² 。

流體流經(jīng)渦輪的壓頭 H 和壓降 Δp_w 為：

式中： H 為壓頭， m ： Δp_w 為渦輪壓降，Pa； c_1u 、c_2u 分別為渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)、出口處絕對(duì)速度的切向分量， m/s 。

基于以上分析，選取某規(guī)格的一款可控式水力振蕩器，通過(guò)理論計(jì)算，得到各參數(shù)條件下工具的輸出特性。算例中涉及的水力及結(jié)構(gòu)參數(shù)如下： Q 為 16～30L/s ， ρ 為 1.0～2.2g/m³ ， α_1k 為145.2^° ， α_2k 為 21.2^° ， β_1k 為 145.2^° ， β_2k 為 21.2^° ，方形節(jié)流孔邊長(zhǎng)為 16～30mm 。

3.2 數(shù)值模擬

3.2.1模型建立與網(wǎng)格劃分

使用SolidWorks軟件繪制工具的流道模型，將模型導(dǎo)人Fluent-Meshing，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于渦輪處的流道結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)該區(qū)域的網(wǎng)格劃分進(jìn)行加密；對(duì)于其他區(qū)域，選擇相對(duì)疏松的網(wǎng)格劃分。其網(wǎng)格模型如圖7所示。

3.2.2計(jì)算模型與求解方法

為了提高計(jì)算精度和數(shù)值穩(wěn)定性，選取在高湍流強(qiáng)度下表現(xiàn)更好的RNG k-ε 湍流模型作為計(jì)算模型。選用有限體積法的一階迎風(fēng)格式對(duì)控制方程組進(jìn)行離散，使用SIMPLE算法進(jìn)行壓力-速度耦合計(jì)算，在流道模型的出、入口分別設(shè)立監(jiān)測(cè)面，監(jiān)測(cè)模型的壓降。使用與理論計(jì)算相同的水力結(jié)構(gòu)參數(shù)，逐一完成工具輸出特性的數(shù)值模擬計(jì)算。

3.3參數(shù)敏感性分析

3.3.1鉆井液排量和鉆井液密度的影響

圖8和圖9分別為鉆井液排量及鉆井液密度對(duì)工具的振蕩頻率和壓降的影響曲線。從圖8可以看出，工具的振蕩頻率和壓降隨鉆井液排量的增加而增加，振蕩頻率隨排量的增加呈線性關(guān)系，工具壓降隨排量的增加呈二次函數(shù)關(guān)系。從圖9可以看出，工具壓降隨鉆井液密度的增加而增加，鉆井液密度對(duì)工具振蕩頻率沒(méi)有影響。

3.3.2心軸側(cè)壁節(jié)流孔面積的影響

心軸側(cè)壁的上節(jié)流孔和下節(jié)流孔的過(guò)流截面均為正方形，以正方形邊長(zhǎng)為變量，分析過(guò)流孔面積變化對(duì)工具性能參數(shù)的影響。圖10和圖11分別為心軸上節(jié)流孔及下節(jié)流孔邊長(zhǎng)變化對(duì)工具振蕩頻率和壓降的影響曲線。從圖10和圖11可以看出，工具壓降隨節(jié)流孔邊長(zhǎng)的增大而減小，工具振蕩頻率不受球閥流道直徑變化的影響。

4結(jié)論

（1）為解決常規(guī)水力振蕩器有效使用壽命短的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種渦輪驅(qū)動(dòng)的可控式水力振蕩器，工具具有“休眠”“振動(dòng)”2種工作狀態(tài)，通過(guò)控制盤閥的轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)工具的工作狀態(tài)切換。

（2）可控式水力振蕩器利用鉆井液動(dòng)能驅(qū)動(dòng)動(dòng)盤閥轉(zhuǎn)動(dòng)，“振動(dòng)”狀態(tài)下，靜閥盤與控制盤閥之間的振蕩腔室供液流道連通，隨著動(dòng)盤閥的轉(zhuǎn)動(dòng)，振蕩腔供液流道與渦輪腔室實(shí)現(xiàn)周期性的連通與閉合，其產(chǎn)生的波動(dòng)壓力足以推動(dòng)振蕩短節(jié)心軸伸出并帶動(dòng)井底鉆柱進(jìn)行高頻振動(dòng)，可有效緩解水平井鉆進(jìn)過(guò)程中的“托壓”現(xiàn)象。

（3）可控式水力振蕩器的振蕩頻率只與渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)和鉆井液排量有關(guān)，工具振蕩頻率隨鉆井液排量的增大而增大；工具壓降隨鉆井液排量和密度的增大而增大，隨心軸側(cè)壁節(jié)流孔面積的增大而減小。

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第一

作者簡(jiǎn)介：何鑫，生于1996年，現(xiàn)為在讀博士研究生，研究方向?yàn)榫绿崴俟ぞ咴O(shè)計(jì)。地址：（1022491）北京市昌平區(qū)。email：cuphexin@163.com。通信作者：柳貢慧，博士生導(dǎo)師，教授。email：lgh1029@163.com。

收稿日期：2024-06-26 修改稿收到日期：2024-10-15（本文編輯任 武）