閥式水力振蕩器結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能參數(shù)研究（1）

水力振蕩器是近年來應(yīng)用較為廣泛的提速工具，采用水力振蕩器可以有效地消除水平井和大位移井鉆進過程中的托壓效應(yīng)，提高鉆井效率。鑒于此，設(shè)計了閥式水力振蕩器。在工具結(jié)構(gòu)設(shè)計和理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合流體力學(xué)原理，分析控制閥運動過程中受力特征，建立控制閥運動數(shù)學(xué)模型。通過算例分析了控制閥的運動特性，研究了波動壓力和振蕩頻率的變化規(guī)律。研究表明: 工具的波動壓力峰值隨鉆井液排量和鉆井液密度的增加而增大，隨節(jié)流孔最小高度的增加而減小，而復(fù)位彈簧剛度和動閥質(zhì)量對波動壓力峰值影響較小; 工具振蕩頻率隨鉆井液排量、鉆井液密度、節(jié)流孔最小高度和動閥質(zhì)量增加而減小，隨復(fù)位彈簧剛度增加而增大。所得結(jié)論可為工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計和現(xiàn)場應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

隨著非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)，水平井和大位移井的比例越來越高，以提高目標地層的開采效率。然而，在水平井和大位移井鉆進過程中，由于井筒與井壁之間的接觸面積不斷增大，鉆柱的摩擦阻力顯著增大，易形成托壓現(xiàn)象，嚴重限制了機械鉆速的提升。為了解決鉆柱摩阻大的問題，常采用加裝振動減摩工具、在鉆井液中添加潤滑劑以及優(yōu)化井眼軌跡等技術(shù) 。水力振蕩器是一種能夠帶動井下鉆柱產(chǎn)生周期性軸向振動的機械裝置，用于改善鉆柱與井壁或套管間的摩擦條件，以提高鉆進效率 。該工具已成為世界上最受歡迎的振動式減摩減阻工具之一，并得到了廣泛應(yīng)用與研究。目前，國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)提出了不同結(jié)構(gòu)類型的水力振蕩器，具體可分為螺桿驅(qū)動式 、葉片驅(qū)動式和渦輪驅(qū)動式。雖然螺桿等類型的水力振蕩器能有效提高鉆井效率，但也存在節(jié)流閥盤易磨損和壓耗偏大等問題，需要進一步改善。為此，筆者提出閥式水力振蕩器，在工具結(jié)構(gòu)與工作原理分析的基礎(chǔ)上，建立控制閥的運動數(shù)學(xué)模型，分析控制閥的運動過程，研究了工具性能參數(shù)的變化規(guī)律，以期為閥式水力振蕩器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、理論研究和現(xiàn)場應(yīng)用提供借鑒。

結(jié)構(gòu)

閥式水力振蕩器主要由振蕩短節(jié)和閥式控制短節(jié)兩部分組成，如圖 1 所示。其中，振蕩短節(jié)主要包括振蕩心軸、傳動短節(jié)、碟簧組和承壓活塞; 閥式控制短節(jié)主要包括啟動閥、啟動閥調(diào)節(jié)彈簧、動閥和動閥復(fù)位彈簧等。

工作原理

在鉆井過程中，振蕩短節(jié)上端接頭連接上部鉆柱，閥式控制短節(jié)下端接頭與下部鉆柱相連。工具工作過程中，鉆井液經(jīng)工具、鉆頭流入井眼環(huán)空。啟動閥在內(nèi)外壓差力的作用下運動至設(shè)定位置，啟動閥堵頭與動閥側(cè)壁節(jié)流孔重合，動閥節(jié)流孔高度達到最小值，流道過流面積減小，在動閥上下兩端面形成壓差。動閥在壓差力的推動下向下運動，節(jié)流孔過流面積逐漸增大。當動閥向下運動至極限位置后，動閥在復(fù)位彈簧彈性力的作用下開始上行復(fù)位，節(jié)流孔過流面積逐漸減小。動閥沿軸向往復(fù)運動，使節(jié)流孔過流面積周期性改變，從而在振蕩短節(jié)承壓活塞端面產(chǎn)生周期性波動壓力。當波動壓力增大時，鉆井液壓力推動承壓活塞和振蕩心軸壓縮碟簧組，心軸伸出; 當壓力減小時，在碟簧組彈性力作用下，心軸復(fù)位。在周期性波動壓力推動下，振蕩心軸往復(fù)運動，使鉆柱產(chǎn)生周期性軸向振動，減小工具與井壁間的摩擦，減輕托壓現(xiàn)象，達到提高鉆井效率的目的。