水力振蕩器的研制與應(yīng)用

王芳層，賈吉冉，楊成永，張衛(wèi)平，陳 仁

（1.德州聯(lián)合石油機械有限公司技術(shù)中心，山東德州253034；2.西部鉆探淮東鉆井公司，新疆阜康831511；3.川慶鉆探塔里木工程公司，新疆庫爾勒，841000）①

水力振蕩器的研制與應(yīng)用

王芳層1，賈吉冉1，楊成永1，張衛(wèi)平2，陳 仁3

（1.德州聯(lián)合石油機械有限公司技術(shù)中心，山東德州253034；2.西部鉆探淮東鉆井公司，新疆阜康831511；3.川慶鉆探塔里木工程公司，新疆庫爾勒，841000）①

隨著大斜度井、水平井鉆井工藝技術(shù)的日趨成熟和小井眼技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，受井斜度增加、井壁摩阻大等因素影響，常規(guī)鉆井中傳統(tǒng)的依靠鉆柱重力施加鉆壓的方法已經(jīng)不能很好地滿足施工需要。研制了一種利用高壓液流提供軸向振動的井下工具——水力振蕩器。對水力振蕩器的結(jié)構(gòu)、原理、技術(shù)特點、技術(shù)參數(shù)、性能試驗等方面進行了詳細(xì)闡述，并進行了臺架性能試驗，表明該產(chǎn)品性能和可靠性達(dá)到了設(shè)計要求。經(jīng)現(xiàn)場井段應(yīng)用驗證，該水力振蕩器使用效果良好。

井下工具；水力振蕩器；鉆壓；機械鉆速

隨著我國各大油田開發(fā)大斜度井、水平井及水平分支井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的數(shù)量增加，使鉆具在水平鉆進過程中向下側(cè)井壁貼近，造成鉆具在鉆進過程中摩擦過大，嚴(yán)重影響了鉆進，甚至造成鉆具托壓不能加壓到鉆頭，因此靠鉆鋌自身重力向鉆頭施加鉆壓破巖的方法受到了限制。

水力振蕩器是一種新型的井下工具，它能夠?qū)︺@柱施加適當(dāng)?shù)闹芷谛暂S向振動，能有效減少鉆進過程中鉆具與井壁之間的摩擦力，提高鉆井的破巖效率，減少常規(guī)鉆進卡鉆事故，并增加動鉆壓［14］。

1　技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

水力振蕩器由上接頭、定子、擋圈、轉(zhuǎn)子、動閥座、動閥片、定閥座、定閥片、下接頭等組成，如圖1。

1.2 工作原理

水力振蕩器上部通過上接頭與鉆桿連接，下部通過下接頭與鉆柱或者鉆頭連接。工作過程中，鉆桿內(nèi)的高壓液體驅(qū)動轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)，同時繞定子的中心公轉(zhuǎn)，形成偏心復(fù)合轉(zhuǎn)動；轉(zhuǎn)子通過螺紋與動閥座連

接，轉(zhuǎn)子帶動動閥座也做偏心復(fù)合轉(zhuǎn)動，動閥座帶動動閥片緊貼定閥座上面的定閥片轉(zhuǎn)動。在動閥座周期轉(zhuǎn)動過程中，動閥片和定閥片的扇形通道重疊面積從小到大，再從大到小周期性變化，使高壓液流的流道面積也發(fā)生周期性變化，從而使動閥座上部的液流壓力周期性變化。當(dāng)動閥片與定閥片的扇形通道重疊面積最小時，上部的高壓液流通過動閥片的流通截面積最小，使上部流體壓力增到最大；當(dāng)動閥片與定閥片的扇形通道重疊面積最大時，上部的高壓液流通過動閥片的流通截面積最大，使上部流體壓力最小。這種周期性、高頻率的壓力變化會對鉆具產(chǎn)生振蕩，由于是液力作用下產(chǎn)生的周期變化，因此形成了水力振蕩作用，對井下鉆具周期加壓，實現(xiàn)井下高效鉆進［5-7］。

圖1　水力振蕩器結(jié)構(gòu)

1.3 主要技術(shù)特點

水力振蕩器是通過自身馬達(dá)帶動動閥片運動，定閥片與殼體連接相對運動，這樣動閥片和定閥片之間的流道就有了一個動態(tài)的周期性變化，這種變化就形成了壓力的變化，壓力的變化就形成了振動。這種振動是軸向振動，可以減少鉆具與井眼之間的摩擦力，可以應(yīng)用在各種鉆進模式中來提高機械鉆速。本文介紹的水力振蕩器和現(xiàn)有的水力振蕩器最大不同之處在于：在1個周期性變化的過程中，頻率是現(xiàn)有水力振蕩器頻率的2倍，這樣大幅縮短了馬達(dá)的長度，提高了工具的穩(wěn)定性。

1） 水力振蕩器可使上部高壓液流對下部的鉆桿及鉆頭有1個周期性加壓和振動的作用，可以實現(xiàn)有效加壓。

2） 水力振蕩器產(chǎn)生的振動是由高壓液流產(chǎn)生的，因此可以有效吸收鉆具在鉆進過程中產(chǎn)生的剛性振動，避免了鉆具的大幅振動，提高了鉆具的使用壽命，并避免跳鉆現(xiàn)象［8］。

1.4 主要技術(shù)參數(shù)（如表1）

表1　水力振蕩器主要技術(shù)參數(shù)

2　關(guān)鍵技術(shù)及制造難點

2.1 動力部分的選擇

水力振蕩器在工作過程中，只提供周期性柔和的穩(wěn)定振動沖擊，不需要很大的轉(zhuǎn)矩，因此動力部分定子和轉(zhuǎn)子頭數(shù)之比為2∶1，轉(zhuǎn)子頭數(shù)為單頭。

2.2 閥片結(jié)構(gòu)和材料的選擇

閥片開孔大小直接與動力部分定子的最大內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子的偏心距有關(guān)，因此在動力部分的規(guī)格和尺寸確定之后，確定閥片的結(jié)構(gòu)和開孔大小，并模擬在運動過程中動閥片和定閥片相互遮擋形成的壓力變化曲線，模擬出來的曲線近似正弦曲線，這反映出水力振蕩器給下部鉆具提供近似正弦的壓力變化。動閥片和定閥片在工作過程中緊密接觸，又要承受高壓液流的沖蝕，因此閥片材料要保證耐磨性和耐沖蝕性。項目組調(diào)研了國內(nèi)外先進的材料，通過多次試驗對比，確定的材料不僅滿足性能上的要求，也滿足安裝和維護的方便性。

2.3 材料與連接螺紋的選擇

水力振蕩器材料選擇的重要性體現(xiàn)在：隨鉆具組合連續(xù)在井下工作，工況相對惡劣，受力情況復(fù)雜；由于馬達(dá)頭數(shù)選擇單頭，頻率較高，根據(jù)相應(yīng)的公式，計算馬達(dá)的導(dǎo)程偏長；從受力角度分析，對于直徑偏小、導(dǎo)程過長的馬達(dá)受力情況比較惡劣。因此，要嚴(yán)格選擇材料，確定材料的各項參數(shù)，并對重要零部件進行無損探傷。

井下工具對螺紋連接的選擇不僅要方便拆裝，同時要保證使用的安全，不發(fā)生脫扣、斷裂的情況。對于水力振蕩器連接螺紋選擇方便拆裝的特殊錐螺紋，同時保證連接錐螺紋最薄部位的厚度滿足強度要求。

3　試驗

每制造完1臺水力振蕩器，都要進行整機試驗。試驗是在試驗臺架上進行，試驗臺架有1整套完整的動力系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)。水力振蕩器要做的試驗有振動產(chǎn)生推力大小的測試和振動頻率的測試。試驗臺架工作原理如圖2所示。

圖2　試驗臺架工作原理

3.1 推力載荷試驗

水力振蕩器輸入端與高壓軟管連接，試驗介質(zhì)從輸入端進入。水力振蕩器的輸出端與導(dǎo)向軟管連接，保證試驗介質(zhì)流向循環(huán)系統(tǒng)。將推力測量裝置通過工裝安裝在水力振蕩器的下端，推力測量裝置輸出端與電腦上的虛擬儀表連接。啟動整機試驗臺架，當(dāng)達(dá)到試驗要求的排量時，開始在虛擬儀表上記錄每一秒鐘的數(shù)據(jù)。

3.2 壓力頻率試驗

水力振蕩器輸入端與高壓軟管連接，試驗介質(zhì)從輸入端進入。水力振蕩器的輸出端與導(dǎo)向軟管連接，保證試驗介質(zhì)流向循環(huán)系統(tǒng)。將壓力測量裝置通過工裝安裝在閥片處，壓力測量裝置輸出端與電腦上的虛擬儀表連接。啟動電動泵向水眼內(nèi)注入試驗介質(zhì)，當(dāng)達(dá)到試驗要求的排量時，開始在虛擬儀表上記錄每一秒鐘的數(shù)據(jù)［9］。

4　現(xiàn)場應(yīng)用

安裝水力振蕩器時，注意保證上下接頭正確連接，并結(jié)合鉆井設(shè)計及鉆壓要求組合鉆具。通常情況下，水力振蕩器的安裝原則主要有2個：

1） 在頂驅(qū)和常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆井作業(yè)中，為了使水力振蕩器的作用最大化，盡量放置在距離鉆頭近的位置，但是距離鉆頭的距離必須大于1根鉆鋌的長度。

2） 在使用井下動力工具時，水力振蕩器應(yīng)放置在動力工具的上端［10］。

2014-09，水力振蕩器在西部某油田鉆井隊進行了現(xiàn)場試驗。設(shè)計井深3 940 m，完鉆地層為石炭系。在井深2 025～2 132 m時使用水力振蕩器，鉆具組合為鉆頭＋鉆鋌＋水力振蕩器＋造斜鉆具組合＋鉆鋌＋鉆桿，鉆壓40～60 k N，排量30 L/s。現(xiàn)場試驗表明：使用水力振蕩器之后的機械鉆速提升明顯，鉆具振動減輕，延長了鉆具使用壽命。

5　結(jié)論

1） 水力振蕩器通過高壓液流產(chǎn)生軸向振動，減少鉆具與井壁間摩阻，提高鉆進速度。

2） 水力振蕩器在使用過程中，可以與導(dǎo)向螺桿鉆具配合，改善對工具面的控制并增加機械鉆速。

3） 在水平井、分支井、連續(xù)油管、過油管鉆進中使用水力振蕩器，可以增加鉆進的深度。

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Study and Application of Agitator

WANG Fangceng1，JIA Jiran1，YANG Chengyong1，ZHANGWeiping2，CHEN Ren3
（1.Technology Center，Dezhou United Petroleum Machinery Co.，Ltd.，Dezhou 253034，China；2.Zhundong Drilling Company，XDEC，F(xiàn)ukang 831511，Ching；3.Tarim Drilling Company，CCDC，korla 841000，China）

The drilling technology of highly deviated wells and horizontal wells has become ma-ture.The traditional method for creating WOB through drillpipe gravity in conventional drilling cannot satisfy the operation requirement.In light of the problem a kind of downhole tool which u-ses high pressure liquid flow to apply axial vibration.The structure，function，technological pa-rameter，technological parameters and performance testing of Agitator are introduced in detail in this paper.The performance and reliability of the product has reached the design requirement.The verification of its field application in well section shows that the good effect of the Agitator.

downhole tool；agitator；WOB；penetration rate

TE931.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.020

1001-3482（2015）07-0083-03

①2015-01-

王芳層（1980-），女，山西運城人，碩士研究生，主要從事石油井下工具的設(shè)計工作，E-mail：wfccqu＠163.com。