一種新型連續管減阻器的設計與研究

覃光芬

（大慶油田有限責任公司井下作業分公司壓裂大隊，黑龍江大慶 434023）

0 前言

近年來，隨著水平井、大位移井和多分支井數量的逐漸增加以及小井眼鉆井技術的發展，連續管技術在這些井中作業的優勢越來越明顯，用途也越來越廣。但由于連續管具有尺寸相對小、柔性相對大、不旋轉以及加壓困難等特點，導致其與井壁之間的摩擦阻力較大，傳遞到鉆頭上的有效鉆壓很小。且在連續管入井過程中，在注入力和井底摩擦力的共同作用下，容易發生屈曲，甚至造成連續管的“卡死”，從而限制了連續管在大位移井和水平井中的應用。

連續管井下減阻器作為連續管井下工具組合之一，它的應用可以有效減小連續管與井壁間的摩擦阻力，提高機械鉆速，縮短作業周期，提高連續管鉆井效率，延長連續管的水平進尺。目前，國外已研制出多種連續管井下減阻器，且在連續管實際作業中取得了良好的應用效果[1-3]，而國內的該項研究處于起步階段，本文設計了一種新型連續管作業減阻器，可為國內連續管減阻技術研究提供一定的借鑒與參考。

1 新型減阻器結構設計與原理

1.1 新型減阻器結構

新型減阻器主要由上接頭、調整套、殼體、整流器、渦輪、凸輪及從動件、蝶形彈簧、轉軸、下接頭、振動短節、振動節等組成，具體結構如圖1所示。

1.2 新型減阻器工作原理[4-6]

圖2為減阻器工作狀態示意圖。鉆井液流經中心管至整流器導流驅動安裝在旋轉軸上的渦輪轉子旋轉，渦輪轉子產生動力帶動旋轉軸轉動，在旋轉軸末端通過聯軸器與凸輪連接，經聯軸器傳遞轉矩，與轉動軸一起轉動，圓柱凸輪旋轉過程中會使與之相連的從動件做沿周向的直線往復運動，在推力作用下凸輪從動件壓縮的蝶形彈簧下行，凸輪每旋轉270h便與從動件脫開，再旋轉90h后又貼合繼續驅使從動件向右運動。從動件每次與凸輪脫開后，由于底部蝶形彈簧的能量釋放，驅使從動快速回彈并撞擊與殼體相連的振動節。振動經振動節傳遞到套筒、上下接頭以及外殼體，從而使整個減阻器產生軸向振動。隨著凸輪的循環轉動，上述運動不斷重復，減阻器能產生一定頻率的持續的軸向振動，最終使得鉆柱與井壁分離，減小下行過程中的阻力。

圖1 新型減阻器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of a new type of drag reduction device

圖2 減阻器工作狀態示意圖

2 結構參數設計

2.1 設計參數

設計參數如表1所示。

表1 設計參數

2.2 工作性能計算

2.2.1 振動能量

碟形彈簧材料選用50CrVA，其屈服強度為ss=1 130 MPa，抗拉強度為sb=1 280 MPa；本設計碟形彈簧的受力大小約為5 kN，當所選碟形彈簧的單片碟形彈簧載荷P0=8 610 N時，其壓縮變形量為f0=2.63 mm，則其單片變形量為1.53 mm。取其振幅為19.8 mm左右時，則所需彈簧片數為13片，總高為80.6 mm。

初始時保持凸輪從動件與與振動節保持壓緊狀態，可使凸輪從動件與與振動節在發生撞擊時具有足夠的撞擊力，故使碟形彈簧保持2 mm的壓縮量。此時單片碟形彈簧位移為0.154 mm，即初始時需施加的預緊力為：

振動節在回程內由碟形彈簧彈性勢能轉化為凸輪從動件動能。碟形彈簧施加在凸輪從動件上的力為：

其中′為碟形彈簧在回程過程中單片碟形彈簧壓縮量。則凸輪從動件位移：

其中S彈為碟形彈簧受到5 kN力時的壓縮量為：Sn=1.53×13=19.89 mm。

由式（2）與式（3）求得：

則凸輪從動件加速度為：

式（5）中：m為凸輪從動件質量。

推理可得微分方程式：

求解得位移方程式為：

其中a為加速度，C1，C2為常數，則速度方程式為：

當位移S=0時，速度為0，加速度大小為：

當位移S=19.89（最大行程）時，加速度大小為：

代入得C1=-3.45，C2=19.63。

最終凸輪從動件撞擊振動節時的速度為：

其凸輪從動件撞擊振動節的動量為：

簡化凸輪從動件模型：假設凸輪從動件沖擊殼體后，凸輪從動件立馬停止運動且殼體向前運動一段距離。

設碰撞前凸輪從動件速度為v10=190.56 m/s，碰撞后速度為v11=0

碰撞前殼體速度為v20=0，碰撞后（凸輪初始狀態）速度為v21，由動量守恒得：

代入求得：v21=3.7 m/s

由牛頓的碰撞定律知，對心碰撞兩物體分離速度vr與接近速度vr0成正比，比例系數即為恢復系數e：

由所述式子可解得：

則動能損失為

將式（15），式（16）代入得：

傳遞到殼體的動能為：

2.2.2 振動頻率

凸輪轉動頻率控制在2～20 Hz以內即可，由于頻率對振動減摩效果有直接的影響，因此參考現有的實驗模擬數據可得到：振動頻率在1～7 Hz內時，連續管的振動減摩效果隨振動頻率的增加而增加；當振動頻率超過7 Hz后，繼續增大振動頻率對連續管振動減摩效果影響不大，綜合考慮下管長度的影響，10 Hz左右的振動頻率可以使的連續管振動減摩效果較好。

凸輪最大長度L=110 mm；凸輪螺旋升角：

根據凸輪轉動的角度，設定凸輪與從動輪的兩豎直面貼合時為0h分別選則凸輪轉動角度在90h，90h～135h及360h的空間位置，凸輪轉動方向如圖3所示。

圖3 凸輪運動狀態Fig.3 Cam movement state

需要說明的是，根據連續管作業的不同需求，可以設計生產多系列不同行程的凸輪組。

3 結論

本文針對連續管作業時管柱與井壁之間摩擦阻力大，易造成連續管屈曲，甚至“卡死”的現象，設計了一種利用螺旋式凸輪軌道實現往復運動來撞擊殼體產生振動的震蕩機構，并由渦輪提供動力。根據某種現場實例工況和設計數據，得到該新型減阻器的振動頻率能達到11 Hz，瞬時撞擊速度為3.7 m/s。

并且該減阻器具有以下優勢和特點：（1）采用蝶形彈簧和渦輪裝置作為動力源；（2）通過凸輪組件周期性的運動使蝶形彈簧回彈產生撞擊，響應快速，機構簡單緊湊，凸輪接觸為高副接觸，磨損情況大大改善，并且加工和維修時可以在接觸面上鍍上耐磨材料；（3）不依賴鉆井液沖擊性能，與鉆井液類型無關，持續工作能力強，更換配件簡便，維護、安裝方便。

［1］付加勝，李根生，史懷忠，等.井下振動減摩技術研究進展［J］.石油機械，2012，40（10）：6-11.

［2］陳朝偉，周英操，申瑞臣，等.連續管鉆井減摩技術綜述［J］.石油鉆探技術，2010，38（1）：29-31.

［3］歐陽賽賽，葛云華，王蘇為，等.連續管鉆井減阻技術發展 ［J］.石油礦場機械，2016，45（10）：11-15.

［4］張云飛，賀會群，都亞男，等.連續管井下減阻器研究進展［J］.石油機械，2015，43（7）：36-41.

［5］王安義，梁政，吳大飛.連續管井下作業摩阻計算分析［J］.石油機械，2010，38（1）：25-27，31.

［6］易燦，李根生，范紅康.井下振動減摩器的設計及試驗研究［J］.石油礦場機械，2003（6）：42-44.