水力振蕩器室內(nèi)試驗研究

錢偉強

(中石化石油機械股份有限公司研究院，湖北 武漢 430223)

在滑動或旋轉鉆進過程中，較高的摩阻，尤其是在水平井和大位移井作業(yè)中，可能是鉆井面臨的一個主要問題。摩阻通過增加能量輸入來降低鉆井效率，主要是通過增加扭矩和鉆頭重量來實現(xiàn)所需的鉆速(ROP)。鉆井效率降低導致切削齒過度磨損、機械鉆速降低和工具面控制不佳。在工業(yè)上用于對抗摩阻的幾種井下工具中，水力振蕩器應用效果最好[1]。本文著重介紹水力振蕩器的工作原理，室內(nèi)試驗方案及數(shù)據(jù)分析過程。

1 水力振蕩器的工作原理

水力振蕩器最初設計被用于連續(xù)油管鉆井作業(yè)和修井作業(yè)，后來發(fā)現(xiàn)該工具能有效解決滑動鉆進或定向井面臨的相關問題[2]，水力振蕩器作用是產(chǎn)生壓力脈沖，主要由上接頭、螺桿、閥組和下接頭四部分組成，如圖1所示。

圖1 水力振蕩器結構示意圖

螺桿是水力振蕩器的動力部分，頭數(shù)比為1∶2的單頭螺桿最為簡單。和多頭螺桿相比，同等性能的水力振蕩器，單頭螺桿長度更短，對介質中的固體顆粒更加友好，對閥組的設計要求也更低，這些特性恰恰也是水力振蕩器所需的。閥組是水力振蕩器產(chǎn)生壓力脈沖的根源，閥組包含動閥和靜閥，動閥與靜閥端面緊密貼合并開設流道孔，動閥隨螺桿轉子一起做平面往復周期性運動，這也是水力振蕩器僅有的運動部件。在運動過程中，流道孔周期性的重合與相錯，使得介質流通面積忽大忽小，根據(jù)伯努利原理，在閥上下產(chǎn)生周期性的壓力脈沖[3]。缺點：由于單頭螺桿固有特性，當鉆井排量較大時，螺桿的轉速較大[4]，一般通過在操作工藝中降低排量(如果允許的話)達到降低轉速的目的，這會影響鉆井的效率。

2 水力振蕩器室內(nèi)試驗

考慮實驗臺架的可擴展性與經(jīng)濟性等因素，確定實驗方案如圖2所示。采用雙泵系統(tǒng)實現(xiàn)對水力振蕩器供液，泵1和泵2從水箱中吸水，經(jīng)過出口總閥、入口軟管，進入水力振蕩器；水力振蕩器從左至右依次分布有兩個自由支撐，水力振蕩短節(jié)右端連接回水軟管，水流經(jīng)過回水軟管流回水箱。實驗中通過控制旁通閥、節(jié)流閥，實現(xiàn)流量和壓力的調(diào)節(jié)。

圖2 水力振蕩器實驗流程示意圖

流量壓力檢測儀主要由便攜式電腦、高性能數(shù)據(jù)采集器、壓力傳感器及渦輪流量計組成，高性能數(shù)據(jù)采集器將壓力傳感器及渦輪流量計的電壓信號采集過來并通過AD轉換至數(shù)字信號，并通過RJ45接口與電腦通訊。數(shù)據(jù)分析軟件根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)繪制時間-信號曲線圖，以便更直觀觀測數(shù)據(jù)的變化。

2.1 連接試驗臺架

依次安裝試驗用動靜閥(動靜閥尺寸如表1所示)，完成水力振蕩器裝配。按照圖2要求，將水力振蕩器與試驗臺架相連。

表1 水力振蕩器試驗用動靜閥尺寸 in

2.2 布置傳感器

將壓力傳感器、流量計，布置在相應的位置。分別測量水力振蕩器入口壓力、出口壓力、循環(huán)排量，用線纜將各傳感器與數(shù)據(jù)采集設備通道連接。

2.3 調(diào)試數(shù)采系統(tǒng)

將數(shù)據(jù)采集設備與筆記本電腦連接好。然后在數(shù)據(jù)采集軟件中，配置通道參數(shù)，設置分析頻率，調(diào)試采集系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)采集正常。

2.4 采集數(shù)據(jù)

啟動試驗臺架，采集不同排量下水力振蕩器穩(wěn)定運行時的各測點數(shù)據(jù)，試驗過程共采集0.21、0.31、0.40、0.49、0.60、0.70、0.79 m3/min 等7組排量下的壓力數(shù)據(jù)。

2.5 結束測試

關停試驗系統(tǒng)，關閉數(shù)采系統(tǒng)和筆記本電腦，拆卸傳感器和線纜，整理數(shù)采設備及其他相關物品。

3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)測試情況，分別對某一排量下水力振蕩器的入口壓力和出口壓力進行了分析(如圖3和圖4所示)，主要結論如下：

圖3 壓降頻率隨排量的變化規(guī)律

圖4 壓降隨排量的變化規(guī)律

1)在相同排量下，壓降隨時間成類正弦周期變化，且排量越大，周期越小；

2)壓降均值隨排量增加而增大；

3)壓降均值隨排量變化呈二次多項式變化，壓降隨時間的變化方程為y=129.02x2+64.92x-9.48；

4)壓降頻率隨排量的變化呈現(xiàn)一次多項式變化規(guī)律，壓降頻率隨排量的變化方程為y=8.06x(設置截距為0)。

4 結論

1)通過此次室內(nèi)試驗，收集了水力振蕩器穩(wěn)態(tài)工況下的入口壓力、出口壓力數(shù)據(jù)，并對壓耗(入口壓力與出口壓力之差)進行了量化。

2)掌握了水力振蕩器壓耗隨流量的便化特性以及壓力波動頻率隨流量的變化特性。