插針式水力振蕩器的研制及應用*

史懷忠 成鵬飛 穆總結 席傳明

(1.中國石油大學(北京)油氣資源與探測工程國家重點實驗室 2.中國石油大學(北京)克拉瑪依校區油氣資源與探測國家重點實驗室克拉瑪依分室 3. 中國石油新疆油田分公司工程技術研究院)

0 引 言

新疆吉木薩爾凹陷頁巖油開發潛力巨大[1]，為擴大該區塊開采波及范圍及提高油層動用程度，主要采用“水平井+體積壓裂”技術[2]，其中水平段長度普遍在1 000～2 000 m。由于水平段較長，存在摩阻扭矩大、井眼清潔困難及托壓現象嚴重等難題，從而導致機械鉆速降低、鉆井周期延長和成本的提高[3-5]。隨著吉木薩爾頁巖油開發的不斷深入[6-7]，為有效改善托壓現象，同時為減少對旋轉導向鉆井工具的過度依賴，降低鉆井成本，進行了“大功率螺桿+水力振蕩器”的技術試驗，應用效果顯著[8-9]。水力振蕩器的應用已成為提高水平井鉆井速度的重要技術手段。

常規的水力振蕩器主要采用容積式盤閥馬達設計[10-19]，主要包括振動短節和動力短節。其工作原理是通過鉆井液驅使動力短節的轉子產生轉動，轉動的轉子驅動盤閥產生脈沖壓降，該脈沖壓降作用于振動短節，驅使振動短節產生高頻低幅的沖擊振動，從而將鉆柱與井壁之間的靜摩擦力改為動摩擦力，大幅減小摩阻，實現鉆壓的有效傳遞。常規水力振蕩器的技術弊端為動力短節的定子橡膠件在井底高溫環境下無法正常使用，在吉木薩爾頁巖油開發過程中，為了保證井壁穩定以及減小摩阻，必須采用油基鉆井液進行鉆進作業[20]，而定子橡膠無法適應油基鉆井液環境。因此，常規的水力振蕩器技術已無法適應吉木薩爾頁巖油開發技術要求。

為有效解決常規水力振蕩器的技術弊端，實現水平井鉆進過程中減摩降阻，從而更好地實現提速提效，本文進行了插針式純金屬水力振蕩器的研究及應用。

1 技術分析

1.1 結構

插針式水力振蕩器由花鍵心軸、花鍵外筒、連接筒、振蕩碟簧、下外筒、滑套筒、插針碟簧、滑套、鎖帽以及下接頭等組成，結構如圖1所示。花鍵心軸與花鍵外筒之間通過花鍵嵌套在一起，起到復合密封效果。花鍵外筒與連接筒通過螺紋連接在一起，其連接方式和密封方式與常規鉆桿扣型連接方式類似，即通過端面實現機械密封。振蕩活塞通過螺紋連接在花鍵心軸下端，其與連接筒之間的密封通過復合密封組合來實現。振蕩碟簧設計在花鍵心軸、花鍵外筒、連接外筒和振蕩活塞之間，保證井底工具振動效果。下外筒通過螺紋連接在連接筒下端，并通過端面實現密封。滑套筒通過螺紋連接在下外筒內，并通過O形密封圈保證靜密封效果。滑套設計在滑套筒內，插針碟簧設計在滑套筒和滑套之間，保證滑套的往復運動效果。鎖帽通過螺紋連接在滑套筒下方，保證了插針碟簧的有效裝配。下接頭通過螺紋連接在下外筒下方，并通過端面密封保證密封效果。

1—花鍵心軸；2—花鍵外筒；3—連接筒；4—振蕩碟簧；5—振蕩活塞；6—下外筒；7—滑套筒；8—插針碟簧；9—滑套；10—鎖帽；11—下接頭。

1.2 工作原理

插針式水力振蕩器根據鉆具組合特點安放在井底特定位置[21]。花鍵心軸與下接頭分別與井底鉆柱相連接，在鉆井過程中，鉆井液由花鍵心軸經滑套后，通過下接頭流入下部鉆柱，在滑套和滑套筒上分別設有可供鉆井液流通的孔，如圖2所示。當鉆井液通過滑套時，由于滑套對鉆井液的節流作用，鉆井液驅動滑套壓縮插針碟簧下行至鎖帽的內臺階處并被限位，此時滑套上的孔與滑套筒上的孔重合，即滑套與滑套筒連通。此時部分鉆井液將通過滑套和滑套筒上的孔經滑套筒與下外筒之間的環形空間流入下接頭，此為工具的泄壓過程。由于泄壓作用，插針碟簧將在預緊力的作用下驅動滑套恢復原位(見圖2)。

該振蕩器脈沖壓力產生過程如圖3所示。當滑套與滑套筒不連通時，鉆井液處于節流狀態，此時產生的壓降最大(見圖3a)；當滑套與滑套筒連通時，由于泄壓作用，此時工具產生的壓降最小(見圖3b)，插針碟簧驅動滑套恢復原位后，壓降再次達到最大值(見圖3c)。該過程將產生連續的脈沖壓力Δp(插針式水力振蕩器的動力)。

圖2 滑套與滑套筒連通過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of connection process between sliding sleeve and cylinder

圖3 插針式水力振蕩器脈沖壓力產生過程Fig.3 Generation of pulse pressure of pin type hydraulic oscillator

插針式水力振蕩器往復振蕩產生過程如圖4所示。從圖4可見，此連續的脈沖壓降Δp作用于振蕩活塞環形端面處，給振蕩活塞一個脈沖的作用力，驅動振蕩活塞向上運動，行程為ΔL，即產生一次振動沖擊作用(見圖4a)。在活塞向上作用過程中，將壓縮碟簧組做功。滑套與滑套筒連通時，壓降最小，此時碟簧將恢復預緊狀態，即驅動心軸及活塞向下運動至初始狀態(見圖4b)，此時，完成一個周期的振動沖擊。當脈沖壓降再次達到Δp時，活塞再次上行，并壓縮碟簧做功，驅動心軸向上運動，再產生一次振動沖擊作用；當壓降達到最小時，心軸及活塞再次恢復到初始狀態。心軸將產生連續的高頻低幅振動沖擊作用，該振動沖擊力又作用于井底鉆柱，不僅將驅動井底鉆柱高頻振動，使鉆柱與井壁之間的靜摩擦轉換為動摩擦，大幅降低摩擦因數，而且可保證鉆壓的有效傳遞，從而消除或減少托壓現象。

圖4 插針式水力振蕩器往復振蕩過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of reciprocating oscillation process of pin type hydraulic oscillator

1.3 主要技術參數

結合吉木薩爾頁巖油開發井身結構特點，插針式水力振蕩器的參數設計為：工具外徑172 mm，工具內徑62 mm，適用鉆井液排量25～35 L/s，工具整體壓降≤3 MPa，工具振動頻率11～15 Hz，振幅6～8 mm，工具上、下連續接扣型均為API-NC50。

2 仿真模擬研究

作用在插針式水力振蕩器中振蕩活塞上的力可為花鍵心軸的往復運動提供動力，同時也是配套碟簧選擇的重要依據。為計算該作用力，選用CFD計算軟件進行建模。結合工具工作原理，分別模擬滑套與滑套筒連通及閉合兩種極限條件下的流場分布。

2.1 模型建立及邊界條件設置

圖5為簡化后的流體域模型。當滑套上連通孔閉合時，流體只能從工具內部通過。此時滑套下端截面積減小，工具上端壓力上升。當滑套與滑套筒連通后，在分流作用下壓力迅速降低。應用Geometry處理模塊，兩種工況下工具下端都將采用壓力邊界，數值設置為0.1 MPa，以有效模擬鉆井液柱壓力；工具上端采用速度邊界，設置入口鉆井液初始流速為30 L/s，基于工具結構尺寸，速度設置為3.56 m/s，仿真過程中可通過改變入口流速，模擬不同排量下工具內的壓力分布情況。

圖5 水力振蕩器流體域模型Fig.5 Fluid domain model of metal hydraulic oscillator

2.2 結構網格劃分

通過ICEM-CFD對整個計算域采用適應性較強的四面體非結構體網格進行劃分，并采用局部加密的方法對開孔位置處的流域進行網格加密，以滿足開孔處的速度比及壓力變化。網格正交質量對單元采用面法向的矢量、從單元中心指向每個相鄰單元中心的矢量，以及從單元中心指向每個面的矢量進行了計算，結果顯示，絕大多數網格質量均在0.8以上，故網格質量滿足數值計算需求。

2.3 計算模型求解

Realizablek-ε湍流模型針對不同的流體運動類型適應性較強，包括射流與混合流的自由流動、管道內流動及邊界層流動等。該模型適用于模擬水力振蕩器流道內高速流體的運動，能夠得到較為精確的結果。

模型理論建立在流體的連續性方程(見式(1))和動量方程(見式(2))基礎上。

(1)

(2)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t、ti分別為總時間及時間分量，s；vi、vj均為速度分量，m/s；xi、xj為各坐標分量；p為壓力，MPa；μ為分子黏度，mPa·s；μi為湍流黏度，mPa·s。

代入模型的求解參數對方程進行變形，得到Realizablek-ε湍流模型：

(3)

(4)

式中：ε為耗散率；k為湍動能，J；σε、σk為耗散率和湍動能的湍流普朗特常量；Gk為平均速度梯度產生的湍動能，J；Gb為浮力作用產生的湍動能，J；YM為可壓縮湍動脈動膨脹對總耗散率的影響因子；C1、C2、C3、C1ε及C3ε為湍流方程常系數；E為渦動黏滯系數，即對數流速分布公式中的常系數；v為流體總速度，m/s。

2.4 模擬結果分析

圖6為排量30 L/s條件下的計算結果。工具上端內徑相同，流體速度與壓力分布無明顯變化。工具下端在滑套內徑縮小時流體速度明顯提升，而壓力逐漸減小。根據伯努利方程，這是由于流體能量在壓能和動能之間發生相互轉化產生的。作用在滑套縮徑處的壓力為其運動提供動力，直至流體下一次泄壓。配套碟簧在滑套移動時積聚的彈力與流體作用在滑套上的壓力達到平衡。基于此，可以確定碟簧勁度系數等參數，以保證工具正常工作。

圖6 流通狀態下流體域分布特征Fig.6 Fluid domain distribution characteristics in flow state

滑套與滑套筒關閉及連通時流體作用在振蕩活塞端面上的壓力如圖7所示。從圖7可知：當處于關閉狀態時，工具下端泄流面積小，端面壓力較大；反之，滑套通孔打開時作用在端面上的壓力會有一定程度的減小。在兩種壓差作用下振蕩活塞發生往復運動。根據其運動行程和流體壓差可以合理選擇振蕩碟簧的勁度系數。

圖8為不同排量條件下振蕩活塞端面所受作用力的變化規律。從圖8可以發現，隨著鉆井液排量的增大，流體作用力呈不斷增大趨勢。這主要是由于當工具下端泄流面積發生變化時，輸入流體不斷增加的動能轉化為更多的壓力勢能。基于此，在設計工具時，應提前確定鉆井液排量變化范圍，以便選擇合適碟簧，從而保障鉆井過程安全順利。

圖7 不同狀態下活塞端面壓力分布Fig.7 Pressure distribution of piston end face in different states

圖8 不同排量下活塞端面作用力的變化規律Fig.8 Variation of piston end force with different flow rates

2.5 技術優勢

(1)插針式水力振蕩器通過井底產生高頻低幅振動沖擊作用，大幅減小鉆柱與井壁之間的摩擦因數，消除或減少托壓現象，保證了鉆壓的有效傳遞，達到提高機械鉆速的目的。

(2)插針式水力振蕩器無定轉子結構部件，機械加工簡單，較常規水力振蕩器成本低。

(3)插針式水力振蕩器為純金屬結構設計，能夠滿足深井、水平井鉆井技術要求，可滿足在高溫高壓以及油基鉆井液等環境中的鉆井技術要求，同時純金屬結構可延長其井底使用壽命。

3 現場試驗

3.1 試驗井基本情況

JHW058**井位于新疆吉木薩爾縣。該井構造位于準噶爾盆地東部吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖油層位，為一口水平采油井，二開井身結構。該井設計井深為5 645 m，目的層位為二疊系蘆草溝組(P2l22)。該井井身結構數據如表1所示。井身結構如圖9所示。

表1 JHW058**井井身結構數據Table 1 Casing program data of Well JHW058**

圖9 JHW058**井井身結構示意圖Fig.9 Casing program of Well JHW058**

該井地層泥巖較發育，水敏性強，容易造成井眼縮徑、垮塌。在造斜井段韭菜園組至梧桐溝組泥巖較發育，水敏性強，垮塌井壁穩定性差，井眼縮徑和垮塌較嚴重，為確保井壁穩定以及井眼質量，決定在二開造斜段開展白/柴油基鉆井完井液體系鉆進。鉆井液體系及配方如表2所示。結合該井油基鉆井液體系，常規水力振蕩器的定子橡膠無法適應油基鉆井液環境，遂開展插針式純金屬水力振蕩器的現場試驗。

表2 JHW058**井二開井段油基鉆井液配方Table 2 Formula of oil-based drilling fluid in the second spud section of Well JHW058**

3.2 試驗情況及結果

插針式水力振蕩器于2020年9月2—10日進行現場試驗，采用鉆具組合為：?215.9 mm PDC鉆頭+?172.0 mm螺桿+?172.0 mm雙外接頭+?172.0 mm電阻率+?172.0 mm雙外接頭+?172.0 mm懸掛短節+?172.0 mm保護接頭+?127.0 mm加重鉆桿3根+?127.0 mm斜坡鉆桿17根+轉換接頭+?127.0 mm插針式水力振蕩器+?127.0 mm斜坡鉆桿+?127.0 mm加重鉆桿36根+?127.0 mm斜坡鉆桿。現場試驗施工參數：鉆壓20～50 kN，轉盤轉速0～50 r/min，鉆井液排量20～32 L/s，泵壓18～20 MPa，鉆井液密度1.55～1.60 g/cm3，漏斗黏度53～67 s，含砂質量分數0.1%～0.2%。

試驗井段為定向造斜段至水平段起點，實際進尺為3 185～4 102 m，進尺層位為三疊系韭菜園組、二疊系梧桐溝組及蘆草溝組。單套工具累計入井7.98 d，井下純鉆時間110.32 h，單套工具累計進尺917 m，平均機械鉆速8.31 m/h，較該區塊相同井深鄰井的平均機械鉆速(6.23 m/h)提速33.5%。現場試驗結果表明，插針式水力振蕩器能夠完全滿足油基鉆井液環境中的鉆井技術要求，同時能夠大幅緩解鉆頭托壓現象，提高機械鉆速。

4 結論及建議

(1)插針式水力振蕩器通過脈沖壓力驅動花鍵心軸產生高頻低幅振動沖擊，將井底鉆柱與井壁之間的靜摩擦轉換為動摩擦，大幅減小摩擦因數，保證了有效鉆壓的實時傳遞，起到了提速效果。

(2)插針式水力振蕩器為純金屬設計，可以滿足油基鉆井液環境下長壽命鉆井技術要求，同時適用于高溫高壓地層的鉆井作業，具有良好的應用前景。

(3)建議加強插針式水力振蕩器的研究并進行深入的現場試驗，同時應結合我國不同區域油氣田井身結構特點，進行相應尺寸的工具研發設計，為我國頁巖油氣田低成本高效開發提供技術參考。