小井眼水力振蕩器工作特性與試驗(yàn)研究*

李光喬 況雨春 羅金武，3 張銳

(1.中石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院 2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 3.成都工業(yè)學(xué)院智能制造學(xué)院)

0 引 言

小井眼開窗側(cè)鉆技術(shù)是集定向井、水平井及小井眼技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種綜合性鉆井技術(shù)，能達(dá)到降本增效和節(jié)能減排的目的[1-3]。但在小井眼開窗側(cè)鉆過(guò)程中，由于鉆柱系統(tǒng)柔性大且井眼清潔困難，鉆柱與井壁之間會(huì)形成較大摩阻而產(chǎn)生托壓現(xiàn)象，使得鉆壓不能及時(shí)地作用在鉆頭上，導(dǎo)致機(jī)械鉆速降低[4-5]。當(dāng)前，如何解決托壓?jiǎn)栴}是小井眼開窗側(cè)鉆鉆井提速的關(guān)鍵。針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了諸多解決方案，如優(yōu)化井眼軌跡、增強(qiáng)鉆井液潤(rùn)滑性、提高鉆桿抗拉扭能力、采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)、配套專用減摩阻工具等方案[6]。其中，配套專用減摩阻工具是當(dāng)前最為經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。國(guó)外有代表性的減摩阻工具有Weatherford公司機(jī)械式滾子減阻器[7]、RF-Rogaland Research公司研制的FDR工具[8]、Sola設(shè)計(jì)的連續(xù)管減摩器[8]及NOV公司研制的Agitator工具[9]。此外，國(guó)內(nèi)也相繼研制了不同的減摩阻工具并獲得了較好應(yīng)用，如YSC-178射流式?jīng)_擊器[10-12]、渦輪式水力振蕩器[13-14]和閥式水力振蕩器[15]。

以上工具可通過(guò)自身的軸向或徑向振動(dòng)效應(yīng)，將鉆柱與井壁之間的靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦，從而降低鉆井摩阻，提高機(jī)械鉆速。但是，以上工具均由活動(dòng)部件組成，具有加工復(fù)雜、易損壞及維修難等短板[16-17]。對(duì)此，學(xué)界相繼提出了諸如插針式水力振蕩器[18]、自激式水力振蕩器[19-20]等無(wú)活動(dòng)部件的減摩阻工具，并開展了相關(guān)研究。而針對(duì)特定水力參數(shù)對(duì)工具工作特性的影響研究還鮮有報(bào)道。

為解決小井眼開窗側(cè)鉆的托壓?jiǎn)栴}，延長(zhǎng)減摩阻工具的使用壽命，筆者設(shè)計(jì)了一種無(wú)活動(dòng)部件且適用于小井眼的水力振蕩器，基于數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)不同水力參數(shù)下水力振蕩器的工作特性進(jìn)行了研究，并開展了室內(nèi)試驗(yàn)以驗(yàn)證工具性能。所得結(jié)論可為水力振蕩器的工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小井眼水力振蕩器采用固定式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)置有鉆井液的反饋式流道。受制造工藝的限制，整個(gè)水力振蕩器由2瓣相同的結(jié)構(gòu)組合而成。水力振蕩器結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，反饋式流道由進(jìn)口、導(dǎo)流道、下信號(hào)道、下返流道、下分流道、出口、渦旋腔、上分流道、劈尖、上返流道、上信號(hào)道和彎曲流道等組成，其流道深度為h。

圖1 水力振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

水力振蕩器的進(jìn)出口壓力之差稱為工具壓降，計(jì)算式為：

Δp=pin-pout

(1)

式中：Δp為工具壓降，Pa；pin為工具進(jìn)口平均壓力，Pa；pout為工具出口平均壓力，Pa。

水力振蕩器配置在鉆柱系統(tǒng)中，屬于井下鉆井工具。水力振蕩器可促使鉆井液產(chǎn)生周期性的壓力變化，形成工具壓降的持續(xù)波動(dòng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぞ叩妮S向振動(dòng)，使小井眼井中鉆柱與井壁的靜摩擦轉(zhuǎn)變成動(dòng)摩擦，減小鉆井摩阻。

圖2展現(xiàn)了鉆井液在水力振蕩器中的循環(huán)流動(dòng)路徑。當(dāng)鉆井液從水力振蕩器進(jìn)口流入后，將以射流的方式流出導(dǎo)流道。受到射流擴(kuò)散、卷吸和湍流不穩(wěn)定性的相互作用，鉆井液射流的上、下兩側(cè)出現(xiàn)不對(duì)稱的小尺度渦旋，導(dǎo)致射流兩側(cè)形成壓差，驅(qū)使射流方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，直至出現(xiàn)康達(dá)效應(yīng)(亦稱射流附壁效應(yīng)，即流體被吸附在物體表面上流動(dòng)的現(xiàn)象)。若射流向上分流道發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在康達(dá)效應(yīng)的作用下，鉆井液將緊貼上分流道流入渦旋腔。在渦旋腔內(nèi)，鉆井液以順時(shí)針?lè)较虍a(chǎn)生旋流，其中大部分鉆井液將從出口直接流出水力振蕩器，而小部分鉆井液將從下返流道經(jīng)彎曲流道流入上信號(hào)道。隨著渦旋腔內(nèi)旋流的不斷增強(qiáng)，鉆井液流動(dòng)阻力增大，水力振蕩器工具壓降將逐漸增大。從上信號(hào)道流出的鉆井液將對(duì)導(dǎo)流道的射流形成沖擊，促使射流上側(cè)出現(xiàn)高壓區(qū)，推動(dòng)射流向下分流道發(fā)生偏轉(zhuǎn)，此時(shí)渦旋腔內(nèi)的順時(shí)針旋流不斷減弱，工具壓降隨之減小，直至射流沿著下分流道出現(xiàn)康達(dá)效應(yīng)，流動(dòng)換道。射流向下分流道偏轉(zhuǎn)后再次流入渦旋腔內(nèi)，產(chǎn)生逆時(shí)針的旋流，工具壓降再次增大，大部分鉆井液由出口流出。此外，小部分鉆井液從上返流道經(jīng)彎曲流道流入下信號(hào)道，對(duì)射流形成向上的沖擊，推動(dòng)射流向上分流道發(fā)生偏轉(zhuǎn)，工具壓降隨之減小，直至射流流動(dòng)再次換道。如此，鉆井液射流在水力振蕩器內(nèi)反復(fù)換道，構(gòu)成一個(gè)循環(huán)的流動(dòng)過(guò)程，進(jìn)而產(chǎn)生工具壓降的持續(xù)波動(dòng)，促使水力振蕩器產(chǎn)生軸向振動(dòng)。

圖2 鉆井液循環(huán)流動(dòng)路徑與工具壓降示意圖

1.3 射流附壁與射流切換條件

鉆井液從導(dǎo)流道流出后，形成射流附壁的條件為，因射流上、下兩側(cè)壓差而產(chǎn)生的向心力等于射流固有的慣性力(離心力)[21]，即有：

(2)

式中：Je為射流慣量，kg/s2；R為導(dǎo)流道出口處射流的曲率半徑，m；p1、p2分別為射流上、下兩側(cè)的壓力，Pa。

當(dāng)上下兩側(cè)壓力差絕對(duì)值逐漸減小至0時(shí)，導(dǎo)流道出口處射流開始(向上或向下)換道，射流的曲率半徑不斷增大直至無(wú)窮大；隨后，壓差的絕對(duì)值再次增大至等于射流固有的慣性力(離心力)時(shí)，射流完成換道。這整個(gè)過(guò)程稱為射流附壁切換。

2 水力振蕩器流場(chǎng)數(shù)值模擬理論

2.1 流動(dòng)守恒模型

以數(shù)值模擬技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)水力振蕩器的鉆井液流動(dòng)情況進(jìn)行分析。流經(jīng)小井眼水力振蕩器的鉆井液遵循流體3大守恒定律：質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒。考慮到鉆井液壓力波動(dòng)為研究重點(diǎn)，故忽略流場(chǎng)中溫度變化，主要為鉆井液質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒[22]。對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型分別為：

(3)

(4)

式中：ρ為鉆井液密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；u為鉆井液流動(dòng)速度，m/s；ux、uy、uz為u在3個(gè)坐標(biāo)方向上的分量，m/s；p為鉆井液壓力，Pa；f為鉆井液所受的單位質(zhì)量力，N/kg；μ為鉆井液動(dòng)力黏度，Pa·s；?為哈密頓算子。

2.2 湍流輸運(yùn)模型

通過(guò)估算雷諾數(shù)，得知鉆井液流動(dòng)狀態(tài)為湍流，故整個(gè)流場(chǎng)必須遵守附加的湍流輸運(yùn)方程。采用雷諾時(shí)均模擬技術(shù)中標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型對(duì)鉆井液流場(chǎng)進(jìn)行湍流輸運(yùn)模擬[23]，即：

(5)

(6)

式中：k為湍動(dòng)能，m2/s2；ε為湍流耗散率，m2/s3；Pk為湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，Pa/s；下標(biāo)j=1，2，3，表示笛卡爾坐標(biāo)的方向；μt為湍流運(yùn)動(dòng)的黏性系數(shù)，Pa·s；其他參數(shù)取值為：Cε1=1.44，Cε2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

2.3 壓力波動(dòng)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)水力振蕩器的工作原理，鉆井液不斷地切換流道射流入渦旋腔，在渦旋腔內(nèi)流體渦旋不斷地形成與釋放，形成工具壓降的周期性變化，變化的幅值稱為壓力波動(dòng)值，變化的頻率稱為波動(dòng)頻率。其中壓力波動(dòng)值的定義式為：

(7)

3 水力振蕩器性能評(píng)價(jià)與特性分析

基于數(shù)值模擬技術(shù)，水力振蕩器內(nèi)鉆井液的流動(dòng)過(guò)程由CFD求解器主導(dǎo)完成。

3.1 流體運(yùn)動(dòng)分析及性能評(píng)判指標(biāo)

以5.3 L/s的流量為例，在一個(gè)周期內(nèi)，鉆井液不斷切換流道形成壓力、流速的周期性變化，構(gòu)成如圖3所示的4種流動(dòng)狀態(tài)。

圖3 鉆井液流動(dòng)狀態(tài)(流量5.3 L/s)

圖3a表示初始射流的對(duì)稱式分布流動(dòng)狀態(tài)；圖3b表示康達(dá)效應(yīng)下的射流沿著下分流道流動(dòng)，進(jìn)入渦旋腔形成逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)的旋流，出口處的流速最大；圖3c表示射流受到來(lái)自上返流道經(jīng)彎曲流道的流體的影響，實(shí)現(xiàn)流道的切換并沿上分流道流動(dòng)，射入渦旋腔形成順時(shí)針旋流，出口處的流速最大；圖3d表示射流受到來(lái)自下分流道經(jīng)彎曲流道的流體的影響，射流漸漸脫離上分流道而沿下分流道流動(dòng)。4種流動(dòng)狀態(tài)交替出現(xiàn)，將鉆井液的部分水力能量轉(zhuǎn)變?yōu)樗φ袷幤鞯恼駝?dòng)機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)了小井眼鉆柱與井壁之間由靜摩擦向動(dòng)摩擦的轉(zhuǎn)變，鉆井摩阻隨之減小。

為評(píng)判水力振蕩器的工作特性，對(duì)工具壓降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如圖4所示，以壓力波動(dòng)值和波動(dòng)頻率作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。在一定范圍內(nèi)，當(dāng)壓力波動(dòng)值較大時(shí)，水力振蕩器能產(chǎn)生更大的振動(dòng)沖擊力，有利于抵抗鉆井摩阻中靜摩擦限制，促進(jìn)動(dòng)摩擦的產(chǎn)生。當(dāng)波動(dòng)頻率較大時(shí)，水力振蕩器能表現(xiàn)出更好的振動(dòng)效應(yīng)，進(jìn)一步增強(qiáng)該工具的減摩阻作用。

圖4說(shuō)明水力振蕩器的工具壓降呈現(xiàn)周期性變化。當(dāng)流量為5.3 L/s時(shí)，壓力波動(dòng)值為6.2 MPa，波動(dòng)頻率約為17.3 Hz。

3.2 水力參數(shù)對(duì)工作特性的影響

3.2.1 流量的影響

在實(shí)際工況中，小井眼水力振蕩器受到不同地層、井斜角和水平段等復(fù)雜環(huán)境的影響，使用的鉆井液流量有所不同，故流量是重要的工作參數(shù)。表1為不同流量下水力振蕩器工作特性的對(duì)比結(jié)果。由表1可知，隨著流量的增加，水力振蕩器的壓力波動(dòng)值和波動(dòng)頻率隨之增加。

表1 不同流量下水力振蕩器工作特性

分析認(rèn)為，在固定式水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下，鉆井液的過(guò)流面積保持不變，射流的流速隨流量變大而增加，使得進(jìn)入渦旋腔內(nèi)的旋流強(qiáng)度增大，工具壓降的最大值也就隨之增加，進(jìn)而使得壓力波動(dòng)值增加；同時(shí)，由于流速加快，渦旋腔內(nèi)旋流的產(chǎn)生和釋放速率亦加快，故波動(dòng)頻率也增加。

對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖5所示。分析表明：壓力波動(dòng)值與流量之間呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系，擬合度R2=0.999 8；波動(dòng)頻率與流量之間呈現(xiàn)線性函數(shù)關(guān)系，擬合度R2=0.995 7。兩者的擬合度均非常接近1，擬合性好。

圖5 流量影響的擬合曲線

3.2.2 流道深度的影響

流道深度屬于水力振蕩器的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。該深度的變化會(huì)引起過(guò)流截面的變化，使鉆井液流速隨之改變，進(jìn)而影響射流的附壁與切換，形成不同的工作特性。基于單因素敏感性分析方法，對(duì)不同流道深度下的水力振蕩器進(jìn)行數(shù)值模擬，其中模擬流量為5.3 L/s。表2為不同流道深度下的水力振蕩器工作特性對(duì)比結(jié)果，相應(yīng)的數(shù)據(jù)擬合情況如圖6所示。

表2 不同流道深度下的壓力波動(dòng)值和波動(dòng)頻率

圖6 流道深度影響的擬合曲線

模擬結(jié)果表明：壓力波動(dòng)值和波動(dòng)頻率隨著流道深度的增加而減小。分析認(rèn)為，流道深度的增加形成了更大的過(guò)流面積，使得射流速度減小，渦旋腔內(nèi)的旋流強(qiáng)度亦隨之減弱，產(chǎn)生了更小的壓力波動(dòng)值。此外，由于流速下降，渦旋腔內(nèi)旋流的產(chǎn)生和釋放的速率亦減小，故波動(dòng)頻率降低。擬合結(jié)果表明：在模擬的深度范圍內(nèi)，壓力波動(dòng)值與流道深度之間呈二次函數(shù)關(guān)系，其函數(shù)擬合度R2=0.996 8，擬合性好；波動(dòng)頻率與流道深度呈線性關(guān)系，擬合度R2=0.959 1，擬合性較好。

3.2.3 出口直徑的影響

由鉆井液流動(dòng)狀態(tài)(見圖3)可知出口處的流速最大，這將對(duì)出口結(jié)構(gòu)造成較大沖蝕并改變出口的等效直徑，進(jìn)一步影響渦旋腔內(nèi)旋流的形成和消散，從而改變水力振蕩器的工作特性。為此，在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)出口直徑進(jìn)行適當(dāng)增加或減少，獲取流量為5.3 L/s時(shí)的不同工作特性，結(jié)果如表3所示。圖7為工作特性與出口直徑之間的關(guān)系圖。因數(shù)據(jù)之間的函數(shù)關(guān)系不明顯且擬合性差，故未進(jìn)行擬合分析。

表3 不同出口直徑下的工作特性

圖7 工作特性與出口直徑之間的關(guān)系

由表3可知，當(dāng)出口直徑不小于19 mm時(shí)，水力振蕩器內(nèi)沒有壓力波動(dòng)，無(wú)法產(chǎn)生振蕩效應(yīng)。分析認(rèn)為：出口直徑過(guò)大時(shí)，從出口直接流出的鉆井液占比增加，而從返流道經(jīng)彎曲流道流入信號(hào)流道的鉆井液占比減少，導(dǎo)致射流處上下兩側(cè)壓力差較小，不滿足射流附壁的條件，工具失效。

當(dāng)出口直徑不大于18 mm時(shí)，隨著出口直徑的減小，水力振蕩器的壓力波動(dòng)值逐漸升高，但對(duì)波動(dòng)頻率影響不大。分析認(rèn)為：出口直徑的減小增強(qiáng)了渦旋腔內(nèi)的旋流強(qiáng)度，并對(duì)鉆井液的流出造成較大的局部阻力，從而形成更大的工具壓降，故壓力波動(dòng)值隨之增加。此外，流量一定時(shí)，由于返流道、彎曲流道和信號(hào)流道的過(guò)流面積較小，且沿程長(zhǎng)度并未發(fā)生改變，使得鉆井液經(jīng)以上流道反饋至導(dǎo)流道，并與射流產(chǎn)生沖擊所需的時(shí)間基本一致，所以出口直徑的減小并未對(duì)波動(dòng)頻率造成影響。

綜上所述，水力振蕩器在不同流量、不同流道深度和不同出口直徑等條件下，具有不同的工作特性。流量和流道深度的變化對(duì)壓力波動(dòng)值和波動(dòng)頻率影響明顯，且具有較好的函數(shù)擬合關(guān)系；出口直徑的變化對(duì)壓力波動(dòng)值有所影響，但對(duì)波動(dòng)頻率影響不大。

4 室內(nèi)試驗(yàn)

為驗(yàn)證小井眼水力振蕩器的工作特性，進(jìn)行了相應(yīng)的室內(nèi)試驗(yàn)。

試驗(yàn)前，裝配好的水力振蕩器被放置于試驗(yàn)臺(tái)架上的套筒內(nèi)，通過(guò)機(jī)械緊固方式將其與試驗(yàn)臺(tái)架、套筒之間相互固連；利用單泵將鉆井液注入套筒中，使其流經(jīng)水力振蕩器后通過(guò)軟管回流至開口水箱，并檢查各連接處的密封情況；在套筒進(jìn)口端加裝壓力表，用于監(jiān)測(cè)流進(jìn)水力振蕩器內(nèi)鉆井液的壓力變化情況。試驗(yàn)中，通過(guò)控制臺(tái)逐漸加大泵的輸出流量，直至流量穩(wěn)定在5 L/s時(shí)開始記錄壓力表顯示的結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行匯總分析，其中壓力表的讀數(shù)即為水力振蕩器的工具壓降。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：水力振蕩器進(jìn)口端的壓力表現(xiàn)出了周期性壓力波動(dòng)。在一個(gè)周期內(nèi)，工具壓降的最大值約為6.6 MPa，最小值約為1.5 MPa，即壓力波動(dòng)值在5.1 MPa左右。

將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表4所示。數(shù)值模擬的壓力波動(dòng)值與試驗(yàn)之間的相對(duì)誤差為14.3%。考慮到試驗(yàn)環(huán)境和測(cè)量精度的影響，該相對(duì)誤差在可接受范圍內(nèi)。對(duì)比結(jié)果證實(shí)了數(shù)值模擬的可靠性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，表明所設(shè)計(jì)的水力振蕩器確有周期性的振蕩效應(yīng)，其功能可滿足小井眼開窗側(cè)鉆減摩阻的工程需要。

表4 試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論與建議

(1)水力振蕩器是一種無(wú)活動(dòng)部件且適用于小井眼開窗作業(yè)的減摩阻工具，有較長(zhǎng)的使用壽命。該工具基于康達(dá)效應(yīng)和射流切換形成了周期性壓力波動(dòng)，能改善鉆柱與井壁之間的摩擦關(guān)系。

(2)隨著流量越大，水力振蕩器的壓力波動(dòng)值、波動(dòng)頻率均增大，分別與流量呈二次函數(shù)關(guān)系、線性函數(shù)關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，流道深度越小，壓力波動(dòng)值、波動(dòng)頻率越大，且頻率大于10 Hz。更小的出口直徑形成的壓力波動(dòng)值更大，但對(duì)波動(dòng)頻率影響較小。當(dāng)出口直徑大于等于19 mm時(shí)，不能形成壓力波動(dòng)，水力振蕩器的功能失效。

(3)數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差在15%以內(nèi)，說(shuō)明水力振蕩器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，且數(shù)值模擬結(jié)果可靠。

(4)建議在小井眼開窗側(cè)鉆作業(yè)中，將水力振蕩器與彈簧減震短節(jié)配套使用，綜合利用水力振蕩器的壓力波動(dòng)與彈簧減震短節(jié)的諧振效應(yīng)，共同促進(jìn)小井眼井下鉆柱與井壁的靜摩擦轉(zhuǎn)變成動(dòng)摩擦，以此降低鉆井摩阻并緩解托壓現(xiàn)象，提高機(jī)械鉆速。