可控式水力振蕩器結構設計與性能參數研究

中圖分類號：TE927文獻標識碼：ADOI：10.12473/CPM.202406080

He Xin，Liu Gonghui，Chen Tian，etal. Structural designand performance parametersof controllable hydraulicoscillator[J].China PetroleumMachinery，2025，53（7）：83-88.

Structural Designand Performance Parametersof Controllable Hydraulic Oscillator

He XinLiu Gonghui ^1，2 Chen Tian1 Li Jun1，Wang Wei2 （1.CollgeofPetroleumEnginering，China UniversityofPetroleumBeijing）；2.ScholofMechanicalandEnergyEnneing Beijing UniversityofTechnology;3.CollgeofPetroleum，China UniversityofPetroleum（Beijing）atKaramay）

Abstract：Hydraulic oscillators are widely used in drilling of horizontal welsand extended-reach wels，to effectively solve the problem of backing pressure of pipe strings and improve drillng effciency.Aconventional hydraulicoscilator starts towork immediately afterit isrun in hole for circulation，with uncontrollale working stateand low effectiveservice life.To addressthis issue，acontrollable hydraulicoscillator is designed.This tool has two working states：vibrational，and dormant，which are switched bycontroling the rotation of the disc valve， and can meet the drilling needs under different conditions.The force during the movement of the disc valve was analyzed，and the disc valve movement mathematical model was built.Based on the analysisof the structure and working principle ofthetool，togetherwith the principleoffluid mechanics，theoutput performance of the tool was analyzed through examples，and a number of hydraulic structure parameters that have obvious effects on the oscillation frequencyand pressure drop of the tool were examined.The results show that the oscilation frequencyof the turbine-drivenhydraulicoscillatorisonlyrelated tothedisplacementofdrillingfluid，thatis，theoscillationfrequency increases with the increase of driling fluid displacement.The pressure dropof the tool increases with the increaseofdrillingfluiddisplacementanddensity，anddecreaseswith the increaseof the areaofthethrottleorifice on the mandrel sidewall.Theresearch findings are referentialfor the design and application of controllble hydraulic oscillators.

Keywords： hydraulic oscillator;backing pressure effect； structural design;disc valve;oscilation frequency

0 引言

隨著油氣資源勘探開發的重點不斷向非常規資源轉移，開發難度日趨增大，水平井和大位移井的應用場景越來越多[1-3]。在水平井和大位移井的鉆進過程中，鉆柱的摩擦阻力隨著鉆具與井壁之間接觸面積的增大而不斷增大，導致鉆壓無法有效傳遞到鉆頭，容易產生托壓現象，嚴重限制了機械鉆速的提升[4-5]。在鉆柱上加裝水力振蕩器能有效緩解水平井鉆進過程中的托壓問題[6-9]。水力振蕩器利用自身產生的軸向振動可減小底部鉆具與井眼之間的摩擦阻力，增強鉆壓傳遞效果，進而提高鉆進效率[10-13]。但現有的水力振蕩器下井循環后即開始工作，存在工具工作狀態不可控制、有效使用壽命較短的問題，無法滿足更高效的油氣開發需求[14]。

為此，筆者提出一種可控式水力振蕩器，并在工具結構與工作原理分析的基礎上，完成了工具的結構設計，對影響工具性能的參數進行了敏感性分析。該工具具有“休眠”“振動”2種工作狀態。鉆進過程中，在鉆柱未發生托壓問題的井段，控制工具處于休眠狀態；對于存在托壓問題的井段，控制工具進行振動，通過縮短工具在非必要工作井段的工作時間，延長工具的有效使用壽命。研究結果可為可控式水力振蕩器的結構設計、理論研究和現場應用提供借鑒。

1技術分析

1.1 工具結構

可控式水力振蕩器由動力機構、控制機構和振蕩機構3部分組成，其結構如圖1所示。其中動力機構主要包括心軸、渦輪定子、渦輪轉子、轉筒及動盤閥等；控制機構主要包括電機、電機齒輪、靜盤閥及控制盤閥等；振蕩短節主要包括振蕩心軸、振蕩心軸端蓋及碟簧組等。

1—上接頭；2一心軸；3—轉筒；4—渦輪轉子；5一渦輪定子； 6一渦輪限位塊；7—動盤閥；8—靜盤閥；9—電機；10—電機 齒輪；11—控制盤閥；12—振蕩心軸端蓋；13—碟簧；14—外 殼體；15—碟簧擋圈；16—振蕩心軸；17—下接頭。 圖1可控式水力振蕩器結構示意圖

1.2 工作原理

鉆井過程中，動力短節上端接頭連接上部鉆柱，振蕩短節下端接頭與下部鉆柱相連；工具的動盤閥通過螺紋與轉筒連接，轉筒通過鍵與渦輪轉子固連；渦輪在鉆井液的推動下，通過轉筒帶動動盤閥轉動。靜盤閥上安裝有小型電機和電機齒輪，控制盤閥上設有齒輪結構，控制盤閥的齒輪與電機齒輪相嚙合，通過電機控制盤閥的轉動，可實現靜盤閥和控制盤閥的相對位置在圖2a狀態和圖2b狀態之間相互轉換（見圖2）。工具設計有“休眠”狀態和“振動”狀態2種。“休眠”狀態下，靜盤閥與控制盤閥的相對位置如圖2a所示。此時靜閥盤與控制盤閥之間的振蕩腔室供液流道處于閉合狀態，高壓流體無法進入振蕩短節，振蕩短節不振動。“休眠”狀態下工具內部鉆井液的流動情況如圖3所示。“振動”狀態下，靜盤閥與控制盤閥的相對位置如圖2b所示。此時靜閥盤與控制盤閥之間的振蕩腔室供液流道處于連通狀態，隨著動盤閥的轉動，振蕩腔供液流道與渦輪腔室發生周期性的連通、閉合。供液流道連通時，高壓鉆井液流入振蕩腔室，推動振蕩短節心軸伸出；供液通道閉合時，振蕩腔室通過盤閥泄流孔和外殼體泄流孔與環空連通，振蕩腔室內的鉆井液排入環空。“振動”狀態下工具內部鉆井液的2種流動情況如圖4所示。

1.3特點與主要技術參數

設計的可控式水力振蕩器為全金屬結構，具有較強的抗腐蝕和耐高壓能力，有效使用壽命長。

其主要技術參數為：工具外徑 172mm ，總長1250mm ，設計工作排量 15～25L/s 。

2 工具力學分析與設計

整體工具的設計內容較多，僅選取其關鍵部分一一動力機構和控制結構進行詳細的設計闡述。

2.1 動力機構

可控式水力振蕩器的動力機構主要由渦輪組、轉筒和動盤閥組成，渦輪在鉆井液驅動下克服轉筒與動盤閥的摩擦阻力，帶動動盤閥轉動。動盤閥的受力情況如圖5所示。

動盤閥轉動需滿足渦輪扭轉力 F_w 大于轉筒摩擦力 f₁ 和動盤閥摩擦阻力 f₂ ，即：

F_w-（f₁+f₂）gt;0

其中：

Fig.5Forceof thedynamic discvalveduring the movemenl

f₂=μm₂g

M₁=ZηρQRu

式中： F_w 為渦輪的扭轉力，N； f₁ 為轉筒摩擦力，N; f₂ 為動閥盤摩擦阻力， N ； M₁ 為動盤閥扭矩，N?m ； R₁ 為盤閥半徑， m μ 為靜摩擦因數，無量綱； m₁ 和 m₂ 分別為轉筒和動盤閥的質量， kg ： g 為重力加速度， m/s² ； Z 為渦輪級數； η 為葉片水力效率，無量綱； ρ 為流體密度， kg/m³ ； Q 為排量，m³/s ； R 為渦輪葉片平均半徑， m ； 為渦輪轉子的圓周速度， m/s ： A 為渦輪定子出口液流面積， m² β_1k 為渦輪定子入口結構角， （^°） ； β_2k 為渦輪轉子出口結構角， （^°） 。

由式（2）＼～式（6）可知：單級渦輪的轉速和扭矩與渦輪轉子的出入口結構角、渦輪葉片半徑、流體排量和密度有關。渦輪組級數根據動盤閥和轉筒轉動所需克服摩擦阻力的大小確定。基于設計需要，通過計算確定了動力機構的相關結構參數。

2.2 控制機構

控制盤閥是工具的控制核心，當需要切換工具的工作狀態時，安裝在靜盤閥上的電機驅動控制盤閥進行轉動，從而改變控制盤閥與靜盤閥的相對位置，實現工作狀態的切換。控制盤閥的受力情況如圖6所示。

若要控制盤閥實現轉動，需滿足盤閥扭轉力F_p 大于盤閥摩擦阻力 f₃ ，即：

F_p-f₃gt;0

其中：

式中： M₂ 為電機扭矩， N?m R₂ 為電機齒輪半徑，m m₃ 為控制盤閥的質量， k_g 。

基于控制盤閥的力學分析，綜合考慮電機布置空間、盤閥和轉筒的質量，并結合具體的結構參數，完成控制機構的設計與電機選型。

3 工具性能參數計算與參數敏感性分析

Δp_w=ρgH

水力振蕩器的關鍵性能參數是振蕩頻率和工具壓降。工具的振蕩頻率和壓降受鉆井水力參數和工具結構參數的影響，因此需要分析鉆井液排量、鉆井液密度、球閥流道面積及中心流道側壁孔面積對工具振蕩頻率和工具壓降的影響。分別通過理論計算和數值模擬完成工具的性能參數計算，并基于計算結果開展影響工具輸出特性的參數敏感性分析。

3.1理論計算

可控式水力振蕩器的動力機構為渦輪結構，工具的振蕩頻率只與渦輪轉速相關，渦輪轉速與鉆井液排量相關。工具振蕩頻率和工具渦輪轉速計算式分別為：

式中： n 為渦輪轉速， r/min ： f 為工具振蕩頻率，Hz ; D 為渦輪葉片平均中徑， m α_1k 為渦輪定子葉片入口結構角， （^°） ； α_2k 為渦輪轉子葉片出口結構角， （^°） 。

工具壓降受排量、鉆井液密度和側壁孔面積的影響。鉆井液流經上心軸側壁孔、渦輪、下心軸側壁孔時會產生壓降。其中流體流經側壁孔的壓降 Δp_k 為：

式中： Δp_k 為側壁孔壓降， Pa ； ξ_k 為節流孔的壓力損耗系數，無量綱； n_k 為節流孔個數； s_k 為節流孔面積， m² 。

流體流經渦輪的壓頭 H 和壓降 Δp_w 為：

式中： H 為壓頭， m ： Δp_w 為渦輪壓降，Pa； c_1u 、c_2u 分別為渦輪轉子進、出口處絕對速度的切向分量， m/s 。

基于以上分析，選取某規格的一款可控式水力振蕩器，通過理論計算，得到各參數條件下工具的輸出特性。算例中涉及的水力及結構參數如下： Q 為 16～30L/s ， ρ 為 1.0～2.2g/m³ ， α_1k 為145.2^° ， α_2k 為 21.2^° ， β_1k 為 145.2^° ， β_2k 為 21.2^° ，方形節流孔邊長為 16～30mm 。

3.2 數值模擬

3.2.1模型建立與網格劃分

使用SolidWorks軟件繪制工具的流道模型，將模型導人Fluent-Meshing，對模型進行網格劃分。由于渦輪處的流道結構較為復雜，對該區域的網格劃分進行加密；對于其他區域，選擇相對疏松的網格劃分。其網格模型如圖7所示。

3.2.2計算模型與求解方法

為了提高計算精度和數值穩定性，選取在高湍流強度下表現更好的RNG k-ε 湍流模型作為計算模型。選用有限體積法的一階迎風格式對控制方程組進行離散，使用SIMPLE算法進行壓力-速度耦合計算，在流道模型的出、入口分別設立監測面，監測模型的壓降。使用與理論計算相同的水力結構參數，逐一完成工具輸出特性的數值模擬計算。

3.3參數敏感性分析

3.3.1鉆井液排量和鉆井液密度的影響

圖8和圖9分別為鉆井液排量及鉆井液密度對工具的振蕩頻率和壓降的影響曲線。從圖8可以看出，工具的振蕩頻率和壓降隨鉆井液排量的增加而增加，振蕩頻率隨排量的增加呈線性關系，工具壓降隨排量的增加呈二次函數關系。從圖9可以看出，工具壓降隨鉆井液密度的增加而增加，鉆井液密度對工具振蕩頻率沒有影響。

3.3.2心軸側壁節流孔面積的影響

心軸側壁的上節流孔和下節流孔的過流截面均為正方形，以正方形邊長為變量，分析過流孔面積變化對工具性能參數的影響。圖10和圖11分別為心軸上節流孔及下節流孔邊長變化對工具振蕩頻率和壓降的影響曲線。從圖10和圖11可以看出，工具壓降隨節流孔邊長的增大而減小，工具振蕩頻率不受球閥流道直徑變化的影響。

4結論

（1）為解決常規水力振蕩器有效使用壽命短的問題，設計了一種渦輪驅動的可控式水力振蕩器，工具具有“休眠”“振動”2種工作狀態，通過控制盤閥的轉動，可實現工具的工作狀態切換。

（2）可控式水力振蕩器利用鉆井液動能驅動動盤閥轉動，“振動”狀態下，靜閥盤與控制盤閥之間的振蕩腔室供液流道連通，隨著動盤閥的轉動，振蕩腔供液流道與渦輪腔室實現周期性的連通與閉合，其產生的波動壓力足以推動振蕩短節心軸伸出并帶動井底鉆柱進行高頻振動，可有效緩解水平井鉆進過程中的“托壓”現象。

（3）可控式水力振蕩器的振蕩頻率只與渦輪結構參數和鉆井液排量有關，工具振蕩頻率隨鉆井液排量的增大而增大；工具壓降隨鉆井液排量和密度的增大而增大，隨心軸側壁節流孔面積的增大而減小。

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第一

作者簡介：何鑫，生于1996年，現為在讀博士研究生，研究方向為井下提速工具設計。地址：（1022491）北京市昌平區。email：cuphexin@163.com。通信作者：柳貢慧，博士生導師，教授。email：lgh1029@163.com。

收稿日期：2024-06-26 修改稿收到日期：2024-10-15（本文編輯任 武）