阀式水力振荡器结构设计与性能参数研究*

2022-09-14柳贡慧查春青

石油机械 2022年8期

汪伟柳贡慧, 李军查春青陈添

(1.北京工业大学 2.中国石油大学(北京)石油工程学院 3.中国石油大学(北京)克拉玛依校区石油学院)

0 引言

随着非常规油气资源的勘探开发，水平井和大位移井的比例越来越高，以提高目标地层的开采效率[1-2]。然而，在水平井和大位移井钻进过程中，由于井筒与井壁之间的接触面积不断增大，钻柱的摩擦阻力显著增大，易形成托压现象，严重限制了机械钻速的提升[3]。为了解决钻柱摩阻大的问题，常采用加装振动减摩工具、在钻井液中添加润滑剂以及优化井眼轨迹等技术[4-5]。水力振荡器是一种能够带动井下钻柱产生周期性轴向振动的机械装置，用于改善钻柱与井壁或套管间的摩擦条件，以提高钻进效率[6-9]。该工具已成为世界上最受欢迎的振动式减摩减阻工具之一，并得到了广泛应用与研究[10-14]。目前，国内外众多研究机构提出了不同结构类型的水力振荡器，具体可分为螺杆驱动式[6]、叶片驱动式[15]和涡轮驱动式[16-17]。虽然螺杆等类型的水力振荡器能有效提高钻井效率，但也存在节流阀盘易磨损和压耗偏大等问题，需要进一步改善。为此，笔者提出阀式水力振荡器，在工具结构与工作原理分析的基础上，建立控制阀的运动数学模型，分析控制阀的运动过程，研究了工具性能参数的变化规律，以期为阀式水力振荡器的结构设计、理论研究和现场应用提供借鉴。

1 技术分析

1.1 结构

阀式水力振荡器主要由振荡短节和阀式控制短节两部分组成，如图1所示。其中，振荡短节主要包括振荡心轴、传动短节、碟簧组和承压活塞；阀式控制短节主要包括启动阀、启动阀调节弹簧、动阀和动阀复位弹簧等。

1—振荡心轴；2—传动短节；3—碟簧组；4—承压活塞；5—连接短节；6—启动阀；7—启动阀调节弹簧；8—启动阀堵头；9—动阀；10—动阀复位弹簧；11—下接头。图1 阀式水力振荡器结构示意图Fig.1 Structure of valve-type hydraulic oscillator

1.2 工作原理

在钻井过程中，振荡短节上端接头连接上部钻柱，阀式控制短节下端接头与下部钻柱相连。工具工作过程中，钻井液经工具、钻头流入井眼环空。启动阀在内外压差力的作用下运动至设定位置，启动阀堵头与动阀侧壁节流孔重合，动阀节流孔高度达到最小值，流道过流面积减小，在动阀上下两端面形成压差。动阀在压差力的推动下向下运动，节流孔过流面积逐渐增大。当动阀向下运动至极限位置后，动阀在复位弹簧弹性力的作用下开始上行复位，节流孔过流面积逐渐减小。动阀沿轴向往复运动，使节流孔过流面积周期性改变，从而在振荡短节承压活塞端面产生周期性波动压力。当波动压力增大时，钻井液压力推动承压活塞和振荡心轴压缩碟簧组，心轴伸出；当压力减小时，在碟簧组弹性力作用下，心轴复位。在周期性波动压力推动下，振荡心轴往复运动，使钻柱产生周期性轴向振动，减小工具与井壁间的摩擦，减轻托压现象，达到提高钻井效率的目的。

1.3 特点与主要技术参数

阀式水力振荡器为全金属结构，具有较强的耐腐蚀和耐高温性能。在高压流体压差力和复位弹簧的弹性力作用下，动阀沿轴线往复运动，减轻了控制阀的磨损，从而延长工具使用寿命。此外，阀式控制短节工作过程中不会产生额外的压耗，能够有效提高钻井液能量的利用效率。其振动性能参数可根据所钻井段钻井参数和地层特性，通过改变排量与动阀复位弹簧刚度来调节。

工具主要技术参数为：工具外径127 mm，总长2 166 mm，工作排量15～20 L/s。

2 控制阀运动分析

2.1 启动排量分析

在初始状态下，启动阀堵头未遮挡动阀侧壁上的节流孔时，节流孔过流面积最大。在动阀上下端面形成的压差力不足以推动动阀向下运动。在钻井过程通入钻井液状态下，启动阀承压端面上端受管柱内流体高压p1作用，启动阀阶梯承压下端面分别承受管柱内流体低压p2作用和p3作用，以及管柱外井眼环空低压p4作用，如图2所示。当启动阀在压差力的作用下能够运动至设定极限位置时，启动阀堵头下端与动阀侧壁节流孔重合，使得节流孔打开高度达到最小值。动阀上下端面形成的压差力使动阀沿轴向往复运动，周期性改变节流孔过流面积，工具开始工作。

图2 启动阀工作过程中受力示意图Fig.2 Force diagram of starting valve in working process

若要工具正常工作，需满足钻井液对启动阀产生的推力能够克服调节弹簧的推力和摩擦阻力，推动启动阀下行至设定位置，即：

(p1-p4)Aq1+(p1-p2)Aq2+(p1-p3)Aq3=

k1xq-μmrg

(1)

式中：Aq1、Aq2及Aq3为启动阀阶梯承压面面积，mm2；k1为启动阀调节弹簧刚度系数，kN/m；xq为启动阀工作行程，mm；mr为启动阀质量，kg；g为重力加速度，m/s2;μ为摩擦因数，一般取0.1～0.3。

由流道串联关系分析可知：

p1-p2=Δpr

(2)

p1-p3=Δpr+Δpp0

(3)

p1-p4=Δpr+Δpp0+Δpb

(4)

钻井液流经启动阀过流孔产生的压降Δpr为：

(5)

式中：Q为钻井泵排量，L/s；ρ为钻井液密度，kg/m3；nr为过流孔个数；wr为过流孔宽度，m；hr为过流孔高度，m；ξr为过流孔压力损耗系数，一般取0.8～1.1。

钻井液流经动阀侧壁节流孔产生的压降Δp0为：

(6)

式中：np为节流孔个数；wp为节流孔宽度，m；hp为节流孔高度，m；ξp为节流孔压力损耗系数。

钻头喷嘴产生的压降Δpb为：

(7)

式中：db为钻头喷嘴当量直径，m；cb为钻头喷嘴流量系数，与喷嘴的阻力系数有关。

联立式(1)～式(7)，根据工具结构参数可以得到工具的启动排量为：

(8)

2.2 动阀运动方程

图3为动阀下行过程中受力示意图。在动阀稳定运动过程中，当钻井液流经动阀上端节流孔时产生一压降，动阀上端面受高压流体压力p2作用，下端面受低压流体压力p3作用，对动阀产生一向下的推力Ft，即有：

图3 动阀运动过程中受力示意图Fig.3 Force diagram of moving valve during movement

Ft=(p2-p3)Ad1=ΔppAd1

(9)

式中：Δpp为动阀运动过程中节流孔处产生的压降，Pa；Ad1为动阀承压面积，m2。

在动阀运动过程中，钻井液流经节流孔产生的压降为：

(10)

式中：h0为启动阀运动至设定位置后动阀节流孔的最小节流高度，m；x为动阀运动位移，m。

动阀在钻井液中运动过程中还受到流体绕流阻力作用，流体阻力Fd为：

(11)

式中：cd为与物体形状有关的阻力系数，本文取1.0[18]；Ad2为动阀垂直于运动方向的投影面积，m2；v为动阀运动速度，m/s。

此外，动阀运动过程中还受到复位弹簧产生的推力Fk。

Fk=k2x

(12)

式中：k2为动阀复位弹簧刚度，kN/m。

在水平工况下，动阀与外壳体间的摩擦阻力Ff为：

Ff=μmdg

(13)

式中：md为动阀质量，kg。

综上，动阀在运动过程中受钻井液压差力、复位弹簧推力、钻井液阻力以及摩擦阻力作用，于是动阀运动方程为：

式中：sign(x)为符号函数，当x>0时，sign(x)=1；当x=0时，sign(x)=0；当x<0时，sign(x)=-1。

2.3 实例分析

基于水力振荡器结构和工作原理，选取某规格水力振荡器，通过算例计算研究动阀运动，分析波动压力和工作频率等关键参数的变化规律。计算参数为：钻井液排量15 L/s，密度1.2 g/cm3；启动阀质量15 kg，启动阀阶梯承压面外径分别为103、75及40 mm；动阀质量10 kg，承压面内径40 mm，外径50 mm，动阀复位弹簧刚度20 kN/m，初始预压缩量为20 mm，动阀上端4个节流孔宽度均为10 mm，高度为30 mm；启动阀下行运动至设定位置后节流孔高度为4 mm。

图4为1个周期内工具启动排量随启动阀调节弹簧刚度的变化曲线。

图4 工具启动排量随调节弹簧刚度变化曲线Fig.4 Variation of the starting displacement of hydraulic oscillator with the stiffness of adjusting spring

从图4可以看出,工具的启动排量随调节弹簧刚度的增加而增大。选择合适刚度的调节弹簧，通过控制起下钻过程中钻井液排量使工具停止工作，能够有效保证工具用于纯钻进时间，延长使用寿命。

图5为1个周期内动阀运动过程中加速度和速度随时间的变化曲线。图6为1个周期内动阀运动位移和节流孔压降随时间变化曲线。

图5 动阀加速度和速度随时间变化曲线Fig.5 Variations of acceleration and velocity of moving valve with time

图6 动阀位移和节流孔压降随时间变化曲线Fig.6 Variation of moving valve displacement and throttle orifice pressure drop with time

从图5可以看出，动阀1个周期内的运动过程可分为两个阶段，第Ⅰ阶段为动阀下行运动阶段，第Ⅱ阶段为动阀复位运动阶段。在第Ⅰ阶段，动阀先做加速度不断减小的加速运动，后做减速运动直至速度为0。这是因为在动阀逐渐向下运动中，动阀上端节流孔与启动阀重合高度逐渐减小，过流面积逐渐增大，流经节流孔产生的压降不断减小，动阀所受压差推力也逐渐减小，而复位弹簧推力和钻井液阻力逐渐增大，动阀加速度不断减小。当动阀所受压差推力小于复位弹簧推力与阻力之和，动阀加速度变为负值。在第Ⅰ阶段末，动阀运动最大位移达到10.62 mm，此时动阀上端节流孔过流面积最大，产生的压降最小，随后动阀开始第Ⅱ阶段的反向复位运动。在第Ⅱ阶段，动阀同样先做加速运动后减速运动至初始位置。这是因为在动阀逐渐向上运动中动阀上端节流孔过流面积逐渐减小，流经节流孔产生的压降逐渐增大，动阀所受压差推力和钻井液阻力逐渐增大，而复位弹簧推力逐渐减小。

从图6还可以看出，在0.058 1 s时动阀位移为0，此时动阀末速度为0.11 m/s，表明动阀在高压流体压差力、复位弹簧推力和阻力作用下能够运动至初始位置并完成复位动作。在动阀运动过程中，节流孔产生的压降也先减小后增大，在上部流道产生周期性波动压力，如图7所示。波动压力作用在振荡短节承压活塞端面，促使振荡心轴完成往复振荡动作。计算得到工具工作频率为17.21 Hz，产生的波动压力峰值为3.69 MPa。

图7 波动压力随时间变化曲线Fig.7 Variation of fluctuating pressure with time

3 工具性能参数敏感性分析

水力振荡器的关键性能参数主要包括振荡频率和波动压力峰值。从动阀运动过程可以发现，动阀运动过程受钻井水力参数和工具结构参数的影响，因此需分析钻井液排量、钻井液密度、动阀质量及复位弹簧刚度对振荡频率及波动压力峰值的影响。

3.1 钻井液排量和钻井液密度的影响

图8和图9分别为钻井液排量和钻井液密度对水力振荡器振荡频率及波动压力峰值的影响曲线。

图8 振荡频率和波动压力峰值随钻井液排量变化曲线Fig.8 Variation of oscillation frequency and fluctuating pressure peak value with drilling fluid displacement

图9 振荡频率和波动压力峰值随钻井液密度变化曲线Fig.9 Variation of oscillation frequency and fluctuating pressure peak value with drilling fluid density

从图8可以看出，工具振荡频率随钻井液排量的增加而减小，工具波动压力峰值随钻井液排量的增加而增大，呈二次函数关系。从图9可以看出，随着钻井液密度的增加，工具振荡频率不断减小，而波动压力峰值随钻井液密度的增加而线性增大。由式(10)可以发现，动阀节流孔产生的压降随着钻井液排量和密度的增加而增大。压降的增加导致作用在动阀端面的压差力不断增加，动阀的最大运动位移相应增大，运动时间延长，导致频率减小。

3.2 动阀质量和复位弹簧刚度的影响

图10和图11分别为动阀质量和复位弹簧刚度对水力振荡器振荡频率及波动压力峰值的影响曲线。

图10 振荡频率和波动压力峰值随动阀质量的变化曲线Fig.10 Variation of oscillation frequency and fluctuating pressure peak value with moving valve mass

图11 振荡频率和波动压力峰值随复位弹簧刚度的变化曲线Fig.11 Variation of oscillation frequency and fluctuating pressure peak value with the stiffness of return spring

从图10和11可以看出：工具振荡频率随动阀质量的增加而减小，随复位弹簧刚度的增加而增大；而动阀质量和复位弹簧刚度对波动压力峰值的影响较小。由式(10)可知，在钻井液排量和钻井液密度等参数一定的条件下，压降最大值仅与节流孔最小高度有关。动阀质量的增加，对其运动位移影响较小，而运动过程中加速度随质量增加而减小。因此，在相同位移条件下，动阀运动时间逐渐延长，导致振荡频率逐渐减小。随着动阀复位弹簧刚度的增加，复位弹簧压缩距离减小，导致动阀运动位移逐渐减小，运动时间缩短，所以振荡频率逐渐增大。

3.3 动阀节流孔最小高度的影响

图12为动阀节流孔最小高度对水力振荡器振荡频率和波动压力峰值的影响曲线。从图12可以看出，工具振荡频率和波动压力峰值均随节流孔最小高度的增加而减小。从式(10)可知，在钻井液排量和钻井液密度等参数一定的条件下，压降最大值仅与节流孔最小高度有关。随着节流孔最小高度的增加，波动压力峰值逐渐降低，动阀两端压差力减小，导致动阀运动时间逐渐延长，因此振荡频率逐渐减小。

图12 动阀节流孔最小高度对振荡频率和波动压力峰值的影响曲线Fig.12 Influence of minimum height of moving valve throttle orifice on oscillation frequency and fluctuating pressure peak value