薛 亮， 赵 晓， 韩 虎， 王 典

(1中国石油大学石油工程学院·北京 2中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院)

0 引言

水力振荡器一般由脉冲短节和振荡短节组成，水力振荡器通过脉冲短节产生压力波，压力波带动振荡短节产生轴向的振动，改善钻具与井壁或套筒间的摩擦条件，解决水平井钻进过程中钻头托压问题，提高钻进效率[1- 6]。射流式脉冲短节采用射流元件作为换向和动力执行部件[7- 9]，射流元件驱动活塞在活塞缸中往复运动，带动活塞杆改变节流盘的过流面积，产生压力波动。压力波传递至振荡短节，通过弹簧、心轴等结构转化成轴向振动，起到减摩降阻的效果，但在室内试验和现场应用过程中，射流式水力振荡器经常发生活塞换向困难、工作不稳定的问题。为此，本文针对射流式脉冲短节活塞换向不稳定问题进行了深入研究，优化改进了活塞杆与节流盘结构，进而大幅提高活塞与活塞杆换向的稳定性。通过地面试验对新型结构进行了验证，新型结构彻底解决了射流式脉冲器换向不稳定的问题，有利于射流式水力振荡器的现场推广应用。

1 射流式脉冲器结构与工作原理

1.1 基本结构

射流式脉冲短节包括外部结构和内部结构(见图1)。外部结构主要由缸筒和上下接头组成。内部结构由上压盖、射流元件、缸体、调整锥杆、活塞与活塞杆、缸盖、隔套和节流盘组成，活塞缸外壁面设置有环形流道。核心部件包括射流元件、活塞与活塞杆、活塞杆和节流盘。活塞与活塞杆连接为一个整体，一起往复运动与换向。

图1 射流式脉冲短节结构示意图

1外缸 2上压盖 3双稳式射流元件 4缸体 5调整锥杆 6活塞与活塞杆 7缸盖 8隔套 9节流盘 10碟簧

1.2 工作原理

射流式脉冲短节工作原理一般为：钻井液通过上接头流入工具，通过射流元件喷嘴产生高速射流，射流偏转并附着在射流元件一侧壁面上，在射流元件两个输出道产生很大的压力差，该压差通过流道传递到活塞缸上下腔，是活塞在活塞缸中往复运动的动力来源[10- 17]。活塞带动活塞杆往复运动，周期性地改变节流盘过流面积，引起节流盘过流压差的周期性变化，从而产生压力波动。上述过程没有考虑节流盘压差对活塞杆的作用力，存在一定的理论局限，下文会详细讨论。

2 射流式脉冲器结构优化设计

2.1 活塞与活塞杆换向动力学分析

忽略反弹力与重力作用，一般认为射流输出道压差是活塞与活塞杆换向的主要动力，下面就原结构活塞与活塞杆上下死点的压差作用力进行详细分析，以揭示原结构换向可靠性问题。

2.1.1 上死点换向动力分析

活塞运动到活塞缸上死点位置时，调整锥杆撞击到活塞腔上端面(详见图1)，射流元件中的射流切换到下侧输出道(详见图1黄色流线)，高压钻井液流入活塞缸上腔，低压钻井液从活塞缸下腔排出，活塞缸下腔排出的钻井液向下进入隔套(流动阻力很小可以忽略)，最后进入节流盘。此时，活塞杆末端位于节流盘前部，节流盘过流面积处于最大开度，节流盘过流压降很小，隔套中的压力略大于节流盘压力。由上可知，各部件压力关系为：

p1>p2=p3>p4

(1)

式中：p1—活塞缸上腔压力，Pa；

p2—活塞缸下腔压力,Pa；

p3—隔套压力，Pa；

p4—节流盘压力，Pa。

下面分析上述压力的作用面积：p1作用面积为活塞横截面积，p2为活塞缸与活塞杆之间的环空横截面积，p4为活塞杆横截面积。其中，活塞横截面积等于环空横截面积与活塞杆面积之和。由此，可把活塞缸上腔压力p1分为两组。第一组与p2对应，作用面积为环空横截面积，该作用力F1方向向下，与活塞换向运动方向相同，为活塞换向动力。第二组与p4对应，该作用力F2方向向下，与活塞换向运动方向相同，也是活塞换向的动力。活塞处于上死点，两组作用力同时向下，是活塞与活塞杆换向的动力，因此射流式脉冲器上死点的换向不存在问题。

2.1.2 下死点换向分析

活塞与活塞杆运动到下死点时，活塞杆台阶面撞击到缸盖上端面(详见图2)，射流元件中的射流切换到上侧输出道(详见图2黄色流线)，高压钻井液经过活塞缸外侧的流道进入活塞缸下腔，低压钻井液从活塞缸上腔排出，活塞缸上腔排出的钻井液再经过另外的环形流道向下流动到隔套(该过程阻力很小可以忽略)，最后进入节流盘。此时，活塞杆末端完全位于节流盘中，节流盘过流面积处于最小开度，节流盘中产生很大的过流压降，也就是说隔套压力p3远大于节流盘压力p4。综上流动过程可知，各个位置压力关系为:

p2>p1=p3≫p4

(2)

图2 下死点示意图

与上死点换向作用力分析相同，也可以把活塞缸上腔压力压差p1分为两组。第一组与p2对应，作用面积为环空横截面积，第二组与p4对应，作用面积为活塞杆横截面积。由式(2)中p2与p1大小关系可知，第一组作用力F1方向向上，与活塞换向方向相同，是活塞下死点时换向的动力。第二组作用力F2方向向下，与活塞换向运动方向相反，是活塞下死点时换向的阻力。另外由于p3远大于p4，第二组作用力非常大，当其大于第一组作用力时，也就是阻力大于动力时，活塞就会一直停在下死点位置，活塞无法往复运动，节流盘过流面积无法周期性改变，从而无法产生压力波，射流式水力振荡器失效。

2.2 射流式脉冲器结构优化设计

本节针对活塞杆与节流盘结构进行改进，重新进行上下死点的动力学分析，为射流式脉冲器换向结构优化提供理论依据。

2.2.1 活塞杆与节流盘优化设计

结构优化设计的重点在于活塞与活塞杆第二组作用力，在不改变射流式脉冲器主体结构的同时，主要通过大幅降低下死点时节流盘过流压降来实现。为此对活塞杆与节流盘进行了优化设计：当活塞杆处于下死点位置时，节流盘的开度由原来的最小调整为最大(如图3所示)，通过降低p3和p4之间的压差，也就是p1和p4之间的压差来大幅降低第二组作用力，也就是说大幅降低了换向的阻力，从而提高下死点换向的可靠性。

图3 新型射流式脉冲短节结构示意图

2.2.2 下死点换向动力分析

改进后的下死点流动过程与原结构相同，当活塞与活塞杆运动到下死点时(如图3所示)，活塞杆台阶面撞击到缸盖上端面，射流元件中的射流切换到上侧输出道，高压钻井液进入活塞缸下腔，低压钻井液从活塞缸上腔排出，活塞缸上腔排出的钻井液经过活塞缸外侧流道向下流动到隔套与节流盘。

与原结构不同的是，此时的节流盘开度处于最大位置，隔套压力p3略大于节流盘压力p4。隔套压力p3与活塞缸上腔压力p1略大于p4，活塞与活塞杆的第二组作用力F2大幅减小，也就是说换向阻力大幅减小，甚至可以忽略。由于没有改变射流元件、活塞缸、缸盖、活塞以及隔套结构，所以活塞缸上下腔第一组作用力F1作为动力完全不变，从而彻底消除了活塞下死点换向问题。

2.2.3 上死点换向动力分析

改进后的上死点流动过程与原结构相同，活塞运动到活塞缸上死点位置时(如图4所示)，调整锥杆撞击到活塞腔上端面，射流元件中的射流切换到下侧输出道，高压钻井液流入活塞缸上腔，低压钻井液从活塞缸下腔排出，活塞缸下腔排出的钻井液向下进入隔套，之后进入节流盘。

图4 上死点受力示意图

与原结构不同的是，此时的节流盘开度处于最小位置，活塞缸上腔压力p1与隔套压力p3远大于节流盘压力p4，但由于第二组作用力F2方向与活塞运动方向相同，是换向动力，所以不仅没有阻碍换向，反而增加了活塞在上死点位置的换向动力。同时第一组作用力作为动力F1完全不变。

综上，新型射流式脉冲短节的设计优点有：①保持原有机械结构基本不变，将节流盘和活塞杆优化设计，现场改造成本低，经济高效；②通过改进活塞杆与节流盘设计，大幅降低了活塞下死点换向阻力，解决了活塞杆在下死点的换向问题，提高了工具稳定性。

3 地面试验验证

结合以上研究理论，针对射流式脉冲短节进行了结构优化设计，并进行样机加工、装配与试验，以保证射流式脉冲短节工作可靠性及稳定性，以达到利用脉冲压力振动进行减摩降阻的目的。

3.1 地面试验

地面试验分别选取原结构与新型射流式脉冲短节进行对比试验。试验过程中，射流式脉冲短节上设置1个压力测点，连接1个压力传感器，采集上接头入口处压力。在4组工作排量下(6～12 L/s)，观察记录两组工具工作情况。

3.2 结果与分析

本次地面试验按试验计划全部完成，整理分析了两组工具测点上的压力数据，并记录了工具工作情况，具体试验结果见表1。

原射流式脉冲短节在6～8 L/s小排量下无法正常工作，10 L/s可以工作，但有时会卡顿，12 L/s下可以稳定工作，但压力波幅值都小于1 MPa，工具压降在4 MPa以内。试验表明：小排量时，射流速度慢，导致射流动力小，节流盘阻力大，从而无法换向；当逐渐增大排量后射流动力增大，大于节流盘阻力，工具开始正常工作，但由于原节流盘处过流面积设计不合理，导致两死点位置的压力差较小，即压力波幅值小，因此工具压降基本消耗在了射流元件喷嘴处，产生的轴向冲击力较小，振动效果差。

表1 地面试验结果

新型射流式脉冲短节在6 L/s即可启动工作，且稳定换向，同时工具节流盘处脉冲幅值提高了1 MPa以上，工具压降还保持在4 MPa以内。试验结果表明：下死点换向的阻力减小，在小排量下射流动力大于节流盘阻力，可推动活塞杆向上换向，同时优化设计死点位置的节流盘处过流面积，使两位置的压力差较大，压力波幅值增大，产生的轴向力增大，改善了工具振动效果，而且总工具压降保持在4 MPa以内，满足现场应用要求。

4 结论

(1)针对换向稳定性问题，对活塞杆与节流盘结构进行了优化改进，通过调整节流盘的开度特征，大幅降低了活塞位于下死点时的换向阻力，提高了射流式脉冲器短节工作的稳定性。

(2)通过地面试验，验证了新结构工作的可靠性，降低了工具压降，提高了压力波幅值，为进一步提高射流式水力振荡器性能奠定了良好基础。