水力脉冲轴向振荡减阻工具研制

张 辉，于文涛，陈忠帅，蔡文军

（中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营257017）①

水力脉冲轴向振荡减阻工具研制

张 辉，于文涛，陈忠帅，蔡文军

（中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营257017）①

在大斜度井中，轴向力传递通常成为问题。为了减少摩阻并实现轴向力的连续传递，最新的减阻技术是水力脉冲诱发轴向振荡钻井技术，为此开发设计了一种水力脉冲轴向振荡减阻工具。介绍了该轴向振荡减阻工具的总体结构及技术特点、关键零部件的设计加工、动力马达基本结构参数合理配比优化、盘阀过流面积模拟、花键心轴表面处理技术及计算机辅助设计分析、碟形弹簧组合设计计算等。室内及现场试验表明：该工具性能可靠，能够解决托压的问题，减阻提速效果明显。

轴向振荡；减阻工具；动力马达；盘阀；花键心轴

由于海上开发、海油陆采、环境保护、非常规开发等的需要，定向井、水平井、大位移井、多分支井的钻井数量越来越多。在大斜度井中，轴向力传递通常成为问题，例如在水平井和大位移井中，摩擦阻力相当高，有时会导致钻柱发生自锁。这些具有挑战性的井通常具有高的位垂比，导致轴向力下传变得困难，出现过高的摩阻及（或）钻柱弯曲、屈曲，泥浆马达滑动钻进，钻柱与完井管柱的下入期间传递钻压都将变得异常困难。为了减少摩阻并实现轴向力的连续传递，国内外已经采用了许多方法与工具，目前最新减阻技术发展应用的工具是钻井轴向振荡减阻工具，其原理是有效地将滑动钻进期间钻柱与井壁间的静摩擦力转换为动摩擦力，使摩阻降低［1-4］。在我国钻井大提速的背景下，胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院从2011年开始致力于轴向振荡减阻工具的调研与研制，参考借鉴本院震击器、水力脉冲工具［5］和垂钻工具技术结构特点，开发设计了一种水力脉冲轴向振荡减阻工具（以SLZDQ172型水力脉冲轴向振荡减阻工具为例介绍），该工具的目的是解决水平井托压问题，提高水平井、大位移井机械钻速。

1 技术分析

1.1 结构组成

水力脉冲轴向振荡减阻工具主要由水力脉冲发生短节（如图1）和振荡短节（如图2）2大部分组成。水力脉冲振荡发生短节由1∶2容积式动力马达和盘阀机构组成。动力马达主要由防掉组件、定子、转子构成；盘阀机构主要由上、下盘阀组成。振荡短节是工具产生轴向振荡的核心机构，主要由花键心轴、防掉短节、碟簧、活塞、密封组件组成。使用时将振荡短节连接在水力脉冲发生短节上部，钻井液通过动力马达后驱动转子高速转动，带动上盘阀高速转动；上盘阀与其配合的下盘阀间设有配合流道，流道过流面积变化对钻井液形成脉冲流量变化，进而产生相对应的压力脉冲；压力脉冲向上反馈到振荡短节的活塞，作用在活塞上压力脉冲产生的力与碟簧组相互作用，使花键心轴随着每个脉冲压力大小变化而产生压缩或伸长，导致整个钻柱沿着轴向振荡运动。

图1 SLZDQ172型水力脉冲发生短节结构

图2 SLZDQ172型振荡短节结构

1.2 技术特点

1） 该轴向振荡减阻工具设计专用高速1∶2容积式动力马达，压耗小、转速高，驱动盘阀产生的水力脉冲频率避开MWD频率，避免影响定向钻进过程信号传递。

2） 采用优质耐冲击及磨损硬质合金整体烧结上、下盘阀，水力学动态模拟优化设计盘阀结构，使其产生周期性连续柔和变化的水力脉冲能量，通过振荡短节转换为轴向振动形式的机械能。

3） 花键心轴采用优质材料（热处理工艺），延长心轴在拉扭和振动作用下的使用寿命，对心轴缩径部位采取特殊表面处理工艺，提高其防尘密封面抗腐蚀能力。

4） 应用三维软件设计、有限元流场及强度分析，使关键零件部位可靠、寿命长，满足钻井井下正常及复杂情况下安全使用。

1.3 主要技术参数

2 关键部件设计

2.1 动力马达

在1∶2动力马达参数设计过程中，通过对转子偏心距e、转子截圆直径D、定子导程T这3个基本结构参数（如图3）的合理选择及相互之间的合理配比优化，提高马达的工作特性和使用寿命。

图3 1∶2动力马达结构参数

动力马达排量与转速关系为

式中：n为转子转速，r／min；Q为马达理论排量，L／s；e为转子偏心距，mm；D为转子截圆直径，mm；T为定子导程，mm。

根据优选的动力马达参数由式（1）可计算出理论排量下对应的转速，如表1。

表1 动力马达理论排量对应转速（SLZDQ172型）

2.2 盘阀

盘阀采用高强度硬质合金整体烧结而成。采取马达转子轴向窜动方式自动补偿上、下盘阀工作时交错运动的高磨损，上、下盘阀间采取硬密封方式。上盘阀与下盘阀采用偏心方式位置相错或重合，相错或重合节流效应导致上游的压力发生变化，周期性地相对运动使钻井液经过盘阀通道的最大当量直径和最小当量直径产生周期性变化（如图4）。采取下盘阀偏心方式补偿偏心量，确保节流面积变化差值，能够产生足够大的对应压力变化值。

图4 上、下盘阀相对运动及压力变化

2.3 花键心轴

针对减震器、震击器花键心轴使用过程中出现的问题（例如：常规镀铬技术出现镀层脱落、镀层耐磨抗腐蚀性能达不到要求），并从保护环境、节约能效出发，采用热喷涂技术对花键心轴进行处理，零件不同部位根据功能性要求采取耐腐、耐磨处理，完全满足花键心轴不同部位防腐、耐磨和密封的要求。花键心轴选用材料满足石油行业标准SY／T5496—2000《震击器及加速器》中规定的力学性能［6］，其在正常钻井过程中要承受拉、压、弯、扭综合交变应力作用［7］。应用计算机辅助工程有限元分析技术，进行强度应力校核，针对薄弱部位优化结构设计。结果表明：最薄弱部位材料达到屈服强度抗拉载荷1 980 k N，最大抗扭转矩36 k N·m。如图5。

图5 薄弱部位强度应力校核

2.4 碟形弹簧

碟形弹簧（如图6）作为轴向振荡减阻工具的主要部件，在井下受交变应力作用下应满足最大疲劳寿命的要求，其设计加工制造水平直接影响工具的整体性能。根据GB／T1972—2005《碟形弹簧》中规定的设计方法、结构、尺寸、技术要求、试验及检验要求对碟形弹簧进行制造［8］。利用基于微软office excel vbscript二次开发碟簧设计专业程序对碟簧单片及对合叠合组进行设计、校核与验证，加载应力如图7。图7中：sⅠ、sⅡ、sⅢ、sOM分别为在载荷作用下Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、OM处的计算应力。碟簧力学性能的准确，可确保振荡力的大小与要求的振幅保持一致。

图6 碟形弹簧结构

图7 碟形弹簧结构加载应力

3 试验及应用情况

3.1 室内试验

室内试验在钻井井下工具实验室钻井多功能试验机模拟井筒中进行，试验步骤如下：

1） 准备试验井筒，连接好地面管汇及各种测试参数所需传感器。

2） 连接工具入模拟井筒（如图8）、装配井口。

3） 采用清水开泵试验，间隔5 L／s调节排量稳定后，传感器记录数据传至电脑终端（如图9）。

4） 工具长时间循环测试各部件可靠性。

图8 连接工具入模拟井筒

图9 传感器测量排量与压耗、振幅关系曲线

由图9可知：工具压耗、振幅与排量呈线形关系，应用清水测试，工具在推荐排量28 L／s时产生压耗为4.2 MPa，产生最大振幅9 mm。

3.2 现场应用

SLZDQ172型轴向振荡减阻工具已在3口井进行了现场应用，试验数据统计分析表明：使用该工具可提高机械钻速20%以上，提速效果显著，设计原理正确，结构可靠，工作寿命在100 h以上，对常规PDC钻头、牙轮钻头具有良好的适应性。井下钻具组合加入工具后匹配性良好，可以改善钻进效率，同时又不会对钻柱中MWD等其他部分造成不利的影响。通过现场应用确定工具设计思路正确，能够改善钻压传递，提高机械钻速。

4 结论

1） SLZDQ172型轴向振荡减阻工具优选动力马达参数，结合盘阀、花键心轴与碟簧优化设计，提高了工具的可靠性、稳定性，适合井下各种工况。

2） 该工具通过现场试验，表明工具结构合理、减阻提速效果明显，对井下仪器信号传输不会产生干扰，是一种新型钻井减阻工具。

3） 该工具可满足水平井、大位移井滑动钻进减阻的需要。

［1］ Lane P Skyles，Yosef A Amiraslani.Converting Static Friction to Drill Further and Faster in Directional Holes［R］.SPE151221，2012.

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［3］ Al Ali A，Barton S，Mohanna A.Unique Axial Oscillation Tool Enhances Performance of Directional Tools in Extended Reach Applications［R］.SPE143216，2011.

［4］ Stvev Barton，Franklin Baez，Aref Alali.Drilling Performance Improvements in Gas Shale Plays using a Novel Drilling Agitator Device［R］.SPE144416，2011.

［5］ 谢桂芳.水力加压器在钻井施工中的作用［J］.石油矿场机械，2009，38（5）：89-91.

［6］ SY／T5496—2010，震击器及加速器［S］.

［7］ 潘志勇，刘永刚，王新虎，等.2起震击器花键心轴断裂原因分析及改进措施［J］.石油矿场机械，2009，38（7）：67-70.

［8］ GB／T1972—2005，碟形弹簧［S］.

Development of Hydropulse Axial-Oscillation Friction-reduce Tool

ZHANG Hui，YU Wen-tao，CHEN Zhong-shuai，CAI Wen-jun
（Drilling Technology Research Institute，Sinopec Shengli Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Dongying 257017，China）

With the increase of the drilling directional well，horizontal well，extended reach well and multilateral well，at the high angle deviated hole，the axial force transfer becomes a problem.To reduce friction and transfer axial force continuously，the latest friction-reduce technology is the hydropulse axial-oscillation drilling technology，for this reason model SLZDQ172 axial-oscillation reduce friction tool was developed.The overall construction design and technical characteristic is introduced，how to design and manufacture the key components，including reasonably match and optimize the basic structure parameter of the power motor，simulation the flow area of the valve，the surface treatment and the computer aid design analysis of the spine mandrel，and the calculation of the disc spring＇s pattern design.The lab and field test show that the tool is reliable and can improve weight transfer，reduce friction，and higher penetration rate.

axial-oscillation；reduce friction tool；power motor；valve assembly；spline mandrel

TE921.1

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.019

1001-3482（2014）07-0073-04

2014-01-07

中国石化集团公司先导项目“水平井用轴向震荡工具先导”（JPJ12004）

张 辉（1979-），男，辽宁昌图人，工程师，硕士，主要从事井下工具研发工作，E-mail：zhanghui211.slyt＠sinopec.com。