水力振荡器的研制与应用

王芳层，贾吉冉，杨成永，张卫平，陈 仁

（1.德州联合石油机械有限公司技术中心，山东德州253034；2.西部钻探淮东钻井公司，新疆阜康831511；3.川庆钻探塔里木工程公司，新疆库尔勒，841000）①

水力振荡器的研制与应用

王芳层1，贾吉冉1，杨成永1，张卫平2，陈 仁3

（1.德州联合石油机械有限公司技术中心，山东德州253034；2.西部钻探淮东钻井公司，新疆阜康831511；3.川庆钻探塔里木工程公司，新疆库尔勒，841000）①

随着大斜度井、水平井钻井工艺技术的日趋成熟和小井眼技术的应用和发展，受井斜度增加、井壁摩阻大等因素影响，常规钻井中传统的依靠钻柱重力施加钻压的方法已经不能很好地满足施工需要。研制了一种利用高压液流提供轴向振动的井下工具——水力振荡器。对水力振荡器的结构、原理、技术特点、技术参数、性能试验等方面进行了详细阐述，并进行了台架性能试验，表明该产品性能和可靠性达到了设计要求。经现场井段应用验证，该水力振荡器使用效果良好。

井下工具；水力振荡器；钻压；机械钻速

随着我国各大油田开发大斜度井、水平井及水平分支井等复杂结构井的数量增加，使钻具在水平钻进过程中向下侧井壁贴近，造成钻具在钻进过程中摩擦过大，严重影响了钻进，甚至造成钻具托压不能加压到钻头，因此靠钻铤自身重力向钻头施加钻压破岩的方法受到了限制。

水力振荡器是一种新型的井下工具，它能够对钻柱施加适当的周期性轴向振动，能有效减少钻进过程中钻具与井壁之间的摩擦力，提高钻井的破岩效率，减少常规钻进卡钻事故，并增加动钻压［14］。

1　技术分析

1.1 结构组成

水力振荡器由上接头、定子、挡圈、转子、动阀座、动阀片、定阀座、定阀片、下接头等组成，如图1。

1.2 工作原理

水力振荡器上部通过上接头与钻杆连接，下部通过下接头与钻柱或者钻头连接。工作过程中，钻杆内的高压液体驱动转子自转，同时绕定子的中心公转，形成偏心复合转动；转子通过螺纹与动阀座连

接，转子带动动阀座也做偏心复合转动，动阀座带动动阀片紧贴定阀座上面的定阀片转动。在动阀座周期转动过程中，动阀片和定阀片的扇形通道重叠面积从小到大，再从大到小周期性变化，使高压液流的流道面积也发生周期性变化，从而使动阀座上部的液流压力周期性变化。当动阀片与定阀片的扇形通道重叠面积最小时，上部的高压液流通过动阀片的流通截面积最小，使上部流体压力增到最大；当动阀片与定阀片的扇形通道重叠面积最大时，上部的高压液流通过动阀片的流通截面积最大，使上部流体压力最小。这种周期性、高频率的压力变化会对钻具产生振荡，由于是液力作用下产生的周期变化，因此形成了水力振荡作用，对井下钻具周期加压，实现井下高效钻进［5-7］。

图1　水力振荡器结构

1.3 主要技术特点

水力振荡器是通过自身马达带动动阀片运动，定阀片与壳体连接相对运动，这样动阀片和定阀片之间的流道就有了一个动态的周期性变化，这种变化就形成了压力的变化，压力的变化就形成了振动。这种振动是轴向振动，可以减少钻具与井眼之间的摩擦力，可以应用在各种钻进模式中来提高机械钻速。本文介绍的水力振荡器和现有的水力振荡器最大不同之处在于：在1个周期性变化的过程中，频率是现有水力振荡器频率的2倍，这样大幅缩短了马达的长度，提高了工具的稳定性。

1） 水力振荡器可使上部高压液流对下部的钻杆及钻头有1个周期性加压和振动的作用，可以实现有效加压。

2） 水力振荡器产生的振动是由高压液流产生的，因此可以有效吸收钻具在钻进过程中产生的刚性振动，避免了钻具的大幅振动，提高了钻具的使用寿命，并避免跳钻现象［8］。

1.4 主要技术参数（如表1）

表1　水力振荡器主要技术参数

2　关键技术及制造难点

2.1 动力部分的选择

水力振荡器在工作过程中，只提供周期性柔和的稳定振动冲击，不需要很大的转矩，因此动力部分定子和转子头数之比为2∶1，转子头数为单头。

2.2 阀片结构和材料的选择

阀片开孔大小直接与动力部分定子的最大内径和转子的偏心距有关，因此在动力部分的规格和尺寸确定之后，确定阀片的结构和开孔大小，并模拟在运动过程中动阀片和定阀片相互遮挡形成的压力变化曲线，模拟出来的曲线近似正弦曲线，这反映出水力振荡器给下部钻具提供近似正弦的压力变化。动阀片和定阀片在工作过程中紧密接触，又要承受高压液流的冲蚀，因此阀片材料要保证耐磨性和耐冲蚀性。项目组调研了国内外先进的材料，通过多次试验对比，确定的材料不仅满足性能上的要求，也满足安装和维护的方便性。

2.3 材料与连接螺纹的选择

水力振荡器材料选择的重要性体现在：随钻具组合连续在井下工作，工况相对恶劣，受力情况复杂；由于马达头数选择单头，频率较高，根据相应的公式，计算马达的导程偏长；从受力角度分析，对于直径偏小、导程过长的马达受力情况比较恶劣。因此，要严格选择材料，确定材料的各项参数，并对重要零部件进行无损探伤。

井下工具对螺纹连接的选择不仅要方便拆装，同时要保证使用的安全，不发生脱扣、断裂的情况。对于水力振荡器连接螺纹选择方便拆装的特殊锥螺纹，同时保证连接锥螺纹最薄部位的厚度满足强度要求。

3　试验

每制造完1台水力振荡器，都要进行整机试验。试验是在试验台架上进行，试验台架有1整套完整的动力系统、循环系统及显示系统。水力振荡器要做的试验有振动产生推力大小的测试和振动频率的测试。试验台架工作原理如图2所示。

图2　试验台架工作原理

3.1 推力载荷试验

水力振荡器输入端与高压软管连接，试验介质从输入端进入。水力振荡器的输出端与导向软管连接，保证试验介质流向循环系统。将推力测量装置通过工装安装在水力振荡器的下端，推力测量装置输出端与电脑上的虚拟仪表连接。启动整机试验台架，当达到试验要求的排量时，开始在虚拟仪表上记录每一秒钟的数据。

3.2 压力频率试验

水力振荡器输入端与高压软管连接，试验介质从输入端进入。水力振荡器的输出端与导向软管连接，保证试验介质流向循环系统。将压力测量装置通过工装安装在阀片处，压力测量装置输出端与电脑上的虚拟仪表连接。启动电动泵向水眼内注入试验介质，当达到试验要求的排量时，开始在虚拟仪表上记录每一秒钟的数据［9］。

4　现场应用

安装水力振荡器时，注意保证上下接头正确连接，并结合钻井设计及钻压要求组合钻具。通常情况下，水力振荡器的安装原则主要有2个：

1） 在顶驱和常规转盘钻井作业中，为了使水力振荡器的作用最大化，尽量放置在距离钻头近的位置，但是距离钻头的距离必须大于1根钻铤的长度。

2） 在使用井下动力工具时，水力振荡器应放置在动力工具的上端［10］。

2014-09，水力振荡器在西部某油田钻井队进行了现场试验。设计井深3 940 m，完钻地层为石炭系。在井深2 025～2 132 m时使用水力振荡器，钻具组合为钻头＋钻铤＋水力振荡器＋造斜钻具组合＋钻铤＋钻杆，钻压40～60 k N，排量30 L/s。现场试验表明：使用水力振荡器之后的机械钻速提升明显，钻具振动减轻，延长了钻具使用寿命。

5　结论

1） 水力振荡器通过高压液流产生轴向振动，减少钻具与井壁间摩阻，提高钻进速度。

2） 水力振荡器在使用过程中，可以与导向螺杆钻具配合，改善对工具面的控制并增加机械钻速。

3） 在水平井、分支井、连续油管、过油管钻进中使用水力振荡器，可以增加钻进的深度。

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Study and Application of Agitator

WANG Fangceng1，JIA Jiran1，YANG Chengyong1，ZHANGWeiping2，CHEN Ren3
（1.Technology Center，Dezhou United Petroleum Machinery Co.，Ltd.，Dezhou 253034，China；2.Zhundong Drilling Company，XDEC，Fukang 831511，Ching；3.Tarim Drilling Company，CCDC，korla 841000，China）

The drilling technology of highly deviated wells and horizontal wells has become ma-ture.The traditional method for creating WOB through drillpipe gravity in conventional drilling cannot satisfy the operation requirement.In light of the problem a kind of downhole tool which u-ses high pressure liquid flow to apply axial vibration.The structure，function，technological pa-rameter，technological parameters and performance testing of Agitator are introduced in detail in this paper.The performance and reliability of the product has reached the design requirement.The verification of its field application in well section shows that the good effect of the Agitator.

downhole tool；agitator；WOB；penetration rate

TE931.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.020

1001-3482（2015）07-0083-03

①2015-01-

王芳层（1980-），女，山西运城人，硕士研究生，主要从事石油井下工具的设计工作，E-mail：wfccqu＠163.com。