影响水力振荡器工作性能因素分析

2018-05-07吕克华邹志钢

钻采工艺 2018年1期

吕克华，邹志钢

(1中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 2华北油田煤层气勘探开发事业部)

水力振荡器是一种钻井用减摩降阻工具[1-4]，其结构如图1所示。当钻井液经过水力振荡器单螺杆马达时，钻井液驱动转子转动，转子一端装有带有偏心孔的动片阀，随着动片阀的转动，偏心孔周期性的覆盖静片阀中心孔(静片阀固定于下部接头)，使过流面积以一定频率变化。这种过流面积的改变使得钻井液以一定频率冲击碟簧，从而带动水力振荡器振动[5-6]。

图1 水力振荡器结构图

碟簧、单螺杆马达是水力振荡器的关键设计之一，其各自的性能及相互配合很大程度的影响着水力振荡器的工作性能。本文通过试验手段结合作业案例，系统的研究了碟簧的力学性能及碟簧与单螺杆马达的配合关系，探讨了最佳工作频率及振幅，根据试验结果设计的水力振荡器参数更贴近实际工况，有利于缩短水力振荡器的设计周期。

一、水力振荡器振动过程分析

水力振荡器工作时，单螺杆马达转子每转动一周，其产生的压力从大到小和从小到大各变化一次，所以水力振荡器的工作频率是马达转子转速的2倍。其动、静片阀的运动规律如图2所示。

图2 动、静片阀运动规律

二、碟簧、单螺杆马达对水力振荡器性能影响分析及试验

1.组合碟簧静态试验

本文以适用于Ø216 mm井眼的Ø171.4 mm水力振荡器为研究对象，选用几何尺寸为Ø125 mm×Ø71 mm×10×15.5的碟簧作为研究内容，碟簧组合形式为单片对合方式，碟簧数量为40片。试验仪器为DNS系列电子万能试验机，因水力振荡器单螺杆马达为其碟簧提供的最大压力为240 000 N，最小压力为60 000 N，因此DNS系列电子万能试验机选用的最大测试压力为250 000 N，最小压力从0 N开始加载。测得碟簧载荷-变形值如图3所示。

图3 碟簧载荷-变形值

2.组合碟簧动态试验

影响单螺杆马达转速的因素很多，如通过单螺杆马达的实际流量、容积效率、螺杆衬套的导程等等[7]。假设水力振荡器碟簧从被压缩到最大位置回弹到自由状态用时为t1，单螺杆马达提供的压力从一个相邻的波峰到波谷之间用时为t2，若t1≤t2，则碟簧的位移-时间曲线与单螺杆马达提供的压强-时间曲线趋势相同。若t1≥t2，则水力振荡器碟簧从最大压缩位置回弹至自由状态的运动趋势为其自由回弹和受迫回弹二者趋势的叠加。如图4所示，横坐标为时间轴，纵坐标为碟簧的压缩位移量。假设t1≤t2，则碟簧的运动趋势如曲线a所示。假设t1≥t2，以3t1为周期绘制一曲线b，则碟簧的实际运动趋势为曲线a与曲线b的相互叠加，即如曲线c所示。由图4可以看出，当t1≤t2时，水力振荡器的振幅近似等于L2，而当t1≥t2时，由于叠加的作用，水力振荡器的振幅近似等于L1，如L1过小，则会很大程度的影响水力振荡器的工作效果。

据此在设计水力振荡器时，需要选用t1≤t2的碟簧，或者调整相应的单螺杆马达参数。

图4 水力振荡器振幅趋势

三、振动频率、振幅对水力振荡器性能的影响

为了探究振动频率、振幅对水力振荡器工作性能的影响，设计了a、b、c、d四种工作频率为16 Hz、不同振幅的水力振荡器，首先对水力振荡器进行井口测试，测试BHA组合为Ø215.9 mm PDC钻头+Ø172 mm螺杆(1.5°)+Ø172 mm浮阀+Ø165 mm无磁钻铤+MWD+Ø165 mm无磁钻铤+Ø127 mm加重钻杆×6柱+Ø172 mm水力振荡器，测试排量为1 800 L/min，钻井液密度1.37 g/cm3。开泵进行测试，其中a振幅约为3 mm，b振幅约为5 mm，c振幅约为10 mm，d振幅约为15 mm。首先进行了为期120 h寿命试验，用来检验不同振幅对水力振荡器密封件的影响，水力振荡器密封件滑动密封采用进口聚氨酯丁腈橡胶的U形密封，静密封采用进口丁腈橡胶氟橡胶O形密封圈。在测试过程中，a、b、c型水力振荡器均在120 h后能正常工作，d型水力振荡器在工作61 h后发现工具本体平衡孔中有钻井液返出，起钻对水力振荡器拆卸检查后发现活塞U形密封圈损坏，分析认为水力振荡器振幅过大，加速了滑动密封圈的损坏，导致活塞发生刺漏现象，增加了钻井作业风险。

图5 使用水力振荡器前后立压变化曲线

某井为三开定向井，设计井深3 647 m，设计最大井斜44.22°。该井钻进至2 700 m后托压释放蹩泵现象严重，作业期间滑动摩阻18 t，托压8 t，需频繁调整工具面，下入c水力振荡器，增斜钻进至井斜44.22°，共滑动钻进28.59 m，单趟进尺453 m，纯钻时间30.5 h，钻进期间无托压蹩泵现象，如图5所示为三开使用水力振荡器前后立压随井深变化曲线，从图5中可以看出在第一趟钻未使用水力振荡器滑动钻进期间托压释放频繁蹩泵，钻进过程泵压不稳定，在使用水力振荡器后滑动钻进平稳，无蹩泵现象，说明使用水力振荡器后有效解决滑动托压，工具面不稳定情况，保证滑动作业的连续性。选取该井三开全井段，对比水力振荡器使用前后滑动机械钻速变化，如图6所示，从图6可以看出使用水力振荡器后滑动钻进机械钻速与第一趟钻对比提高38.28%，与第二趟对比提速13.68%，有效提高滑动钻进速度。

图6 三开滑动钻进机械钻速对比

为测试水力振荡器振幅对其工作效率的影响，选取了与该井相邻的两井下入a、b两种型号的水力振荡器进行作业，选取沙河街组，垂深相同，井斜相近的井段，对比a、b、c水力振荡器使用效果如表1所示。

表1 a、b、c水力振荡器使用效果对比

从表1可以看出，水力振荡器振幅相对大些效果较好，c水力振荡器作业过程中平均行程钻速与平均机械钻速要高于b，b要高于c，因此在保证安全稳定工作的前提下可选用较大振幅的水力振荡器。

以上作业过程中使用的为国产自主研发的MWD，作业过程中MWD未出现测斜失败或信号丢失问题。由于水力振荡器产生的为高频脉冲，脉冲频率为16 Hz，单个脉冲持续时间为0.062 5 s，按照脉冲在钻井液中的传播速度为1 200 m/s计算，该脉冲信号仅能传播75 m，因此使用水力振荡器后不会影响MWD脉冲信号解码，同时测斜重力和为1.004 5，满足仪器测斜精度要求，说明工具振动不会影响三轴重力加速度计轴向Gx的测量精度，综上，使用水力振荡器后不会影响MWD工作。