井下定向钻进用小直径通缆水力振荡器的研制

王 力，徐保龙，王 毅，黄寒静，贾明群，马 斌

井下定向钻进用小直径通缆水力振荡器的研制

王 力1,2，徐保龙2，王 毅2，黄寒静2，贾明群2，马 斌2

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

针对煤矿井下定向钻进过程中由于托压效应引起的钻进摩阻大、钻进效率低、钻孔深度受限等问题，提出通过钻柱振动减阻的技术思路。采用理论分析和数值模拟进行激振力、激振频率等关键技术参数的设计，研制ø89 mm小直径通缆水力振荡器。在室内测试碟簧和圆柱弹簧两种辅助复位原件结构的振荡器性能，并在淮南张集煤矿井下进行实钻试验。结果表明：碟簧式水力振荡器在300 L/min流量时，最大压降1.9 MPa、激振力8.11 kN、频率13 Hz，适合安装在近钻头位置辅助减阻；圆柱弹簧式水力振荡器频率在300 L/min流量时，模拟测试150 m通缆定向管柱最大变形量2.86 mm，最大复位力7.98 kN，频率11 Hz，适合安装在钻柱中间主要减阻；在张集矿井下–600 m疏水巷10号孔定向钻进产生明显托压时使用圆柱弹簧式水力振荡器，使平均钻压降低33%，钻效提高126%，显著降低钻进摩阻，提高定向钻进效率。研制的ø89 mm小直径通缆水力振荡器为煤矿水平定向钻进中托压问题提供一种新的解决方法。

煤矿井下；定向钻进；小直径；水力振荡器；通缆；淮南张集煤矿

目前煤矿硬岩定向钻孔滑动钻进时，当孔深达到一定程度后，钻柱弯曲引起的累积摩阻问题突出，使钻压不能有效传递，产生托压[1-3]，导致滑动定向钻进效率大幅降低，增加了钻进风险[4]。石油钻井领域研究结果表明钻柱振动能够有效降低钻柱摩阻，实现定向钻井轨迹的长距离延伸[5-12]。对于硬岩层钻进可在钻柱的合适位置安装水力振荡器，水力振荡器施加的轴向激振力一部分通过钻柱传递至钻头，能够在一定程度上提高硬岩层的钻进效率[13-14]。石油钻井用水力振荡器工作流量为270~ 420 L/min、工作压降3~5 MPa；而煤矿井下常规近水平定向钻进用泥浆泵额定压力一般不大于12 MPa，当孔深大于600 m后钻具压降和沿程水力损失之和一般大于7 MPa，再加上水力振荡器压降消耗，总水压已接近泥浆泵额定压力，对于深孔钻进以及孔内事故处理都极为不利，且石油钻井用水力振荡器直径大，结构上难以布置通信电缆，无法直接应用于煤矿井下有缆传输随钻测量定向钻进。鉴于此，研制了煤矿井下用小直径通缆水力振荡器，并在淮南张集煤矿底板灰岩探放水定向孔钻进中进行了现场应用试验。

1 水力振荡器结构设计

水力振荡器主要结构分为通信部分、振荡器主体部分，通信部分分为上通信部分和下通信部分。振荡器主体包括上接头、外管、活塞、复位部件(碟簧或圆柱弹簧是常用复位原件，通过振动测试确定复位部件)、挡圈、下接头等。上接头的作用是连接外管、上通信部分以及对活塞起到限位作用；外管起到活塞缸套作用，同时连接下接头，通过四方孔将来自上部钻柱的扭矩传递给下接头的四方柱；活塞上面加工电缆孔、节流孔、泄压孔，电缆孔为通信电缆的通过提供空间，节流孔使活塞上下两腔产生压力差进而推动活塞下行；泄压孔在活塞下行至一定位移后打开，活塞上腔泄压，在复位部件和钻柱自身压缩势能的共同作用下开始复位。通信部位包括过度短节和通缆短接，过度短节靠近振荡器主体一侧通过挡圈限制通缆接头向振荡器主体方向运动，外端通过通缆短接进行限位。通缆短接及过度短节内通缆结构采用现有煤矿井下用ø89 mm通缆钻杆结构(图1)。

振动功能具体实现原理为：振荡器初始状态时活塞处于最左边位置，此时泄压孔处于完全或绝大部分关闭状态，来自上部钻柱的冲洗液全部或绝大部分通过节流孔流向下部钻柱，此时活塞左右两腔会产生一定的压力差，活塞在压力差的作用下向前运动，其初始状态如图2所示。当活塞向前运动一定位移后，活塞上的泄压孔打开，此时来自上部钻柱的冲洗液分成两路进入下接头内孔，一路仍是沿着节流孔进入，另一路通过泄压孔、外管腔体、流体返回孔进入下接头内孔，此时活塞节流压力变小，活塞在复位部件的作用下复位，如图3所示。

图1 煤矿井下水力振荡器结构示意图

图2 振荡器主体部分初始状态

图3 振荡器主体部分泄压状态

2 水力振荡器参数设计

2.1 强度确定

煤矿井下用ø89 mm钻柱的抗扭能力大于等于12 000 N·m，抗拉力大于等于1 000 kN，由于水力振荡器安装在ø89 mm钻柱上，和钻柱的强度保持一致，设计的水力振荡器强度参数为：ø89 mm水力振荡器设计抗扭能力大于等于20 000 N·m、抗拉力大于等于1 000 kN。

2.2 激振力确定

根据激振力与反激振力的大小决定应力波传播的距离，为了使钻孔深度高效延伸200~300 m，根据作用力与反作用力关系，需要解决振荡器安装点下部150 m钻柱的摩阻。取钻柱与孔壁之间的摩擦因数为0.3，钻柱自重产生的摩擦力为6.75 kN，考虑到钻柱沉渣对摩擦因数的影响，设计最大激振力8 kN。激振力的大小取决于活塞的面积和节流压力，计算公式为：

式中：为激振力，N；Δ为活塞压降，Pa；为活塞面积，m2。

将活塞面积代入式(1)即可得出所需压降，根据压降选择节流水眼的大小。

2.3 激振频率确定

一定激振力下，减阻效率随激振频率的增大而增加，当激振频率大于6 Hz后减阻效率趋于稳定。如果外部激振频率与前部钻柱轴向振动的固有频率相同，会引起共振导致钻柱疲劳失效，因此，振荡器的激振频率应尽量避开钻柱固有频率。

根据动力学理论，将前部钻柱假设为等截面直杆、底部约束、周围不受钻孔环空约束，忽略冲洗液、温度等对钻柱固有频率的影响[15-19]，纵向振动第阶固有频率[20]为：

式中：ω为角速度，rad/s；为阶次；为钻柱长度，m；为密度，kg/m3。

根据表1结果，综合考虑减阻效率和钻柱轴向振动固有频率，振荡器频率设计为10~20 Hz。

表1 150 m水平钻柱的固有频率

2.4 流场分析

对水力振荡器进行流体动力学分析，得出节流压力与位移的关系，以便指导安装间隙从而得到理想的节流压力效果。由图4可知，当泄压孔被活塞腔体完全密封，且流量为300 L/min时，4个节流孔的节流压力数值模拟结果为3.5 MPa，节流压力大于设计值。当泄压孔伸出活塞缸体2 mm后，整个活塞的节流压力迅速下降至1.1 MPa；当泄压孔伸出活塞缸体3 mm后，整个活塞的节流压力已下降至0.76 MPa；当泄压孔完全打开后，整个活塞的节流压力降至0.46 MPa。活塞泄压孔与活塞腔体之间3 mm的位移内对节流压力的影响最大，可以通过加垫片来调整泄压孔与活塞腔体之间的位置，得到设计节流压力，如图5所示。

3 室内测试

3.1 振动测试方案

碟簧复位和圆柱弹簧复位是水力振荡器常用的复位方式。水力振荡器安装在近钻头位置时，由于钻柱刚度大、圆柱弹簧复位能力小易采用碟簧复位方式；当水力振荡器安装在钻头后面一定位置时，钻柱可视为弹性体具备复位能力，圆柱弹簧起到辅助复位和限位作用，从而缓解托压问题。根据煤矿井下定向钻进配套泥浆泵能力、钻柱特性以及钻进工艺，对两种复位方式进行测试。

图4 不同位置的压力场

图5 活塞压降与泄压位移关系

a.碟簧式水力振荡器测试 承受轴向负荷的碟状弹簧，可以单个使用，也可多片碟簧组合使用，承受静负荷或变负荷。如果单片碟簧不能达到行程要求时，采用由单片碟簧组成的对合组合碟簧组。如果安装空间有限，而要达到较高的承载能力时，采用单片碟簧组成的叠合组合碟簧组。通过不同安装方式可以调节碟簧组合的刚度和力学性能。不同碟簧组合，对应的总力值和总变形量的关系：

①单片应用：总力值=单片受力，总变形=单片变形；

② 2片叠合应用：总力值=单片受力×2，总变形=单片变形；

③ 2片对合应用：总力值=单片受力，总变形=单片变形×2；

④ 4片对、叠合组合：总力值=单片受力×2，总变形=单片变形×2。

振动频率和碟簧刚度系数有关，通过不同结构形式的安装与调试获得预期的频率输出。如图6所示，三片叠合方式(图6a)比两片叠合方式(图6b)刚度系数大，频率高。

图6 碟簧不同组合方式

b.圆柱弹簧式水力振荡器测试 圆柱弹簧式水力振荡器安装在钻柱某一位置，靠前部钻柱作为复位部件。如图7所示，取振荡器前端与其距离为的钻柱微元d进行分析，忽略微元摩擦力，则微元应变d的表达式为：

式中：为弹性模量，Pa；为距离振荡器长度，m；为密度，kg/m3；为摩擦因数；为钻柱截面积，m2。

对式(4)两边积分，总变形的表达式为：

由式(5)计算，取激振力8 kN、摩擦因数0.2，对于150 m的ø89 mm通缆定向管柱，其最大压缩变形量为2.78 mm。圆柱弹簧式振荡器测试安装如图8所示，最大变形量2.86 mm，最大复位力7.98 kN，与150 m的ø89 mm通缆定向管柱理论计算输出特性基本吻合。

图8 圆柱弹簧测试安装示意图

3.2 振动测试系统

为了得到水力振荡器压降和频率，对水力振荡器进行振动性能测试。通过泥浆泵压力表测量振荡器压降，通过压力变送器采集振荡器频率。水力振荡器室内测试系统如图9所示。水力振荡器通过夹持器固定在测试台上，在振荡器水力入口位置安装压力变送器，将水压变化转化成电阻的变化，电阻值的变化引起数据采集卡电路电流的振荡，电流的振荡通过示波器显示，就可以得到水力振荡器的振动频率。

图9 水力振荡器测试系统

3.3 测试结果分析

对于2片碟簧对合式组合，测试频率为4 Hz，达不到设计频率要求。对于3片碟簧对合式组合测试表明：300 L/min流量时最大压降1.9 MPa，激振力8.11 kN，频率13 Hz；400 L/min流量时最大压降3.1 MPa，激振力13.2 kN，频率13 Hz，如图10所示。由于碟簧刚度系数大，适合安装在近钻头位置，起到减阻为辅的作用。对于圆柱弹簧水力振荡器，模拟安装在距钻头150 m钻柱位置，此时钻柱最大变形量2.86 mm，最大复位力7.98 kN，频率为11 Hz，适合安装在钻柱中间，起到减阻为主的作用，如图11所示。

图10 3片碟簧对合式振动频率测试(300 L/min)

图11 圆柱弹簧式振动频率测试(300 L/min)

3.4 通缆密封性能检测

密封性是通缆水力振荡器随钻测量时信号传输的关键性能，根据井下钻进实际工况一般泵压不超过10 MPa，如图12所示，采用堵头将水力振荡器一端密封，从另一端进行打水，水压升至10 MPa后稳定5 min，测试结果表明：打水前电阻值1.1 Ω，打水后电阻值1.15 Ω，测量通信接头与外管之间电阻值10.2 MΩ，密封结构未失效。

图12 水力振荡器耐水密封性试验

4 现场试验

4.1 地质概况

试验地点位于安徽省淮南矿业集团张集煤矿北区-600 m疏水巷和胶带机巷，主要目标层为A1煤底板C3/3下灰岩层，该层位含水量较大、水压高。经过岩心强度测试，该层岩石坚固性系数=7~8，属于硬岩层，定向钻进时易产生托压现象。

4.2 钻进情况

10号孔开孔位置位于一灰上部，开孔倾角–11.7°、开孔磁方位角353.3°，孔深70 m左右进入C3/3下灰岩层目标层位，钻孔轨迹顺目标层位延伸。浅孔段钻效3~4 m/h，给进表压平缓上升，孔深380 m时给进表压升至5 MPa，钻进效率下降至2 m/h。孔深425 m时给进表压升至6.0~6.5 MPa，钻进效率下降至1.5 m/h，产生了较严重的托压现象。提钻后在螺杆马达后100 m钻柱位置安装水力振荡器下钻至孔底进行钻进，终孔位置上下位移20.7 m、左右位移245 m，钻孔轨迹如图13所示。

4.3 效果分析

10号钻孔在孔深350 m之前给进表压由0.5 MPa缓慢增加至3 MPa，平均上升幅度0.36 MPa/50 m，起拔表压由0 MPa缓慢增加至2 MPa，平均上升幅度0.29 MPa/50 m。为了减弱钻柱托压程度，水力振荡器安装在钻头后面100 m位置，选择圆柱弹簧作为辅助复位部件。由图14可见，孔深350~425 m给进表压由3 MPa缓慢增加至6.5 MPa，平均上升速率2.3 MPa/50 m，起拔表压由2 MPa缓慢增加至3 MPa，平均上升速率0.66 MPa/50 m，起拔表压上升幅度处于正常范围内，而给进表压较之前上升速率大幅度增加，托压现象明显。安装水力振荡器后给进压力由6.5 MPa降至3.5~4.0 MPa。

未安装水力振荡器之前，孔深350~425 m纯钻进效率由3 m/h逐渐降低至1.5 m/h，钻进时泥浆泵压力为5~6 MPa，不钻进时泥浆泵压力为4.5~5.0 MPa，钻头破碎岩石消耗泵压0.5~1.0 MPa (图15)。综合图14和图15进行对比分析，取孔深400 m后，未安装水力振荡器之前，孔深400~425 m的平均给进表压6 MPa、平均钻效1.9 m/h；安装水力振荡器后的平均给进表压降低了33%、平均钻效提高了126%，泥浆泵压力升高1.7~2.5 MPa。

图14 –600 m疏水巷10号孔定向钻进给进表压统计

图15 –600 m疏水巷10号孔钻效与泥浆泵泵压统计

5 结论

a. 研制的ø89 mm水力振荡器通过使钻柱振动将钻柱与孔壁的静摩擦转换为动摩擦，减小了钻进过程中的摩阻，有效解决了煤矿井下近水平定向钻进中的托压问题，提高了钻进效率和钻进孔深。

b.该水力振荡器为阀式结构，可中心通缆，水力参数利用率高，消耗压降在2 MPa左右，适合目前煤矿井下定向钻进系统泥浆泵压力富余量小、有缆传输随钻测量定向钻进岩层中深孔钻进的减阻需要。

c. 煤矿井下定向钻进时，水力振荡器的安装位置要根据钻柱的结构和材料参数进行确定，安装位置与水力振荡器的性能参数、定向钻进工艺的耦合关系仍需近一步研究。

d. 随着煤矿井下定向钻进技术在顶板高位孔、底板防治水钻孔的大规模应用，以及更高压力和更大流量泥浆泵的研制，应继续进行更高减阻能力的水力振荡器研制，以满足煤矿井下深孔定向钻进安全、高效施工的要求。

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[1] 李维均. 定向钻井摩阻分析及防托压新技术研究[D]. 成都：西南石油大学，2017. LI Weijun. Research on friction of directional drilling and new preventive backpressure technology[D]. Chengdu：Southwest Petroleum University，2017

[2] 曹东风，石希民. 煤层气水平井“托压”问题分析及解决措施[J]. 中国煤炭地质，2016，28(7)：44–47.CAO Dongfeng，SHI Ximin. Analysis and solution measures of backpressure issue in CBM horizontal wells[J]. Coal Geology of China，2016，28(7)：44–47.

[3] 明瑞卿，张时中，王海涛，等. 国内外水力振荡器的研究现状及展望[J]. 石油钻探技术，2015，43(5)：116–122. MING Ruiqing，ZHANG Shizhong，WANG Haitao，et al. Research status and prospect of hydraulic oscillator world wide[J]. Petroleum Drilling Techniques，2015，43(5)：116–122.

[4] 易先中，宋顺平，陈霖，等. 复杂结构井中钻柱托压效应的研究进展[J]. 石油机械，2013，41(5)：100–104. YI Xianzhong，SONG Shunping，CHEN Lin，et al. Progress of research on drillstring backing pressure effect in complex structure well[J]. China Petroleum Machinery，2013，41(5)：100–104.

[5] SOLA Kjell-Inge. New downhole tool for coiled tubing extended reach[R]. SPE60701，2000.

[6] RASHEED W. Extending the reach and capability of non rotating BHAs by reducing axial friction[R]. SPE68505，2001.

[7] NEWAN K，BORNETT T，PORSELL J，et al. Modeling the affect of a downhole vibrator[R]. SPE121752，2009.

[8] AL-BUALI M H，DASHASH A A，AL-SHAWLY A S，et al. Maximizing coiled tubing reach during logging extended horizontal wells using E-line agitator[R]. SPE 127399，2009.

[9] 薄玉冰. 定向钻井中托压机理分析及对策探讨[J]. 石油钻探技术，2017，45(1)：27–32. BO Yubing. The formation mechanism and technical countermeasures for back pressure during directional drilling[J]. Petroleum Drilling Techniques，2017，45(1)：27–32.

[10] GEE R，HANLEY C，HUSSAIN R，et al. Axial oscillation tool vs lateral vibration tools for friction reduction-what’s the best way to shake the pipe?[R]. SPE17304，2015.

[11] WANG Peng，NI Hongjian，WANG Ruihe，et al. Research on the mechanism of in-plane vibration on friction reduction[J]. Materials(Basel)，2017，10(9)：1–21.

[12] 余长柏，黎明，刘洋，等. 水力振荡器振动特性的影响因素[J].断块油气田，2016，23(6)：842–845. YU Changbai，LI Ming，LIU Yang，et al. Influence factors on vibration characteristics of hydraulic oscillator[J]. Fault-Block Oil & Gas Field，2016，23(6)：842–845.

[13] 许兴华. 谐振冲击下钻头破岩机理研究[D]. 大庆：东北石油大学，2015：1–10. XU Xinghua. Research on the rock breaking mechanism of resonance impact drilling[D]. Daqing：Northeast Petroleum University，2015：1–10.

[14] 李思琪. 谐振激励下钻头的冲击破岩机理研究[D]. 大庆：东北石油大学，2016：3–20. LI Siqi. Research on rock breaking mechanism of drill bit under harmonic vibration excitation[D]. Daqing：Northeast Petroleum University，2016：3–20.

[15] 屈展. 井下温度对钻柱横向振动固有频率的影响[J]. 石油机械，1997，25(8)：41–42. QU Zhan. Influence of downhole temperature on inherent frequency of drillstring lateral vibration[J]. China Petroleum Machinery，1997，25(8)：41–42.

[16] 李军强，史楠楠. 深井高温对钻柱横向振动固有频率影响研究[J]. 石油机械，2006，34(6)：14–16.LI Junqiang，SHI Nannan. The influence of high temperature in deep holes on inherent frequency of drill string lateral vibration [J]. China Petroleum Machinery，2006，34(6)：14–16.

[17] 李茂生，闫相祯，高德利. 钻井液对钻柱横向振动固有频率的影响[J]. 石油大学学报(自然科学版)，2004，28(6)：68–71.LI Maosheng，YAN Xiangzhen，GAO Deli. Influence of drilling fluid on natural frequency of drill string lateral vibration[J]. Journal of the University of Petroleum，China(Natural Scicnce Edition)，2004，28(6)：68–71.

[18] 李军强. 井下温度对钻柱扭转振动固有频率影响的讨论[J]. 石油矿场机械，2006，35(6)：1–4. LI Junqiang. Discussion for the influence on downhole temperature on torsion vibration natural frequencies of drill strings[J]. Oil Field Equipment，2006，35(6)：1–4.

[19] 李军强. 井下温度对钻柱轴向振动固有频率的影响分析[J]. 石油钻探技术，2006，34(3)：28–31. LI Junqiang. Effects of downhole temperature on axial vibration natural frequency of drill string[J]. Petroleum Drilling Techniques，2006，34(3)：28–31.

[20] 高岩，刘志国，郭学增. 钻柱轴向振动固有频率的计算和测量[J]. 西安石油学院学报，2000，15(1)：39–43.GAO Yan，LIU Zhiguo，GUO Xuezeng. Calculation and measurement of the natural frequency of axial drillingstring vibration[J]. Journal of Xi’an Petroleum Institute，2000，15(1)：39–43.

Development of small diameter hydraulic agitator with cable for directional drilling in underground coal mine

WANG Li1,2, XU Baolong2, WANG Yi2, HUANG Hanjing2, JIA Mingqun2, MA Bin2

(1.China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2.Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

Aiming at the problems of large drilling pressure, low drilling efficiency and limited hole depth caused by the backing effect of drill string during deep hole directional drilling in underground coal mine, the technical idea of using hydraulic agitator was proposed. The ø89 mm small diameter hydriculic agitator was designed based on valve principle, the exciting force, excitation frequency were identified, and the cabled sub was developed. The performance parameters of hydraulic agitator with disc spring and cylindrical spring were tested. The results show that when the flow rate of 300 L/min the disc spring hydraulic agitator has the maximum pressure drop of 1.9 MPa, the exciting force of 8.11 kN, the frequency of 13 Hz, can be installed near the bit for friction reduction partly. The maximum deformation of drill string is 2.86 mm, the reset force is 7.98 kN, the frequency is 11 Hz with cylindrical spring with 150 m cabled drill string under the flow rate of 300 L/min. The agitator was used when the baking pressure was obviously generated during drilling No.10 hole in –600 m drainage lane, in Zhangji coal mine of Huainan. The average drilling pressure was reduced by 33% and the average drilling efficiency was increased by 126%. The friction of drilling was significantly reduced and the efficiency of directional drilling was improved. The developed small-diameter ø89 mm cabled hydraulic agitator provides a solution for the backing pressure problem in horizontal directional drilling in coal mines.

underground coal mine; directional drilling; small diameter; hydraulic agitator; cabled; Zhangji coal mine in Huainan

P634.7

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.006

1001-1986(2020)02-0030-06

2019-11-13；

2020-02-10

国家科技重大专项任务(2016ZX05045-003-002)；中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目(2017XAYMS13)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-003-002)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2017XAYMS13)

王力，1981年生，男，陕西眉县人，博士研究生，副研究员，从事煤矿井下钻探技术研究与推广应用工作. E-mail：wangli2@cctegxian.com

王力，徐保龙，王毅，等. 井下定向钻进用小直径通缆水力振荡器的研制[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(2)：30–35.

WANG Li，XU Baolong，WANG Yi，et al. Development of small diameter hydraulic agitator with cable for directional drilling in underground coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：30–35.

(责任编辑 聂爱兰)