水力振荡器的工作原理及未来发展趋势

2021-12-06聂宇晗

湖北农机化 2021年13期

聂宇晗

(中石化江钻石油机械有限公司，湖北武汉 430223)

1 国内外发展现状

随着钻井作业技术发展与油气资源开采难度增大，常规的直井、斜井等井型已不足以满足开采作业的需要，超深井、水平井、三维井、丛式井等复杂结构井型在钻井作业中的使用越来越多。复杂的井型极大程度地影响了整个钻具组合与井壁之间的摩阻，导致钻压的传递效率降低，造成钻进速度下降、憋卡等不良影响。美国国民油井华高公司(NOV)是首家将水力振荡器进行商业化运用的公司，最初用于连续管作业中。由于水力振荡器极为有效地降低了钻具与钻柱等在钻井过程中与井壁的摩阻，极大地提高了钻进速度，从而逐渐被广泛应用于各种井型的作业中。该公司新一代水力振荡器AgitatorTMSystem是一种螺杆式水力振荡器，通过容积式马达为动阀提供动力，从而改变动阀与静阀之间的过流面积，产生压力脉冲。在压力脉冲的作用下，芯轴会发生轴向位移，产生振动，改善钻具、钻柱等与井壁的摩阻，提高钻井效率。

相较于国外，国内对水力振荡器的研发较晚，但进展速度较快，螺杆式水力振荡器、自激式水力振荡器、径向水力振荡器、轴向水力振荡器等多种类型的提速工具已进入商业化使用。螺杆式水力振荡器结构简单，生产、组装、维修便捷，是目前世界上各大石油设备制造公司最常用的水力振荡器。

2 螺杆式水力振荡器的结构与工作原理

2.1 结构组成

螺杆式水力振荡器主要有振荡短节(下称A短节)和弹簧短节(下称S短节)2个主要部分组成。

A短节作为脉冲的发生器，主要结构由定子、转子、动阀总成和静阀总成组成，其中转子与动阀总成相连，静阀总成与上端接头相连。定子与转子配合使用，是螺杆式水力振荡器的动力源，是一种理论基础成熟的容积式马达，为动阀总成提供动扭矩与偏心转动。由于水力振荡器所需扭矩较小，采用单头马达与稍大于1级的密封即可满足所需动力。水力振荡器的转子可以自由转动，几乎没有扭向载荷，因此整个橡胶承受极少量的载荷，使用寿命大幅度提高。动阀总成与静阀总成紧密贴合，钻井液流经动、静阀总成上的过流孔。根据工况所需，通过理论计算，设计决定动、静阀总成上的过流孔尺寸与静阀总成上过流孔的偏心距，通过改变动、静阀总成中的过流孔直径的尺寸或是静阀总成中过流孔的偏心距，可以产生不同的脉冲频率。

S短节作为轴向振动的发生器和减震器，主要有花键芯轴、活塞和碟簧组成，花键芯轴部分与活塞组成的密封腔由硅油密封。硅油与碟簧两种阻尼弹簧元件通过形变来储存(释放)能量，从而减小整个工具的震动与跳动。钢制碟簧可以通过不同的组合方式来改变S短节的刚性，从而根据工况所需调整水力振荡器的轴向位移，并且通过调整组合方式，可以使S短节具有可变的刚度，即在同一个行程内初始刚度较低、后续刚度较高的性能。

2.2 工作原理

当钻井液进入A短节后，定子与转子螺旋线间产生的密封腔形成了高压区与低压区，压差驱动转子产生偏心转动，并带动动阀总成以相同的轨迹转动。动阀总成的过流孔设置在动阀片的圆心位置，静阀总成的过流孔则设置于静阀片的偏心位置，动阀片与静阀片紧密配合，通过动阀片的旋转，使两个过流孔重合的面积产生周期性的变化，从而使工具下端的过流面积产生周期性变化。过流面积的改变使上端压力发生改变，周期性的压力变化即压力脉冲。当过流面积减小时，钻具上端压力增大，从而推动活塞向上运动，使花键芯轴产生向上的轴向位移，碟簧与硅油压缩储能；当过流面积增大时，钻具上端压力减小，碟簧与硅油释放能量，推动活塞向下运动，使花键芯轴产生向下的轴向位移。如此高频的循环反复，使水力振荡器产生轴向振动。

3 水力振荡器的未来发展趋势

3.1 研发大排量的水力振荡器

通过增大水力振荡器的工作排量，可以极大程度地提高水力振荡器的降摩阻效果，能在复杂井型中有效提升钻进速度，提升效率，减小钻井周期。

3.2 通过优化内结构实现降低压耗

目前无论是螺杆式水力振荡器或是涡轮式水力振荡器，都有着压耗较大的问题。钻井液经过水力振荡器后，钻压降低2～4 MPa，传递至钻头的压力损失较大，使钻井液对岩层的冲击力减小，导致钻进速度下降。优化内部结构，降低压耗，或是改进压力脉冲产生方式，是未来水力振荡器结构设计的重要研发方向。

3.3 螺杆式水力振荡器橡胶材料的研发

随着钻井作业的深度逐渐加深，井温也越来越高，对于水力振荡器在高温工况下工作的稳定性有着极大的挑战。螺杆式水力振荡器因为受到定子橡胶的限制，在过高的温度下发生膨胀，可能导致转子憋卡、掉胶等问题。目前主要是用全金属水力振荡器在超高温井中工作，但相较于全金属水力振荡器，螺杆式水力振荡器结构简单，加工、组装、维修较为便捷，成本较低，研发一种耐超高温的橡胶，使螺杆式水力振荡器能在超高温的工况下工作，是一个重要的研究方向。