增强型脉动冲击提速工具试验研究

廖华林，牛文龙，王华健，牛继磊，刘建胜，魏俊

(1.中国石油大学(华东)石油工程学院，青岛 266580；2.非常规油气开发教育部重点实验室，青岛 266580)

深层油气资源的高效开发成为中国能源接替的重大战略需求。地层坚硬可钻性差，钻头磨损快，机械钻速低成为目前高效钻井的挑战[1-2]。提高硬岩钻井的钻速是降低整体钻井成本的重要手段[3]。针对上述问题目前主要通过优化钻头结构、改进耐磨材料、研发新型钻头[4]，开发辅助破岩工具等方式来实现[5]。在辅助破岩工具中，由于冲击钻井工具对岩石的频繁冲击和高冲击强度的作用，以及钻头旋转时对岩屑清洗良好等优点，尤其适用于硬质地层，可将传统旋转钻进速度提高6.3倍[6-8]。

由于冲击钻井的诸多优势，美国、德国、巴西、加拿大等相继对阀式各类冲击器做了大量研究，并且显著提高了钻井速度[9-11]。目前中国液动冲击器主要包括液动射流式冲击器、射吸式冲击器、阀式冲击器等，射流式液动冲击器由于具有高背压、深孔和钻速高的优越性使其在油气钻井领域大有应用潜力，但迫切需要对其结构和性能做进一步完善和提高[12]。射吸式冲击器适用于坚硬地层，通过内部射流元件产生不同频率的脉冲射流，使其冲击活塞和冲锤产生往复运动，形成可提高钻头冲击破岩效率的高频冲击力，但由于材料问题导致内部射流元件易损坏，缸体密封失效，压盖易松动等进而影响工作效果[13-14]；阀式冲击器结构设计简单，应用性强，但存在工作性能不稳定，单次冲击力较低等问题[15-16]。李漫等[17]通过对水力振荡器六道口形状进行研究发现流道口过流面积的周期性改变可以产生周期性压力脉冲，周期性压力脉冲传到振荡短节，在碟簧的作用下，使振荡短节外壳产生周期性的轴向振动，使钻柱与井壁的静摩擦变为动摩擦，有效降低了摩阻，提高了钻压传递效率和钻进速度。值得注意的是水力脉冲空化射流发生器具有性能稳定、效果好、使用寿命长等特点，并通过现场实验取得了良好的效果[18-19]。

为提高脉动冲击工具在更为坚硬的地层的破岩效率，并且保证钻头的使用寿命，需降低脉动冲击工具的振动频率，增强振幅[20]。因此，在分析液动冲击技术的基础上，结合水力脉冲机理，自主研发出一种增强型脉动冲击提速工具。首先通过地面试验，确定该装置的冲击特性；其次，研究不同排量下赫姆霍兹增压腔腔长、腔径和内壁碰撞角度数的变化对脉冲频率，脉冲振幅和压耗的影响；最后，利用现有条件对相关脉冲发生机构进行结构参数优化试验。

1 增强叶轮式冲击工具工作原理

1.1 结构原理

增强型脉动冲击提速工具的结构示意图如图1所示。主要由上接头、导流座、叶轮、过渡腔、赫姆霍兹增压腔、活塞、弹簧、传动轴、传动套、外壳体、下接头等结构。

在工具工作过程中，一方面弹簧压缩吸能缓解钻柱产生的剧烈振动，降低硬冲击对钻头的损坏，延长钻头使用寿命；另一方面，叶轮作为脉冲源产生的扰动作用使流体形成具有波动特性的脉冲射流，过渡将脉冲信号放大并产生具有谐振特性的脉冲射流，当流体进入赫姆霍兹增压腔后，流体碰撞内壁角产生反射信号与原有脉冲信号结合，形成能将脉冲信号放大的射流剪切层,并产生轴对称的涡环。形成涡环的流体在腔体内持续与内壁角碰撞，将入口处脉冲射流信号周期性放大，一部分作用到活塞横截面上的冲击载荷与弹簧的伸长势能相叠加，共同作用到钻头上提高冲击破岩的能量。另一部分从钻头水眼以脉冲射流形态喷出，加快井底岩屑清理，避免压持效应。在旋转钻进过程中配合传动套传递给钻头的扭矩，增大了钻头的轴向冲击力和扭矩。具有冲击载荷可调制特点，提高钻头机械冲击破岩效率。

1.2 脉冲频率特性

利用流体网络理论中物理特性相似原理计算公式[21-23]为

(1)

(2)

(3)

通过闭环传递函数公式和频率特性得到流体固有频率为

(4)

系统的放大系数为

(5)

系统的阻尼系数为

(6)

系统的固有频率为

(7)

当放大腔固有频率与流体的固有频率一致或者放大腔的固有频率与来流体频率成倍数关系时，能够产生较好的脉冲效果以及较大的振动幅值。

系统频率特性表达式为

(8)

式中：阻力系数ζ1=1、ζ2=1；R1、R2为入、出口体积流量，mm3/s；v1、v2为入、出口流速，mm/s；A1、A2为入、出口横截面积，mm2；出入口的直径比m不变，m=1.3；ε1、ε2分别为入、出口收缩系数；Cf1、Cf2为入、出口流量系数，Cf1=0.81、Cf2=0.77。

由式(8)可知，脉冲射流的频率和腔体结构参数有关，不同的结构参数组合影响输出频率特性。工作参数为不同排量下的钻井液流速v，在出入口的直径比不变时，腔长与腔径改变对输出频率特性影响较大。

2 试验方案

2.1 试验目的

对比分析叶轮式放大腔结构和增强型叶轮式放大腔结构的输出特性；分析增强型叶轮式脉冲发生器工作参数和结构参数对输出特性的影响。

2.2 试验工具

蓄水池通过高压管汇与泵车相连以提供试验所需的动力，流量计安装在泵车出水管处，检测动力流体的流量，控制阀通过高压管汇与测试样机相连，并且压力测试装置安装在测试样机上用于检测该装置的压力波动特性，试验过程中用水代替钻井液作为流体介质。测试装置结构与试验流程现场布置如图2所示。

D1为腔径；D2为入口直径；D3为赫姆霍兹增压腔腔径；D4为出口直径；αH为赫姆霍兹增压腔内壁碰撞角

2.3 试验方法

排量为0.5、0.8、1.0、1.2、1.5 m3/min时，分别测量无结构、叶轮式结构和增强型叶轮式结构的脉冲频率、脉冲振幅和压耗。试验参数如表1所示。改变增强型叶轮式结构中的赫姆霍兹增压腔腔长、腔径、内壁碰撞角的参数，测试其输出频率、振幅和压力损耗。赫姆霍兹增压腔结构试验参数如表2所示。

表2 赫姆霍兹增压腔试验参数

3 结果分析

3.1 不同结构参数的影响

如图3(a)所示，随排量升高3种不同结构的输出频率均呈现出逐渐增加的趋势；排量升高后，泥浆泵内部活塞频率加快导致输出频率升高，驱动叶轮高速旋转，使得流道间隙变化加快，从而增加了叶轮式与增强型叶轮式的频率。增强型叶轮式脉动冲击器设计了赫姆霍兹增压腔，并且流体流经赫姆霍兹增压腔时与内壁碰撞角接触产生漩涡，腔体内流体发生交汇，从而增加了流体射出的时间，使得同排量下增强型比叶轮频率平均降低3～4 Hz。随排量的增加频率降低程度呈现出不断增加的趋势，在相同排量下频率的降低有利于能量集中从而提高单次脉动冲击能量。

图3 不同结构下排量对脉冲频率、脉冲振幅及压耗特性的影响

图3(b)对比了3种结构的脉冲振幅特性，在研究范围内，排量的升高导致3种结构的脉冲振幅均呈现增加的趋势，相同排量下增强型叶轮式脉冲振幅升高较为明显，与叶轮式相比振幅升高0.5～0.8 MPa，产生这种现象的主要原因为，一方面频率的降低提高了该结构的憋压能力，使得该结构内的压力增加，另一方面流体流出该结构时速度增加，根据伯努利方程得出此处压力减小，从而导致脉冲振幅升高。

图3(c)为不同结构的压耗特性，排量的增加使得内部湍流强度升高，增加了结构内部流体能量的耗散，从而导致3种结构压耗升高；对比同排量下产生的压耗可以发现，由于叶轮结构、赫姆霍兹增压腔结构的引入，对内部流场的扰流程度增大，进一步升高了内部流场的能量损失，并且结构尺寸的增大使得内部流场沿程损失增加。在研究测试范围内，增强型叶轮式结构仅产生比叶轮式结构高约0.1～0.2 MPa的压耗。

因此，通过试验数据分析表明安装赫姆霍兹增压腔的增强型叶轮式结构对提高脉冲振幅，降低脉冲频率进而提高脉动冲击载荷具有显著效果。

3.2 增强型叶轮式结构参数的影响

3.2.1 腔径

图4(a)为不同腔径下的频率特性，随排量升高不同腔径条件下的脉冲频率均呈现出不断升高的趋势，并且当腔径为80 mm时脉冲频率升高的更加明显，产生此现象的主要原因：一方面排量升高，增加了驱动叶轮转动的流体速度，使得流道间隙变化加快，进而增加了腔内流体的脉动频率；另一方面由于排量的升高增加了涡流环的产生速度，进而增加了与内壁碰撞角碰撞频率。低排量下腔径对脉冲频率的影响较大，呈现出相同排量下腔径越大脉冲频率越低的现象；随着排量的升高腔径对脉冲频率的影响逐渐降低，即随排量的升高减弱了腔径对脉冲频率的影响，当排量为1.5 m3/min时脉冲频率达到约12.5 Hz。

图4 不同腔径下排量对脉冲频率、脉冲振幅及压耗特性的影响

如图4(b)所示，随排量的升高脉冲振幅逐渐增大，并且当排量大于1.2 m3/min时振幅明显升高。排量0.5 m3/min时，脉冲振幅稳定在约0.7 MPa，此时腔径的变化对脉冲振幅影响较小；排量为0.5～1.2 m3/min时，随着排量的升高腔径对脉冲振幅的影响逐渐增强，具体表现为，当腔径为80 mm时，脉冲振幅最大，腔径为60 mm时脉冲振幅最小；当排量大于1.2 m3/min，腔径为80 mm时产生的脉冲振幅比另外两种腔径尺寸高出0.2～0.5 MPa。脉冲振幅越高，形成的冲击载荷越大，作用到活塞上面的冲击力越大，钻头对井底岩石的冲击力越强，更有利于破岩。

如图4(c)所示，随着排量的升高，不同腔径结构下流道内湍流强度均增强，进而压耗也呈现出线性增长的趋势。在排量相同情况下，随腔径的增大压耗也呈现出逐渐升高的趋势，但变化量不大，在排量达到1.5 m3/min时，压耗基本维持在1.2～1.3 MPa。

3.2.2 腔长

如图5(a)所示，腔长对脉冲频率的影响较为明显，排量一定时，随着腔长的逐渐增大，脉冲频率呈现出逐渐减小的趋势，腔长增加后，叶轮产生的脉冲频率不变，涡流环到达内壁碰撞角的距离变大，因此碰撞时间延长，减小了脉冲频率。然而随着排量的升高，腔长对脉冲频率造成的影响逐渐减弱，排量的增加使得腔内流体速度逐渐升高，虽然腔长的增加延长了涡流环到达内壁碰撞角的时间，但是由于腔内流体速度的升高，涡流环到达内壁碰撞角的时间差变短，从而使得脉冲频率差逐渐降低。在排量低于1.2 m3/min时，腔长每增加10 mm，频率增加0.2～0.4 Hz。

如图5(b)所示，脉冲振幅受腔长的影响较大，在排量相同时，整体呈现出腔长越大，振幅越高的现象。腔长增大后，涡环在腔内部流场的加速时间延长，使涡环在与内壁碰撞角持续撞击时获得能量较多，从而提高了脉冲振幅。排量小于1.2 m3/min时，腔长每增加10 mm，脉冲振幅约升高0.25 MPa；当排量超过1.2 m3/min时，排量的升高使得腔长对脉冲振幅的影响变大，排量为1.5 m3/min时，腔长每增加10 mm，产生的脉冲振幅升高0.3～0.5 MPa。

图5 不同腔长下排量对脉冲频率、脉冲振幅及压耗特性的影响

如图5(c)所示，排量是造成压耗升高的主要原因，在研究范围内，随着排量的逐渐升高，当腔径和内壁碰撞角一定时，腔长尺寸改变对压耗的影响不明显。

3.2.3 内壁碰撞角

如图6(a)所示，随着排量的升高，脉冲频率均呈现出不断升高的趋势，内壁碰撞角对输出频率的影响较为显著，且内壁碰撞角度数越小，脉冲频率越高，排量低于1.2 m3/min时，内壁碰撞角为30°时的脉冲频率比90°时高0.8～1.2 Hz。随着排量的持续增大，内壁碰撞角大小对输出频率的影响相对减弱，当排量为1.5 m3/min时，脉冲频率几乎无差别。

如图6(b)所示，排量较小的情况下，内壁碰撞角对脉冲振幅的影响较小，当排量为0.5 m3/min时，脉冲振幅全都基本稳定在约0.4 MPa。随着排量的升高脉冲振幅呈现出不断变大的趋势，并且内壁碰撞角度数越小脉冲振幅相对越高。但内壁碰撞角为60°时产生的脉冲振幅却明显高于45°时产生的脉冲振幅。当排量小于1.2 m3/min时内壁碰撞角为60°和30°时产生了基本一致的脉冲振幅。当排量达到1.5 m3/min，内壁碰撞角为60°时可产生约为3.3 MPa的脉冲振幅。

如图6(c)所示，在测试条件下，由于整个工具腔体长度比较短，且相对流速较高，能量损耗变化不明显，从而使得研究范围内的内壁碰撞角大小变化对压耗的影响不大。

图6 不同内壁碰撞角下排量对脉冲频率、脉冲振幅及压耗特性的影响

4 结论

(1)排量升高造成脉冲频率，脉冲振幅以及压耗的不断增加。同种排量下增强型脉动冲击装置可以降低脉冲频率，并且能够显著提高脉冲振幅。压耗受结构的影响较小，在相同排量下脉冲频率的降低和脉冲振幅的增加更有利于能量集中，增强单次脉动冲击能量。

(2)脉冲频率和脉冲振幅受赫姆霍兹增压腔结构尺寸的影响显著，随着腔径的逐渐增加，冲击频率呈现出逐渐降低的趋势，并且当腔径为80 mm时脉冲振幅最大；相同排量下随着腔长的逐渐增大，输出频率呈现出逐渐减小的趋势，并且腔长的增加提高了涡环碰撞的能量，进而增加了脉冲振幅。

(3)试验研究范围内，赫姆霍兹增压腔结构参数设置为入口直径40 mm，腔径80 mm，腔长70 mm，内壁碰撞角60°时，随着排量的升高，脉冲振幅最大约为3.3 MPa，频率约为12.5 Hz，并且压耗相对稳定，能更好的适用于深部硬地层钻井需要。