插针式水力振荡器的研制及应用*

史怀忠 成鹏飞 穆总结 席传明

(1.中国石油大学(北京)油气资源与探测工程国家重点实验室 2.中国石油大学(北京)克拉玛依校区油气资源与探测国家重点实验室克拉玛依分室 3. 中国石油新疆油田分公司工程技术研究院)

0 引 言

新疆吉木萨尔凹陷页岩油开发潜力巨大[1]，为扩大该区块开采波及范围及提高油层动用程度，主要采用“水平井+体积压裂”技术[2]，其中水平段长度普遍在1 000～2 000 m。由于水平段较长，存在摩阻扭矩大、井眼清洁困难及托压现象严重等难题，从而导致机械钻速降低、钻井周期延长和成本的提高[3-5]。随着吉木萨尔页岩油开发的不断深入[6-7]，为有效改善托压现象，同时为减少对旋转导向钻井工具的过度依赖，降低钻井成本，进行了“大功率螺杆+水力振荡器”的技术试验，应用效果显著[8-9]。水力振荡器的应用已成为提高水平井钻井速度的重要技术手段。

常规的水力振荡器主要采用容积式盘阀马达设计[10-19]，主要包括振动短节和动力短节。其工作原理是通过钻井液驱使动力短节的转子产生转动，转动的转子驱动盘阀产生脉冲压降，该脉冲压降作用于振动短节，驱使振动短节产生高频低幅的冲击振动，从而将钻柱与井壁之间的静摩擦力改为动摩擦力，大幅减小摩阻，实现钻压的有效传递。常规水力振荡器的技术弊端为动力短节的定子橡胶件在井底高温环境下无法正常使用，在吉木萨尔页岩油开发过程中，为了保证井壁稳定以及减小摩阻，必须采用油基钻井液进行钻进作业[20]，而定子橡胶无法适应油基钻井液环境。因此，常规的水力振荡器技术已无法适应吉木萨尔页岩油开发技术要求。

为有效解决常规水力振荡器的技术弊端，实现水平井钻进过程中减摩降阻，从而更好地实现提速提效，本文进行了插针式纯金属水力振荡器的研究及应用。

1 技术分析

1.1 结构

插针式水力振荡器由花键心轴、花键外筒、连接筒、振荡碟簧、下外筒、滑套筒、插针碟簧、滑套、锁帽以及下接头等组成，结构如图1所示。花键心轴与花键外筒之间通过花键嵌套在一起，起到复合密封效果。花键外筒与连接筒通过螺纹连接在一起，其连接方式和密封方式与常规钻杆扣型连接方式类似，即通过端面实现机械密封。振荡活塞通过螺纹连接在花键心轴下端，其与连接筒之间的密封通过复合密封组合来实现。振荡碟簧设计在花键心轴、花键外筒、连接外筒和振荡活塞之间，保证井底工具振动效果。下外筒通过螺纹连接在连接筒下端，并通过端面实现密封。滑套筒通过螺纹连接在下外筒内，并通过O形密封圈保证静密封效果。滑套设计在滑套筒内，插针碟簧设计在滑套筒和滑套之间，保证滑套的往复运动效果。锁帽通过螺纹连接在滑套筒下方，保证了插针碟簧的有效装配。下接头通过螺纹连接在下外筒下方，并通过端面密封保证密封效果。

1—花键心轴；2—花键外筒；3—连接筒；4—振荡碟簧；5—振荡活塞；6—下外筒；7—滑套筒；8—插针碟簧；9—滑套；10—锁帽；11—下接头。

1.2 工作原理

插针式水力振荡器根据钻具组合特点安放在井底特定位置[21]。花键心轴与下接头分别与井底钻柱相连接，在钻井过程中，钻井液由花键心轴经滑套后，通过下接头流入下部钻柱，在滑套和滑套筒上分别设有可供钻井液流通的孔，如图2所示。当钻井液通过滑套时，由于滑套对钻井液的节流作用，钻井液驱动滑套压缩插针碟簧下行至锁帽的内台阶处并被限位，此时滑套上的孔与滑套筒上的孔重合，即滑套与滑套筒连通。此时部分钻井液将通过滑套和滑套筒上的孔经滑套筒与下外筒之间的环形空间流入下接头，此为工具的泄压过程。由于泄压作用，插针碟簧将在预紧力的作用下驱动滑套恢复原位(见图2)。

该振荡器脉冲压力产生过程如图3所示。当滑套与滑套筒不连通时，钻井液处于节流状态，此时产生的压降最大(见图3a)；当滑套与滑套筒连通时，由于泄压作用，此时工具产生的压降最小(见图3b)，插针碟簧驱动滑套恢复原位后，压降再次达到最大值(见图3c)。该过程将产生连续的脉冲压力Δp(插针式水力振荡器的动力)。

图2 滑套与滑套筒连通过程示意图Fig.2 Schematic diagram of connection process between sliding sleeve and cylinder

图3 插针式水力振荡器脉冲压力产生过程Fig.3 Generation of pulse pressure of pin type hydraulic oscillator

插针式水力振荡器往复振荡产生过程如图4所示。从图4可见，此连续的脉冲压降Δp作用于振荡活塞环形端面处，给振荡活塞一个脉冲的作用力，驱动振荡活塞向上运动，行程为ΔL，即产生一次振动冲击作用(见图4a)。在活塞向上作用过程中，将压缩碟簧组做功。滑套与滑套筒连通时，压降最小，此时碟簧将恢复预紧状态，即驱动心轴及活塞向下运动至初始状态(见图4b)，此时，完成一个周期的振动冲击。当脉冲压降再次达到Δp时，活塞再次上行，并压缩碟簧做功，驱动心轴向上运动，再产生一次振动冲击作用；当压降达到最小时，心轴及活塞再次恢复到初始状态。心轴将产生连续的高频低幅振动冲击作用，该振动冲击力又作用于井底钻柱，不仅将驱动井底钻柱高频振动，使钻柱与井壁之间的静摩擦转换为动摩擦，大幅降低摩擦因数，而且可保证钻压的有效传递，从而消除或减少托压现象。

图4 插针式水力振荡器往复振荡过程示意图Fig.4 Schematic diagram of reciprocating oscillation process of pin type hydraulic oscillator

1.3 主要技术参数

结合吉木萨尔页岩油开发井身结构特点，插针式水力振荡器的参数设计为：工具外径172 mm，工具内径62 mm，适用钻井液排量25～35 L/s，工具整体压降≤3 MPa，工具振动频率11～15 Hz，振幅6～8 mm，工具上、下连续接扣型均为API-NC50。

2 仿真模拟研究

作用在插针式水力振荡器中振荡活塞上的力可为花键心轴的往复运动提供动力，同时也是配套碟簧选择的重要依据。为计算该作用力，选用CFD计算软件进行建模。结合工具工作原理，分别模拟滑套与滑套筒连通及闭合两种极限条件下的流场分布。

2.1 模型建立及边界条件设置

图5为简化后的流体域模型。当滑套上连通孔闭合时，流体只能从工具内部通过。此时滑套下端截面积减小，工具上端压力上升。当滑套与滑套筒连通后，在分流作用下压力迅速降低。应用Geometry处理模块，两种工况下工具下端都将采用压力边界，数值设置为0.1 MPa，以有效模拟钻井液柱压力；工具上端采用速度边界，设置入口钻井液初始流速为30 L/s，基于工具结构尺寸，速度设置为3.56 m/s，仿真过程中可通过改变入口流速，模拟不同排量下工具内的压力分布情况。

图5 水力振荡器流体域模型Fig.5 Fluid domain model of metal hydraulic oscillator

2.2 结构网格划分

通过ICEM-CFD对整个计算域采用适应性较强的四面体非结构体网格进行划分，并采用局部加密的方法对开孔位置处的流域进行网格加密，以满足开孔处的速度比及压力变化。网格正交质量对单元采用面法向的矢量、从单元中心指向每个相邻单元中心的矢量，以及从单元中心指向每个面的矢量进行了计算，结果显示，绝大多数网格质量均在0.8以上，故网格质量满足数值计算需求。

2.3 计算模型求解

Realizablek-ε湍流模型针对不同的流体运动类型适应性较强，包括射流与混合流的自由流动、管道内流动及边界层流动等。该模型适用于模拟水力振荡器流道内高速流体的运动，能够得到较为精确的结果。

模型理论建立在流体的连续性方程(见式(1))和动量方程(见式(2))基础上。

(1)

(2)

式中：ρ为流体密度，kg/m3；t、ti分别为总时间及时间分量，s；vi、vj均为速度分量，m/s；xi、xj为各坐标分量；p为压力，MPa；μ为分子黏度，mPa·s；μi为湍流黏度，mPa·s。

代入模型的求解参数对方程进行变形，得到Realizablek-ε湍流模型：

(3)

(4)

式中：ε为耗散率；k为湍动能，J；σε、σk为耗散率和湍动能的湍流普朗特常量；Gk为平均速度梯度产生的湍动能，J；Gb为浮力作用产生的湍动能，J；YM为可压缩湍动脉动膨胀对总耗散率的影响因子；C1、C2、C3、C1ε及C3ε为湍流方程常系数；E为涡动黏滞系数，即对数流速分布公式中的常系数；v为流体总速度，m/s。

2.4 模拟结果分析

图6为排量30 L/s条件下的计算结果。工具上端内径相同，流体速度与压力分布无明显变化。工具下端在滑套内径缩小时流体速度明显提升，而压力逐渐减小。根据伯努利方程，这是由于流体能量在压能和动能之间发生相互转化产生的。作用在滑套缩径处的压力为其运动提供动力，直至流体下一次泄压。配套碟簧在滑套移动时积聚的弹力与流体作用在滑套上的压力达到平衡。基于此，可以确定碟簧劲度系数等参数，以保证工具正常工作。

图6 流通状态下流体域分布特征Fig.6 Fluid domain distribution characteristics in flow state

滑套与滑套筒关闭及连通时流体作用在振荡活塞端面上的压力如图7所示。从图7可知：当处于关闭状态时，工具下端泄流面积小，端面压力较大；反之，滑套通孔打开时作用在端面上的压力会有一定程度的减小。在两种压差作用下振荡活塞发生往复运动。根据其运动行程和流体压差可以合理选择振荡碟簧的劲度系数。

图8为不同排量条件下振荡活塞端面所受作用力的变化规律。从图8可以发现，随着钻井液排量的增大，流体作用力呈不断增大趋势。这主要是由于当工具下端泄流面积发生变化时，输入流体不断增加的动能转化为更多的压力势能。基于此，在设计工具时，应提前确定钻井液排量变化范围，以便选择合适碟簧，从而保障钻井过程安全顺利。

图7 不同状态下活塞端面压力分布Fig.7 Pressure distribution of piston end face in different states

图8 不同排量下活塞端面作用力的变化规律Fig.8 Variation of piston end force with different flow rates

2.5 技术优势

(1)插针式水力振荡器通过井底产生高频低幅振动冲击作用，大幅减小钻柱与井壁之间的摩擦因数，消除或减少托压现象，保证了钻压的有效传递，达到提高机械钻速的目的。

(2)插针式水力振荡器无定转子结构部件，机械加工简单，较常规水力振荡器成本低。

(3)插针式水力振荡器为纯金属结构设计，能够满足深井、水平井钻井技术要求，可满足在高温高压以及油基钻井液等环境中的钻井技术要求，同时纯金属结构可延长其井底使用寿命。

3 现场试验

3.1 试验井基本情况

JHW058**井位于新疆吉木萨尔县。该井构造位于准噶尔盆地东部吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组页岩油层位，为一口水平采油井，二开井身结构。该井设计井深为5 645 m，目的层位为二叠系芦草沟组(P2l22)。该井井身结构数据如表1所示。井身结构如图9所示。

表1 JHW058**井井身结构数据Table 1 Casing program data of Well JHW058**

图9 JHW058**井井身结构示意图Fig.9 Casing program of Well JHW058**

该井地层泥岩较发育，水敏性强，容易造成井眼缩径、垮塌。在造斜井段韭菜园组至梧桐沟组泥岩较发育，水敏性强，垮塌井壁稳定性差，井眼缩径和垮塌较严重，为确保井壁稳定以及井眼质量，决定在二开造斜段开展白/柴油基钻井完井液体系钻进。钻井液体系及配方如表2所示。结合该井油基钻井液体系，常规水力振荡器的定子橡胶无法适应油基钻井液环境，遂开展插针式纯金属水力振荡器的现场试验。

表2 JHW058**井二开井段油基钻井液配方Table 2 Formula of oil-based drilling fluid in the second spud section of Well JHW058**

3.2 试验情况及结果

插针式水力振荡器于2020年9月2—10日进行现场试验，采用钻具组合为：ø215.9 mm PDC钻头+ø172.0 mm螺杆+ø172.0 mm双外接头+ø172.0 mm电阻率+ø172.0 mm双外接头+ø172.0 mm悬挂短节+ø172.0 mm保护接头+ø127.0 mm加重钻杆3根+ø127.0 mm斜坡钻杆17根+转换接头+ø127.0 mm插针式水力振荡器+ø127.0 mm斜坡钻杆+ø127.0 mm加重钻杆36根+ø127.0 mm斜坡钻杆。现场试验施工参数：钻压20～50 kN，转盘转速0～50 r/min，钻井液排量20～32 L/s，泵压18～20 MPa，钻井液密度1.55～1.60 g/cm3，漏斗黏度53～67 s，含砂质量分数0.1%～0.2%。

试验井段为定向造斜段至水平段起点，实际进尺为3 185～4 102 m，进尺层位为三叠系韭菜园组、二叠系梧桐沟组及芦草沟组。单套工具累计入井7.98 d，井下纯钻时间110.32 h，单套工具累计进尺917 m，平均机械钻速8.31 m/h，较该区块相同井深邻井的平均机械钻速(6.23 m/h)提速33.5%。现场试验结果表明，插针式水力振荡器能够完全满足油基钻井液环境中的钻井技术要求，同时能够大幅缓解钻头托压现象，提高机械钻速。

4 结论及建议

(1)插针式水力振荡器通过脉冲压力驱动花键心轴产生高频低幅振动冲击，将井底钻柱与井壁之间的静摩擦转换为动摩擦，大幅减小摩擦因数，保证了有效钻压的实时传递，起到了提速效果。

(2)插针式水力振荡器为纯金属设计，可以满足油基钻井液环境下长寿命钻井技术要求，同时适用于高温高压地层的钻井作业，具有良好的应用前景。

(3)建议加强插针式水力振荡器的研究并进行深入的现场试验，同时应结合我国不同区域油气田井身结构特点，进行相应尺寸的工具研发设计，为我国页岩油气田低成本高效开发提供技术参考。