余長(zhǎng)柏，黎明，劉洋，李紅，信石玉

（1.中國(guó)石化石油工程機(jī)械有限公司研究院，湖北 武漢 430000；2.中國(guó)石化石油機(jī)械裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430000）

水力振蕩器振動(dòng)特性的影響因素

余長(zhǎng)柏1，2，黎明1，2，劉洋1，2，李紅1，2，信石玉1，2

（1.中國(guó)石化石油工程機(jī)械有限公司研究院，湖北 武漢 430000；2.中國(guó)石化石油機(jī)械裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430000）

為了合理分析水力振蕩器的振動(dòng)特性影響因素，文中根據(jù)水力振蕩器在井下的實(shí)際工況，通過(guò)條件假設(shè)、模型簡(jiǎn)化，建立了關(guān)于水力振蕩器井下工具組合的振動(dòng)分析模型，選取合適的鉆井參數(shù)，分析得到水力振蕩器在靜閥板中心孔直徑不同、相對(duì)鉆頭的安放位置不同時(shí)的振動(dòng)特性。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與下井試驗(yàn)，進(jìn)一步分析這2個(gè)重要參數(shù)對(duì)工具振動(dòng)特性的影響。研究表明：隨著靜閥板中心孔直徑的增大，水力振蕩器的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度均逐漸減?。浑S著安放位置與鉆頭距離的增大，水力振蕩器的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度均逐漸增大。研究結(jié)果對(duì)下井工藝的應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。

水力振蕩器；振動(dòng)分析；中心孔直徑；安放位置；減摩降阻

0 引言

定向井、水平井和大位移井技術(shù)是有效開(kāi)發(fā)復(fù)雜油氣藏、海洋油氣資源的重要手段［1-3］。在定向井、水平井和大位移井的實(shí)際鉆探過(guò)程中，其斜井段和水平段的鉆柱與井壁直接接觸，導(dǎo)致摩阻成為鉆井過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外圍繞鉆井減阻問(wèn)題進(jìn)行了大量研究。蔡偉偉［4］用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了化學(xué)減阻方法能夠減小井壁摩阻；李博［5］通過(guò)水力振蕩器在某井中的實(shí)際應(yīng)用，有效地降低水平井摩阻；董學(xué)成等［6］用數(shù)值模擬分析的方法，研究了不同參數(shù)對(duì)水力振蕩器破巖效率的影響；Franklin等［7］通過(guò)分析不同的應(yīng)用案例，驗(yàn)證了水力振蕩器對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)采具有很大幫助；田家林等［8］從理論上分析鉆井振蕩器工作的振動(dòng)特性，并通過(guò)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了鉆井振蕩器的工作效果。

上述主要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，并未進(jìn)行水力振蕩器井下振動(dòng)特性的理論分析和井下工作模型的建立。因此，為進(jìn)一步深入分析水力振蕩器的工作特性，建立了井下工具組合的振動(dòng)分析模型，分析了水力振蕩器軸向振動(dòng)特性的影響因素，為井下工具組合的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，并為鉆井工具提速增效提供新思路。

1 振蕩器結(jié)構(gòu)及原理

水力振蕩器主要由軸向振動(dòng)短節(jié)、動(dòng)力短節(jié)、閥門系統(tǒng)3部分組成，如圖1所示。其中，動(dòng)力短節(jié)主要由螺桿組成，閥門系統(tǒng)主要由振蕩閥盤和定閥盤組成［9］。

圖1 水力振蕩器結(jié)構(gòu)示意

軸向振動(dòng)短節(jié)主要由心軸、外管、活塞、碟簧組組成，如圖2所示。

圖2 軸向振動(dòng)短節(jié)結(jié)構(gòu)示意

由圖1和圖2可知，水力振蕩器是通過(guò)一對(duì)閥門周期性的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，把流經(jīng)動(dòng)力部分的流體能量轉(zhuǎn)化為壓力脈沖，將該壓力脈沖傳遞給振動(dòng)短節(jié)，由振動(dòng)短節(jié)帶動(dòng)鉆具在軸線方向上進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使鉆具在井底的靜摩擦變成動(dòng)摩擦。這樣既有效地降低了鉆具摩阻，又達(dá)到了改善鉆壓傳遞效果的目的，且不影響MWD、螺桿鉆具的使用［10］。

2 分析模型

為建立水力振蕩器在水平井中的振動(dòng)模型，假設(shè)：1）水力振蕩器處于水平井的水平段，井眼軌跡為直線，忽略鉆柱正弦屈曲或螺旋屈曲對(duì)振動(dòng)的影響；2）忽略接頭和加重鉆桿以及其他工具引起的截面變化，將鉆桿整個(gè)看成均勻變化的圓環(huán)面；3）忽略鉆井液的影響，包括鉆井液攜帶的巖屑對(duì)井底鉆柱振動(dòng)的影響；4）忽略鉆頭與巖石，以及鉆柱與井壁的相互作用以及大鉤荷載變化的影響。建立的振動(dòng)模型如圖3所示。

圖3 水力振蕩器在水平井中的振動(dòng)模型

將水力振蕩器簡(jiǎn)化為具有一定剛度和質(zhì)量的一段鉆柱，并且有一個(gè)周期性變化的作用力作用在該段鉆桿上。水力振蕩器以下部分簡(jiǎn)化為質(zhì)量均勻變化、內(nèi)外壁直徑不變的一個(gè)鉆柱串，并且質(zhì)量按照該段鉆柱串相應(yīng)的質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，即考慮接頭和加重鉆桿的質(zhì)量。鉆柱和水力振蕩器為彈性變形，并且鉆柱橫截面為圓環(huán)形，軸線為水平方向，鉆頭可看作剛體，不產(chǎn)生彈性變形。左側(cè)為上部鉆井系統(tǒng)，其質(zhì)量遠(yuǎn)大于減震器和振蕩器組合的質(zhì)量，為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，忽略碟簧組的彈性力對(duì)上部鉆井系統(tǒng)的影響。

根據(jù)牛頓第二定律得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)方程，利用有限單元法考慮所有節(jié)點(diǎn)，可得到水力振蕩器以下的整個(gè)鉆柱系統(tǒng)的振動(dòng)方程為

式中：x為節(jié)點(diǎn)位移，m；x˙為速度，m/s-1；x¨為加速度，m/ s2；M，C，K分別為整體質(zhì)量矩陣、整體阻尼矩陣、整體剛度矩陣；Fa為系統(tǒng)在截?cái)辔恢檬艿降挠捎阢@柱重力產(chǎn)生的軸向力，N；F為水力振蕩器受到的軸向力，N；Ffric為井下鉆柱系統(tǒng)與井壁之間的摩擦力，N；Fb為巖石對(duì)鉆頭的作用力，N，與鉆頭受到的鉆壓大小相等、方向相反。

節(jié)點(diǎn)的剛度k計(jì)算公式為

式中：E為材料的彈性模量，GPa；A為節(jié)點(diǎn)的截面面積，m2；l為節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)度，m。

對(duì)于鉆柱的整體阻尼矩陣，可以用它的整體質(zhì)量矩陣和整體剛度矩陣近似表示，即：

其中，α=0.1，β=0.001。

水力振蕩器受到的軸向力F可近似看作正余弦函數(shù)［8］，其大小與工具內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工況相關(guān)：

式中：F0為水力振蕩器靜軸向力，kN；F1為水力振蕩器軸向力幅值，kN；f為水力振蕩器工作頻率，Hz；t為水力振蕩器工作時(shí)間，s；δ為水力振蕩器軸向力相位，（°）。

由于水力振蕩器的作用會(huì)使整個(gè)鉆柱產(chǎn)生振動(dòng)，鉆柱受到的井壁摩擦力會(huì)隨節(jié)點(diǎn)的速度方向變化而變化，可表示為

式中：μ為鉆柱與井壁之間的摩擦因數(shù)；m為節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2。

巖石對(duì)三牙輪鉆頭的作用力為［11］

式中：Nb為牙輪個(gè)數(shù)；Nr為鉆頭的轉(zhuǎn)速，r/min；F2為靜鉆壓，kN。

3 算例分析

3.1 基本參數(shù)

考慮到水力振蕩器工作的實(shí)際情況，水力振蕩器和鉆井相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 基本參數(shù)

根據(jù)建立的水力振蕩器井下振動(dòng)模型和基本參數(shù)，現(xiàn)選取不同的水力振蕩器靜閥板中心孔直徑和相對(duì)于鉆頭的安放位置這2個(gè)影響因素，對(duì)比分析水力振蕩井下振動(dòng)特性的變化。

3.2 靜閥孔直徑的影響

現(xiàn)僅以靜閥板中心孔直徑作為變量進(jìn)行振動(dòng)分析。假設(shè)水力振蕩器的安放位置距離鉆頭120m，將水力振蕩器看作一個(gè)節(jié)點(diǎn)，水力振蕩器以下部分每12m作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，共11個(gè)節(jié)點(diǎn)。輸入流量30 L/s，輸入泵壓為20 MPa。

根據(jù)表1和鉆柱系統(tǒng)的振動(dòng)方程（式（1）），計(jì)算得到在靜閥板中心孔直徑為3.048cm時(shí)開(kāi)始振動(dòng)，并且有一定的波動(dòng)，振動(dòng)位移和速度都較大，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定后，振動(dòng)位移在0.003 1～0.011 3m波動(dòng)，振動(dòng)速度在±0.088m/s間波動(dòng)，如圖4所示。

同理，通過(guò)改變靜閥板中心孔直徑，水力振蕩器產(chǎn)生的軸向力F發(fā)生改變，即工具的井下振動(dòng)特性發(fā)生改變，可以根據(jù)上述計(jì)算靜閥板中心孔直徑為3.048cm時(shí)的方法，分析得到水力振蕩器在穩(wěn)定后的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度見(jiàn)表2。

根據(jù)以上分析可知，在水力振蕩器距離鉆頭位置和輸入泵壓不變的情況下，隨著水力振蕩器靜閥板中心孔直徑的增大，水力振蕩器的振動(dòng)位移逐漸減小，同時(shí)振動(dòng)速度也逐漸減小。

圖4 靜閥板中心孔直徑為3.048cm的振動(dòng)結(jié)果

表2 靜閥板中心孔直徑不同時(shí)的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度

3.3 安放位置的影響

現(xiàn)假設(shè)水力振蕩器安放在距離鉆頭150m的位置，水力振蕩器產(chǎn)生的軸向力發(fā)生改變，工具井下振動(dòng)特性相應(yīng)改變，同理代入相應(yīng)計(jì)算公式，求解得出振動(dòng)結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，開(kāi)始振動(dòng)會(huì)有一定的波動(dòng)，振動(dòng)位移和速度均較大，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，工具振動(dòng)位移在0.003 2～0.011 9m波動(dòng)，振動(dòng)速度在±0.12m/s之間波動(dòng)。

圖5 距離鉆頭150m的振動(dòng)結(jié)果

通過(guò)改變水力振蕩器的安放位置，分析得到水力振蕩器在穩(wěn)定后的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度見(jiàn)表3。

表3 不同安放位置時(shí)的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度

分析可知，在靜閥板中心孔直徑和輸入泵壓不變的情況下，隨著水力振蕩器的安放位置與鉆頭的距離的增大，水力振蕩器的振動(dòng)位移逐漸增大，振動(dòng)速度也逐漸增大。

水力振蕩器不同的靜閥板中心孔直徑和安放位置對(duì)其振動(dòng)特性影響較大，因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，要根據(jù)不同的井身結(jié)構(gòu)和地質(zhì)工況，選取對(duì)應(yīng)的鉆具組合，以最大限度地提高工具的使用效果。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備有實(shí)驗(yàn)臺(tái)架1臺(tái)、泵2臺(tái)、水力蕩器工具組合1套、壓力傳感器、位移傳感器管匯（包括節(jié)流閥、旁通閥、出口總閥、進(jìn)出水管道等）。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)旁通閥、節(jié)流閥進(jìn)行流量壓力控制，泵壓和流量可達(dá)5 MPa和30 L/s。實(shí)驗(yàn)流程如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)流程

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。由表4分析可得，在泵的輸入流量（30 L/s）不變的情況下，隨著水力振蕩器靜閥板中心孔直徑的增大，水力振蕩器的入口與出口的壓差逐漸減小，進(jìn)而影響其軸向振動(dòng)，導(dǎo)致工具的振動(dòng)特性產(chǎn)生變化。

表4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)主要是為了模擬水力振蕩器的頻率、工作壓降和振動(dòng)位移和速度，并將實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。隨著靜閥孔直徑增大，水力振蕩器的頻率基本不變。由于靜閥孔直徑增大會(huì)使水力振蕩器產(chǎn)生的激振力減小，因此會(huì)使振動(dòng)位移和振動(dòng)速度逐漸減小。這與數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果基本相符，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在廣華寺組底進(jìn)行下井試驗(yàn)測(cè)試，并驗(yàn)證水力振蕩器的提速效果。試驗(yàn)井段為：φ215.9 mm鉆頭+ φ165.0 mm1.25°單彎動(dòng)力鉆具+回壓凡爾+φ127.0 mm無(wú)磁承壓鉆桿9m+MWD（隨鉆測(cè)量?jī)x器）+φ127.0 mmHWDP（加重鉆桿）13根+φ165.0 mm水力振蕩器+ φ127.0 mm鉆桿。工具入井后進(jìn)行淺層測(cè)試，結(jié)果表明，加入水力振蕩器后MWD信號(hào)傳輸正常到底后定向鉆進(jìn)進(jìn)尺364m。判斷牙輪鉆頭可能過(guò)度磨損或已經(jīng)損壞起鉆。根據(jù)距離最近、層位相同、深度相同和鉆進(jìn)參數(shù)相同具有可比性原則，選取鄰井對(duì)比分析，最低提高機(jī)械鉆速33%，平均提高機(jī)械鉆速46%。

通過(guò)調(diào)整水力振蕩器在井底的安裝位置、流量、動(dòng)靜閥板孔徑等重要參數(shù)，分析下井試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，在水力振蕩器工作過(guò)程中，其上部的鉆具組合在井筒內(nèi)產(chǎn)生的軸向振動(dòng)特性（位移、速度等）會(huì)隨著工作條件的變化而變化。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，合理選擇水力振蕩器的輸入流量［12］、安裝位置和動(dòng)靜閥板孔徑等重要影響因素，確保工具振動(dòng)達(dá)到最佳工作狀態(tài)，更有效地減小鉆柱與井壁之間的摩阻，從而提高鉆井效率，節(jié)約鉆井成本。

5 結(jié)論

1）在水力振蕩器距離鉆頭位置和輸入泵壓不變的情況下，隨著水力振蕩器靜閥板中心孔直徑的增大，水力振蕩器的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度均逐漸減小。

2）在靜閥板中心孔直徑和輸入泵壓不變的情況下，隨著水力振蕩器安放位置與鉆頭距離的增大，水力振蕩器的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度均逐漸增大。

3）水力振蕩器在工作過(guò)程中能夠使鉆具產(chǎn)生縱向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使鉆具在井下的靜摩擦變成動(dòng)摩擦，大大降低了摩擦阻力，可以有效地減少因井眼軌跡而產(chǎn)生的鉆具托壓現(xiàn)象，保證有效鉆壓。

4）在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，要根據(jù)不同的井身結(jié)構(gòu)和地質(zhì)工況，調(diào)整工具水力參數(shù)，選取對(duì)應(yīng)的鉆具組合，最大限度提高工具的使用效果。

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（編輯 孫薇）

Influence factors on vibration characteristics of hydraulic oscillator

YU Changbai1，2,LI Ming1，2,LIU Yang1，2,LI Hong1，2,XIN Shiyu1，2
(1.Institute of SINOPEC Oilfield Equipment Corporation,Wuhan 430000,China;2.SINOPEC Key Laboratory of Petroleum Equipment,Wuhan 430000,China)

In order to analyze the influencing factors on the vibration characteristics of the hydraulic oscillator,according to the actual working condition of the hydraulic oscillator,the vibration analysis model of downhole tool combination of the hydraulic oscillator is established on the condition assumption and model simplification.By selecting appropriate drilling parameters,the vibration characteristics are analyzed and obtained when the diameter of the static valve plate center hole and the place position of the bit are different.Laboratory and downhole experiments show that,with the diameter increase of the center hole of the valve plate, the vibration displacement and vibration velocity of the hydraulic oscillator are gradually reduced;with the increase of the distance between the position and the drill,the vibration displacement and vibration velocity of the hydraulic oscillator are gradually increased.The research results have important guiding significance for downhole technology applications of hydraulic oscillator.

hydraulic oscillator;vibration analysis;center hole diameter;installation position;friction reduction

中石化集團(tuán)公司先導(dǎo)科技項(xiàng)目“水力振蕩器工具先導(dǎo)性試驗(yàn)”（JPJ11003）

TE921

A

10.6056/dkyqt201606033

2016-03-23；改回日期：2016-09-19。

余長(zhǎng)柏，男，1981年生，2009年碩士畢業(yè)于西南石油大學(xué)，主要從事石油鉆采機(jī)械、井下工具設(shè)計(jì)和仿真方面的研究。E-mail：yuchangbai@163.com。

余長(zhǎng)柏，黎明，劉洋，等.水力振蕩器振動(dòng)特性的影響因素［J］.斷塊油氣田，2016，23（6）：842-845，850.

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）：842-845，850.