蘇前榮 尹添石 史懷忠 宋先知 崔猛 赫文豪 張楠

(1. 中石化中原石油工程公司有限公司 2. 中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3 .中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司 4.中國石油大學(xué)(北京)油氣光學(xué)探測(cè)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室5. 中國石油大學(xué)(北京) 理學(xué)院能源交叉學(xué)科基礎(chǔ)研究中心 6. 中國石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院)

0 引 言

脈沖振動(dòng)鉆井技術(shù)通過軸向脈動(dòng)沖擊作用于井底巖石, 可實(shí)現(xiàn)脈沖射流, 提高清巖破巖能力, 又能減少壓持效應(yīng), 并大幅度提高機(jī)械鉆速, 在軟、硬地層中鉆井提速應(yīng)用效果良好。 倪紅堅(jiān)等[1]于2006 年提出了水力脈沖振動(dòng)鉆井技術(shù), 在水力脈沖振動(dòng)鉆井工具研制成功后開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn), 機(jī)械鉆速提高了20%以上。 至今, 脈沖振動(dòng)鉆井工具不斷更新, 在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中提速效果良好[2-3]。

隨著勘探開發(fā)向深層超深層發(fā)展[4-5], 深井超深井普遍存在壓力系統(tǒng)復(fù)雜且具有不確定性、 地層巖性復(fù)雜、 地層流體(天然氣、 H2S、 水、 高壓鹽水等) 復(fù)雜、 工程力學(xué)復(fù)雜等工程地質(zhì)特征[6-7]。鉆井工程面臨井控質(zhì)量與保障難度大、 施工風(fēng)險(xiǎn)高、 深部鉆井速度慢、 水平井托壓嚴(yán)重、 摩阻扭矩大、 提速裝備和工具適應(yīng)性差、 新技術(shù)儲(chǔ)備不足等問題[8-10]。 同時(shí), 隨著所鉆地層的復(fù)雜程度持續(xù)提高, 不可忽視地層巖性的改變對(duì)脈沖振動(dòng)工具提速效果的影響, 因此, 有必要進(jìn)行脈沖振動(dòng)提速工具在地層適應(yīng)性與降摩減阻方面的研究。 筆者擬開展脈沖振動(dòng)特性參數(shù)調(diào)控方法的數(shù)值模擬, 揭示脈沖振動(dòng)提速工具在井下的自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制, 優(yōu)化脈沖振動(dòng)提速工具調(diào)控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 為可調(diào)式脈沖振動(dòng)提速工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選型

1.1 組成與工作原理

脈沖振動(dòng)提速工具結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。 該工具主要由工具外殼、 脈沖機(jī)構(gòu)、 隔環(huán)以及沖擊機(jī)構(gòu)組成。 脈沖機(jī)構(gòu)由導(dǎo)流體、 葉輪座、 葉輪、 振蕩噴嘴組成, 依次套設(shè)于工具外殼內(nèi)部。 隔環(huán)將脈沖機(jī)構(gòu)與沖擊機(jī)構(gòu)分隔, 上方鉆井液流入工具外殼,流經(jīng)導(dǎo)流體時(shí)流動(dòng)方向發(fā)生改變, 隨后鉆井液直接作用于葉輪葉片, 產(chǎn)生的沖擊力帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。 隨著葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng), 葉輪與葉輪座之間的流道空間周期性發(fā)生改變, 鉆井液流經(jīng)周期性變化的流道空間所產(chǎn)生的脈沖射流, 作用于下方的振蕩噴嘴; 脈沖射流經(jīng)過振蕩噴嘴的同時(shí), 脈沖特性被放大。 隨后,被諧振放大的脈沖射流直接作用在沖擊機(jī)構(gòu)的上端面并產(chǎn)生軸向沖擊作用, 進(jìn)而傳遞給鉆頭[11]。

圖1 脈沖振動(dòng)工具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the pulse vibration tool

脈沖振動(dòng)工具在軟、 硬地層應(yīng)用效果良好, 具體表現(xiàn)如下: 它可在不同類型的地層、 鉆井液性能條件下使用; 該工具無橡膠件, 不受地層溫度的影響; 它能在保持井身結(jié)構(gòu)的同時(shí), 有效提高機(jī)械鉆速。 但脈沖振動(dòng)工具對(duì)軟硬交錯(cuò)地層的適應(yīng)性較差,針對(duì)不同地層, 并不能及時(shí)調(diào)整工具的脈沖參數(shù),可能會(huì)出現(xiàn)縮短工具壽命、 附加摩擦阻力等問題。

1.2 調(diào)控機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用SolidWorks 3D 建模軟件, 基于脈沖振動(dòng)工具對(duì)調(diào)控結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì), 以不同調(diào)節(jié)方式建立了4 種調(diào)控結(jié)構(gòu)模型, 如圖2 所示。

圖2 4 種調(diào)控機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagrams of four control mechanisms

對(duì)于導(dǎo)流孔導(dǎo)流式調(diào)控結(jié)構(gòu), 在其導(dǎo)流體的斜坡上設(shè)置有直徑為10 mm 的導(dǎo)流孔, 上方鉆井液流經(jīng)導(dǎo)流體的同時(shí), 有一部分鉆井液流進(jìn)導(dǎo)流孔,之后直接作用于葉輪內(nèi)側(cè)葉片。 導(dǎo)流孔通道內(nèi)部安置有球閥, 隨著球閥轉(zhuǎn)動(dòng), 導(dǎo)流孔的開合發(fā)生改變, 從而調(diào)節(jié)進(jìn)入導(dǎo)流孔的鉆井液流量。 流出導(dǎo)流孔的鉆井液直接作用于葉輪內(nèi)側(cè)葉片。 因此, 通過調(diào)節(jié)導(dǎo)流孔的開合大小進(jìn)而能夠調(diào)節(jié)葉輪的轉(zhuǎn)速與頻率。 導(dǎo)流孔內(nèi)球閥的調(diào)節(jié)方案如圖3 所示。

圖3 球閥調(diào)控方案Fig.3 Ball valve control schemes

對(duì)于泄流槽分流式調(diào)控結(jié)構(gòu), 在脈沖機(jī)構(gòu)側(cè)邊設(shè)置一泄流槽, 泄流槽貫穿導(dǎo)流體、 葉輪座與振蕩噴嘴, 流經(jīng)泄流槽的鉆井液直接作用于沖擊機(jī)構(gòu),不與葉輪相接觸, 如圖4 所示。 其原理是通過盤閥調(diào)節(jié)進(jìn)入泄流槽的鉆井液排量, 改變沖擊葉輪葉片的鉆井液沖擊力, 進(jìn)而調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速與頻率。

圖4 盤閥控制泄流槽入口開合示意Fig.4 Disc-valve-controlled opening/closing of the relief channel inlet

渦輪驅(qū)動(dòng)扇形盤閥式與渦輪驅(qū)動(dòng)圓形盤閥式調(diào)控機(jī)構(gòu)的脈沖原理與上2 種葉輪式脈沖結(jié)構(gòu)不同。在渦輪驅(qū)動(dòng)盤閥式脈沖工具中, 由鉆井液驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn), 流經(jīng)渦輪葉片后的鉆井液直接作用于動(dòng)靜盤閥, 動(dòng)盤閥隨渦輪轉(zhuǎn)動(dòng), 從而同靜盤閥實(shí)現(xiàn)扇形孔的瞬時(shí)開合與關(guān)閉, 且把流經(jīng)上、 下盤閥的連續(xù)鉆井液調(diào)制成流量和流速具有瞬時(shí)非均勻性的脈沖射流。 該結(jié)構(gòu)的調(diào)控方法是在動(dòng)、 靜盤閥下端添加一個(gè)控制盤閥, 通過調(diào)節(jié)控制盤閥與靜盤閥的交錯(cuò)角度, 改變靜盤閥的過流面積, 由此改變了動(dòng)、 靜盤閥瞬時(shí)開合與關(guān)閉的周期, 進(jìn)而對(duì)流經(jīng)盤閥的鉆井液脈沖頻率進(jìn)行調(diào)節(jié), 如圖5 所示。

圖5 渦輪驅(qū)動(dòng)盤閥式調(diào)控工具示意圖Fig.5 Schematic diagram of the turbine-driven disc-valve control tool

1.3 調(diào)控機(jī)構(gòu)優(yōu)選

采用數(shù)值模擬方法驗(yàn)證各結(jié)構(gòu)的脈沖輸出特性調(diào)節(jié)能力。 在正確表征流場(chǎng)的基礎(chǔ)上, 簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu), 縮短計(jì)算時(shí)間。 4 種調(diào)控機(jī)構(gòu)分別設(shè)置不同數(shù)量的調(diào)節(jié)狀態(tài), 并依次建立物理模型, 隨后導(dǎo)入CFD 流場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行分析。 在各調(diào)節(jié)狀態(tài)下,當(dāng)數(shù)值模擬葉輪、 渦輪轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定時(shí), 以葉輪、渦輪的轉(zhuǎn)速、 出口處體積流量波動(dòng)頻率為評(píng)價(jià)指標(biāo), 判定調(diào)控效果。 圖6 為4 種調(diào)控機(jī)構(gòu)對(duì)葉輪轉(zhuǎn)速與脈沖頻率調(diào)節(jié)能力效果曲線圖。 其中: 圖6a與圖6b 中橫坐標(biāo)為調(diào)控機(jī)構(gòu)開合關(guān)閉狀態(tài), 0 為盤閥完全打開, 1 為完全閉合狀態(tài); 圖6c 中橫坐標(biāo)為控制盤閥閉合角度, 0°為控制盤閥與靜盤閥完全重合, 60°為控制盤閥轉(zhuǎn)過靜盤閥60°。

圖6 調(diào)控機(jī)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果曲線Fig.6 Numerical simulation results of control mechanisms

由圖6 可知, 4 種調(diào)控機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)效果差異明顯。 導(dǎo)流孔導(dǎo)流式調(diào)控機(jī)構(gòu)在閉合程度小于時(shí),轉(zhuǎn)速與頻率的調(diào)節(jié)程度較小, 僅在球閥完全關(guān)閉的情況下具有一定的調(diào)節(jié)效果。 考慮到渦輪驅(qū)動(dòng)盤閥式調(diào)控機(jī)構(gòu)調(diào)控結(jié)構(gòu)實(shí)施難度較大, 且調(diào)控效果不明顯, 不進(jìn)行過多分析。 調(diào)控效果最佳的是泄流槽分流式調(diào)控機(jī)構(gòu), 轉(zhuǎn)速調(diào)控范圍在60 ～185 r/min之間, 頻率調(diào)控范圍在6 ～19 Hz 之間, 調(diào)節(jié)幅度均勻分布, 轉(zhuǎn)速與頻率調(diào)節(jié)幅度都在300%以上。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果, 最終將泄流槽分流式調(diào)控機(jī)構(gòu)作為優(yōu)選結(jié)構(gòu), 但該結(jié)構(gòu)仍存在泄流槽流道結(jié)構(gòu)不合理, 工具壓耗過高等問題, 有必要進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化, 以實(shí)現(xiàn)更符合提速需求的調(diào)控效果。

2 泄流槽分流式調(diào)控機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)上一節(jié)內(nèi)容, 初步確定以泄流槽分流式調(diào)控機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 為減小鉆井液流經(jīng)工具過程中的能量損失, 對(duì)泄流流道及盤閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn), 并對(duì)盤閥設(shè)計(jì)開展了進(jìn)一步優(yōu)化。

單盤閥調(diào)控機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7 所示。

圖7 單盤閥調(diào)控機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.7 Structural design of the single-disc-valve control mechanism

盤閥外側(cè)周向設(shè)置有齒輪槽, 與工具外殼內(nèi)放置的齒輪進(jìn)行配合, 通過工具外筒內(nèi)的電機(jī)對(duì)齒輪進(jìn)行控制, 進(jìn)而對(duì)盤閥的開合進(jìn)行控制, 最終實(shí)現(xiàn)鉆井液在泄流流道與主流道的分流。 針對(duì)盤閥限位, 進(jìn)行了限位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 保證了調(diào)控機(jī)構(gòu)在安裝過程中的正確限位。 基于可調(diào)式脈沖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì), 對(duì)工具配合的其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì), 形成的可調(diào)式脈沖振動(dòng)提速工具如圖8 所示。

圖8 可調(diào)式脈沖工具總裝圖Fig.8 Assembly diagram of the adjustable pulse vibration tool

該工具主要由調(diào)控機(jī)構(gòu)、 脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)與沖擊機(jī)構(gòu)組成。 為了探究其流場(chǎng)脈沖特性, 針對(duì)優(yōu)化后的脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)與調(diào)控機(jī)構(gòu)開展了數(shù)值模擬。

3 調(diào)控機(jī)構(gòu)數(shù)值模擬研究

3.1 幾何模型建立及網(wǎng)格劃分

采用SolidWorks 3D 建模軟件建立單盤閥調(diào)控結(jié)構(gòu), 并建立直徑為190 mm 的圓柱體流域模型,將脈沖機(jī)構(gòu)從圓柱體流域模型中抽離, 留下的工具流體域模型如圖9 所示。 圖9 中藍(lán)色箭頭代表鉆井液流動(dòng)方向。

圖9 單盤閥調(diào)控機(jī)構(gòu)流域建立Fig.9 Fluid domain establishment of the single-disc-valve control mechanism

對(duì)所建立的流域進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分, 由于機(jī)構(gòu)內(nèi)部較為復(fù)雜, 涉及到旋轉(zhuǎn)域( 葉輪) 與靜止域( 除葉輪外)的交互, 因此將機(jī)構(gòu)流域拆分成2 部分, 并對(duì)每部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 最終再將其組合,組合后的網(wǎng)格如圖10 所示。 靜止域網(wǎng)格設(shè)置最大網(wǎng)格尺寸為0.1 mm, 面網(wǎng)格尺寸為0.05 mm; 轉(zhuǎn)子域是主要計(jì)算部位, 對(duì)其進(jìn)行局部網(wǎng)格加密, 設(shè)置最大網(wǎng)格尺寸為0.01 mm, 面網(wǎng)格尺寸為0.03,確定網(wǎng)格數(shù)量為26 萬～29 萬。

圖10 單盤閥調(diào)控機(jī)構(gòu)網(wǎng)格劃分Fig.10 Meshing of the single-disc-valve control mechanism

3.2 模型選擇及邊界條件的設(shè)定

k-epsilon 是湍流模式理論中的一種, 簡(jiǎn)稱k-ε模型。k-epsilon 模型屬于二元方程模型, 適合完全發(fā)展的湍流。 它具有很好的魯棒性、 經(jīng)濟(jì)性, 能對(duì)大范圍湍流進(jìn)行合理預(yù)測(cè)。

設(shè)置數(shù)值模擬研究過程中比較常用的排量入口與壓力出口邊界條件[12], 排量入口以鉆井液排量30 L/s 為依據(jù), 可進(jìn)行調(diào)整; 壓力出口以地層壓力為依據(jù), 設(shè)置為30 MPa。 通過對(duì)模型的后處理,可以得到模型整體的壓力分布、 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和工具的壓耗損失等參數(shù)。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)單盤閥泄流槽分流式調(diào)控機(jī)構(gòu)模型設(shè)計(jì),結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果, 進(jìn)行速度場(chǎng)、 壓力場(chǎng)、 脈沖特性及調(diào)節(jié)效果的分析。 出入口邊界條件不變, 改變盤閥閉合角度, 對(duì)不同開合角度的盤閥進(jìn)行流場(chǎng)分析, 結(jié)果如圖11 所示。

圖11 盤閥閉合示意圖Fig.11 Opening/closing of the disc valve

以單盤閥閉合67.5°條件下的模擬結(jié)果為例,從圖11d 可以看出, 工具內(nèi)流體壓力從入口處到葉輪上方一直處于高壓狀態(tài), 直至鉆井液撞擊葉輪,葉輪與導(dǎo)流體壁的間隙導(dǎo)致流體流動(dòng)空間縮小, 流速加快, 壓力降低, 符合實(shí)際工況及伯努利定律(見圖12)。

圖12 數(shù)值模擬壓力與速度云圖Fig.12 Pressure and velocity contours derived from numerical simulation

對(duì)不同閉合角度調(diào)節(jié)狀態(tài)的數(shù)模結(jié)果進(jìn)行歸納, 得到轉(zhuǎn)速與頻率隨盤閥閉合角度變化關(guān)系, 如圖13 所示。

圖13 單盤閥泄流槽分流式調(diào)控機(jī)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果Fig.13 Numerical simulation of the relief channel-distributary control mechanism

葉輪轉(zhuǎn)速與頻率基本呈相同的上升趨勢(shì), 在盤閥閉合程度為45°之前, 轉(zhuǎn)速與頻率的調(diào)節(jié)效果并不明顯, 閉合程度超過?2時(shí), 隨著閉合程度的提高, 轉(zhuǎn)速與頻率快速增加, 至全關(guān)狀態(tài)下, 葉輪轉(zhuǎn)速與頻率達(dá)到最大值。 葉輪轉(zhuǎn)速變化范圍為85 ～ 238 r/min, 頻率變化范圍為8 ～24 Hz。 由此可見,單盤閥泄流槽分流式調(diào)控機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)效果明顯, 達(dá)到了可調(diào)式脈沖工具的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié) 論

(1) 對(duì)比分析了導(dǎo)流孔導(dǎo)流式、 泄流槽分流式、 渦輪驅(qū)動(dòng)扇形盤閥式與渦輪驅(qū)動(dòng)圓形盤閥式4種可調(diào)式脈沖工具調(diào)控結(jié)構(gòu), 對(duì)比各調(diào)控機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)效果和加工難度, 得出泄流槽分流式調(diào)控機(jī)構(gòu)綜合能力最強(qiáng), 因此采用該結(jié)構(gòu)開展調(diào)控機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(2) 單盤閥與直流道結(jié)構(gòu)搭配的泄流槽分流式調(diào)控機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單, 流道結(jié)構(gòu)更合理且壓耗更小, 更適應(yīng)井下作業(yè)環(huán)境。

(3) 單盤閥泄流槽分流式調(diào)控機(jī)構(gòu)的脈沖特性參數(shù)調(diào)節(jié)范圍與調(diào)節(jié)程度符合設(shè)計(jì)要求, 葉輪轉(zhuǎn)速變化范圍為85 ～238 r/min, 頻率變化范圍為8 ～24 Hz, 轉(zhuǎn)速與頻率的變化幅度在280%～300%之間。