Ø127型水力振荡减摩装置的研制及特性分析

张毅，张润畦

（1.中国石化集团国际石油工程有限公司，北京100020；
2.华北科技学院，北京101601）

赋存较好的浅层油气资源目前正在日益枯竭，钻井技术正在向低开采成本、高采收率方向发展。与直井相比，大位移井和水平井的泄油面积更大，并且能够实现在一些特殊工况的井型和油层中的钻进，显著提高油气采收率，其在油气开采中的应用也越来越广泛［1］。但“托压”现象在钻大位移井和水平井（尤其是长水平段）时经常发生，这是因为井壁与管柱之间的摩阻会随着二者间接触面积的增大而越来越大，这时施加的钻压很难有效地传递至钻头，使得大位移井、水平井等井眼的延伸能力受到较大限制。同时，高摩阻还会造成井眼弯曲，降低钻机钻达最大深度的能力，严重时还会影响油井产量［2］。而当钻压增加至一定值时还可能发生突然憋泵，极易诱发钻具卡钻等井下故障与复杂，从而影响高效安全钻进。

目前钻井行业通常使用的减摩降阻手段包括：井眼轨迹优化，钻井液性能优化，井眼清洁能力改善，以及专门减摩装置的使用［3-7］。通过设计易于钻进的井眼轨迹，同时加大井眼清洁力度，能够实现管柱摩阻的降低。使用润滑性和流变性较好的钻井泥浆，可以减少粘附卡钻的发生。而在遇到管柱摩阻较大的情况时，可以通过使用专门的减摩降阻井下工具来显著降低管柱摩阻。

研究表明［8-12］，将轴向振动工具利用在大位移井以及水平井钻进中，能够有效降低管柱摩阻。在钻机载荷、井身结构、水力参数等维持相对不变的情况下，显著提高机械钻速，大大延伸井眼长度。近年来，轴向振动工具研发与设计以Fluid Hammer提速工具、轴向振荡减阻器、自激振荡式提速工具、轴扭复合冲击提速工具等为代表，有力改善了钻进效率。

（1）Fluid Hammer提速工具由美国NOV公司成功研发，主要由螺杆马达总成和振动冲击短节2部分组成。工具入井工作时，钻井泥浆驱动上部螺杆转子产生高速旋转，螺杆转子带动花键心轴及下接头一起高速旋转，给钻头提供破岩扭矩；
花键心轴带动下接头旋转时，下凸轮与上凸轮产生交变啮合，在钻压作用下产生交变冲击力，并直接施加给钻头，为钻头提供破岩冲击力。该工具的技术优势为，施加给钻头的冲击力是通过钻压作用而来，具有较高的冲击载荷并直接施加给钻头；
工具设计有螺杆短节部分，故而在提高钻速的同时又利于控制井斜。目前Fluid Hammer已应用于多个油田［13-14］，从现场应用效果看，该工具在大尺寸井眼的提速效果更加明显，但在小尺寸井眼中的提速效果欠佳；
其下部冲击短节机械结构设计复杂，成本较高；
密封腔通过旋转密封来实现密封，井下使用寿命较低。

（2）轴向振荡减阻器又被称为轴向水力振荡发生器（Axial-oscillation Generator Tool，Agitator），是由美国NOV公司研发生产的轴向振动减摩降扭工具［15-16］。该工具由振动短节和动力短节2部分构成。动力短节为螺杆钻具结构，在转子下方设计有脉冲动力阀（由转子阀与定子阀构成）。钻进时钻井泥浆流经螺杆，驱动螺杆带动转子运动，转子运动能够带动阀盘转动，周期性地改变过流通道面积，从而使作用在活塞上的水力压力发生周期性变化。在脉动压力峰值时，活塞压缩碟簧，而当脉动压力处于波谷时，碟簧释放能量推动活塞复位，活塞在脉动压力和碟簧弹性作用下做往复运动，从而起到振动减摩降扭的效果。该工具的技术优势为，能够改善井下钻压传递效果，特别是在定向钻进或滑动钻进时应用效果明显，降低了滑动钻进时粘附卡钻、托压的可能性；
与PDC钻头或牙轮钻头配合施工，可提高钻头的定向能力和钻头滑动钻进能力，有效提高机械效率；
与MWD/LWD兼容，不会损坏MWD/LWD工具或干扰信号传递。该工具已在全球范围内的数千口井中施工应用，受到了业内人士的广泛认可。然而，随着钻井难度的不断加大，复杂地层、海洋钻井、深井超深井施工中遇到的高温高压、油基泥浆等对轴向振荡减阻器提出了更高要求。为此，国内已经开展了金属螺杆及涡轮驱动式水力振荡器的研究工作［17］，目前尚处于试验阶段。

（3）自激振荡式提速工具是将机械冲击和水力脉冲作用相结合［18-21］，工具安装于钻头与钻铤之间。钻进时钻井泥浆经一级振荡器和二级振荡器后，通过八方连接杆经下接头后流入钻头。工具内部的振动冲击锤将产生一级振荡及二级振荡作用，振荡作用产生的冲击力通过八方杆直接作用于钻头，从而提高钻头的破岩效率；
同时，钻井泥浆通过八方杆流经钻头后，经钻头水眼喷出，结合冲击锤上下高频往复冲击，形成水力脉冲作用并直接作用于井底岩石，提高破岩能力，同时能够改善井底流场、强化清洗效果。该工具有效结合了水力脉冲和振动冲击的技术优势，提高了钻头破岩效率；
采用水力脉冲诱发机械振动，结构简单，性能可靠。目前，该工具已在国内进行了现场推广应用［22-24］。但是，由于该工具的振动冲击力是通过钻井泥浆的脉冲作用产生的，因此在岩石强度较高、可钻性较差的地层中钻进时，无法有效产生轴向振动，应用受限；
受地层砂、泥浆固相含量等因素影响，振荡冲击腔室流体运行轨迹复杂，冲击锤体易受冲蚀。

（4）轴扭复合冲击提速工具能够发挥轴向和扭向冲击作用，提高提速工具的适用范围，近年来受到了业内学者的广泛关注［25-29］。该工具工作原理为：钻井泥浆流经节流喷嘴产生压降，在该压降作用下，轴向冲锤与周向摆锤部位产生高低压腔，从而驱使冲击锤由高压腔向低压腔产生振动冲击；
在换向器的调节下，轴向冲锤和周向摆锤均产生连续的高低压腔室互换，从而产生连续的轴向与周向振动冲击作用，在此2种力的共同作用下提高钻头破岩效率，达到提速目的。该工具的技术优势为，由于可产生连续的轴向与周向冲击作用，能够有效提高钻头的破岩效率，发挥轴向冲击与周向冲击提速效果。然而，由于复合冲击力的实现是通过节流压降和冲击腔室的高低压转换而来，因此对钻井泥浆固相含量、含砂量等要求较高；
整体动密封大都通过金属密封实现，易受泥浆冲蚀。

总结以上工具的研制进展及存在问题，笔者开展了水力振荡减摩装置的研制及其特性研究，对延伸大位移井和水平井井眼长度具有重要的实际意义。

使用螺杆进行定向钻进时，转盘或顶驱会停止转动，以通过钻头和弯外壳螺杆来实现造斜，即“滑动”作业。滑动作业的难点在于，通常情况下静摩擦力会远远大于动摩擦力，而处于静止状态的钻杆需要克服的摩擦阻力正是从动摩擦转换成了静摩擦，这便不利于工具面的保持和继续钻进。这可以运用基本物理学原理来解释。

假设将一重力为W的滑块放置在平面上，由牛顿第三定律可知，平面对滑块产生一个作用力N，该力与滑块的重力方向相反、大小相等，此刻滑块处在平衡状态。为了使滑块运动，施加在其一侧的作用力P必须大于平面与滑块之间的摩擦力F。该静止状态时的摩擦力是静摩擦力，其计算公式为：

式中：μ静——滑块与平面之间存在的静摩擦系数。

假设滑块要克服静摩擦力开始移动，二者之间的摩擦力减小。这个减小了的摩擦力就是动摩擦力，其由以下公式定义：

式中：μ动——在滑块运动时滑块与平面间存在的动摩擦系数。

动摩擦力与静摩擦力间的关系与二者接触部分有关，但通常动摩擦力大约是静摩擦力的75%［30］。因此，动摩擦力的公式可以转换成：

可以看出，当施加在其一侧的作用力P=0时，与之方向相反、大小相等的静摩擦力F静也等于0。但随着P增大，F静也线性增大，直至P＞F静的极限值。在该转换点摩擦力减少了25%，并随着滑块的移动而保持恒定，说明使滑块保持运动要比使滑块从静止状态开始运动更加容易。这个基本原理不仅适用于定向钻井，在钻造斜段、稳斜段甚至垂直段时也能够参照该原理。

值得注意的是，静摩擦力过大，还会带来定向钻进中的诸多挑战，包括重力叠加可导致钻柱屈曲、钻具粘滑、工具面失效以及钻速异常或下降等。而通过向装配轴向振动装置的减摩工具中泵入钻井流体，诱发钻柱产生轴向振动，该振动能够减小井壁与管柱之间的有效摩擦系数。在该理论的发展中，3种形式的振动——横向、扭向以及轴向，都被研究讨论过［31-33］。最终，轴向振动被证明是最合适的，原因主要在于轴向振动的减摩降阻效果最佳，并且其更易于通过可控的方式来诱发［34］。

在复杂的钻井状况下，叠加原理可以进一步阐释，运动的叠加与两种类型摩擦阻力的转化能够降低管柱摩阻。为方便起见，假设振动是正弦变化的，下面描述水力振荡减摩机理，瞬时速度v可表示为：

式中：vv——钻柱振动速度的最大值；
vi——钻柱恒定的下行速度；
T——振动周期；
t——时间。

考虑到在一定范围内，库伦摩擦不受物体移动速度变化的影响，并且与物体运动方向相反，时间平均有效摩擦力可表示为：

式中：F0——无振动条件下的摩擦力；
Tr、Tf——分别代表后退周期和前进周期。

从该简化的模型可以得出：如果钻柱下行速度减小或者运动速度幅值增大，则会增强减摩效果；
如果钻柱的速度方向在部分振动周期内反转，则会减少有效摩擦力。

综上所述，钻具轴向振动可以使滑动钻进时的静摩擦因数减小到动摩擦因数的大小，显著减小井壁与管柱之间的摩擦阻力。而且当轴向振动产生时，如果钻柱的叠加运动速度方向发生变化，那么摩擦力的方向也会改变，从而减少井壁与管柱间的总摩擦力。水力振荡减摩钻井技术在各种钻进模式中均适用，能够大幅提高钻井效率，大大减少与托压、钻具粘滑、钻杆屈曲、工具面控制和机械钻速降低等井下故障和复杂。

2.1 装置结构

Ø127型水力振荡减摩装置由本体、水力脉冲射流发生装置和轴向振动装置组成如图1所示。本体由下筒和上筒组成。轴向振动装置由活塞部、承压板、碟簧部、中心管组成。活塞部由活塞套、油封、活塞组成。碟簧部由碟簧组、碟簧上压套、碟簧调节套、碟簧护套和碟簧座组成。水力脉冲射流发生装置由导流体、叶轮、叶轮轴、叶轮座、振荡喷嘴等组成。

图1 Ø127型水力振荡减摩装置结构Fig.1 Structure of the Ø127 hydraulic oscillation friction reduction tool

2.2 工作原理

图2表示了Ø127型水力振荡减摩装置的工作原理。装置工作时，在导流体处泥浆的流动方向发生改变，钻井液高速冲击叶轮，驱动叶轮旋转。叶片周期性改变流道面积，扰动来流诱发脉冲压力。脉冲压力经过振荡喷嘴的调制放大，施加在承压板及活塞受力面上。如图2（a）所示，当钻井液压力升高时，流体推动活塞和中心管运动，中心管推动碟簧上压套压缩碟簧组，中心管带动传动管伸出，碟簧组聚集能量。如图2（b）所示，当钻井液压力降低时，承压板及活塞受力面受到的作用力减小，碟簧组释放能量，带动碟簧上压套、中心管及活塞收缩。综上，轴向振动装置的动力由水力脉冲射流发生装置提供，减摩装置的中心管及传动管能够实现往复运动，给钻具或钻头提供轴向振动的能量，改善钻压传递，延伸井眼长度，有效提高钻进效率。

图2 水力振荡减摩装置工作原理Fig.2 Operating principle of the hydraulic oscillation friction reduction tool

3.1 模型建立

Ø127型水力脉冲射流发生装置通过叶轮转动，将连续流体流动调制为脉冲射流。为开展水力振荡减摩装置内水力脉冲压力波动特性数值研究，可通过转动模型中的滑移网格模型求解。装置的流场区域从上母接头入口开始，经导流体、叶轮、自激振荡腔室及喷嘴、承压板通孔、中心管等，最终到中心管出口处。由于水力振荡减摩装置的结构近似为平面对称结构，故采用二维数值模拟方案。钻井液从左端上母接头进入，先后经导流体、叶轮、自激振荡腔室及喷嘴、承压板通孔和中心管等部件，从中心管末端流出。对计算域利用Gambit软件运用结构化网格模型划分。另外，为了优化计算精度，在叶轮叶片的转动部分又施加了局部网格加密［35］。所建的水力振荡减摩装置物理模型如图3所示。

图3 水力振荡减摩装置物理模型Fig.3 Physical model of the hydraulic oscillation friction reduction tool

边界条件：入口条件是速度（排量）入口边界，出口条件是出口流动边界。叶轮表面采用速度无滑移条件，旋转速度和叶轮轴转速相同，叶轮表面为旋转壁面，其余外壁为固定壁面［36］。

3.2 数值模拟方案

针对影响水力振荡减摩装置工作性能的水力脉冲波动特性进行数值模拟，制定了Ø127型装置的数值模拟参数组合。改变流体排量和叶轮叶片数目可以调节水力脉冲压力脉动频率和幅值，进而改变活塞及承压板受力情况，调节装置轴向振动的位移大小。各个叶片数目的模拟方案见表1。

表1 不同排量和叶片数影响规律的参数组合Table 1 Parameter combination of different flow rates and blades numbers

3.3 模拟结果分析

3.3.1 压力场分布

运用Fluent计算流体力学软件，分别模拟了不同叶轮叶片数Ø127型装置在不同排量下的流场。可以看出，随着叶轮的旋转，在振荡喷嘴出口端出现的低压区不断变化，从积累到逐渐消失，然后又逐渐积累，即叶轮在旋转过程中，会对入口来流产生周期性扰动，进而引发压力脉动。该压力作用在下筒活塞及承压板上，对碟簧组及中心管可施加周期性作用力，驱动装置产生轴向振动。

以10 L/s排量，6片叶轮减摩装置为例。设定排量为10 L/s，通过可视化装置测定6叶片叶轮转速为82 r/min，监测装置内部流场稳定后在叶轮转动1圈时间内的压力变化规律。装置内部流体压力场分布云图如图4所示。可以看出，6个叶片周期性对来流施加扰动，叶轮每旋转1/6圈为一个波动周期。出口的压力脉动频率与叶轮转速相关，叶轮每转动1圈，出口压力波动发生6个周期性变化。通过模拟其他叶片数和排量下的流场，发现情况类似，即n个叶片每旋转1/n圈为一个波动周期，叶轮每转动1圈，出口压力波动发生n个周期性变化。

图4 不同时刻装置内部流体压力场分布云图Fig.4 Contours of total pressure in the tool at different moments

水力脉冲压力脉动幅值是指周期性脉动压力的最大值与最小值之差。监测装置入口和出口总压力随时间变化的规律，可以得到装置入口脉动压力幅值为1.43 MPa（如图5所示），出口脉动压力幅值为0.78 MPa（如图6所示）。

图5 装置入口总压随时间变化的规律Fig.5 Total pressure at the tool inlet vs time

图6 装置出口总压随时间变化的规律Fig.6 Total pressure at the tool outlet vs time

3.3.2 排量和叶轮叶片数对水力脉冲压力波动特性的影响规律

改变流体排量和叶轮叶片数，可以得到不同叶片数的Ø127型减摩装置入口和出口处脉动压力幅值随排量变化的关系，如图7、图8所示。通过数据拟合可以看出，不同叶片数减摩装置的入口脉动压力幅值、出口脉动压力幅值均随排量的增大而线性增大。保持排量不变，增加叶轮的叶片数，减摩装置入口及出口处的脉动压力幅值变小，脉动压力幅值随排量线性变化的程度趋缓。这是由于随着入口排量的加大，入口压力也会增大，并且因为来流流速的增加，叶轮的摩擦阻力增大，从而减摩装置的摩阻增大，但装置摩阻及压降的增幅明显小于装置入口压力的增幅，因此随着入口排量的增大，出口压力幅值也增大了。

图7 不同叶片数叶轮装置入口脉动压力幅值随排量变化的规律Fig.7 Effect of the blade number on the pressure fluctuation amplitude at the inlet at different flow rates

图8 不同叶片数叶轮装置出口脉动压力幅值随排量变化的规律Fig.8 Effect of the blade number on the pressure fluctuation amplitude at the outlet at different flow rates

为测试水力振荡减摩装置的工作状态、水力脉冲特性和振动性能，设计了试验方案，如图9所示。

图9 室内实验装置连接示意Fig.9 Lab test device

首先加工Ø127型减摩装置的各个零配件并进行装配，装置选用6叶片数的叶轮。组装好的水力振荡减摩装置两端分别与泥浆泵的进、回水管线连接，将一组压力传感器安装于水力脉冲射流发生部分的入口端，用于检测流体在进入减摩装置之前的压力情况。将另一组压力传感器安装于轴向振动部分的出口端，用于测量流体在装置出口处的压力变化。在轴向振动部分安装位移传感器，用于实时测量由水力脉冲压力诱发的轴向振动位移。

在不同流量条件下，测量了减摩装置的压力脉动频率及幅值、轴向振动位移等性能参数，如表2所示。可以看出，随着排量的增大，脉动频率和幅值、轴向振动位移均逐渐增大，且经过长时间循环试验，减摩装置工作性能稳定。轴向振动部分内中心管及传动管在上游周期性脉动压力的作用下，能够产生持续、稳定、低振幅的振动。

表2 Ø127型减摩装置的主要工作参数Table 2 Operating parameters of Ø127 type hydraulic oscillation friction reduction tool

排量10 L/s时，减摩装置轴向振动位移随时间变化的曲线如图10所示。可以看出，轴向振动部分内中心管及传动管在上游周期性脉动压力的作用下做往复运动，最大轴向振动位移是4.27 mm，最小是1.82 mm。

图10 排量为10 L/s时，轴向振动位移随时间变化的规律Fig.10 Axial vibration displacement vs time at flow rate of 10 L/s

水力振荡减摩装置在ZKX井进行现场试验，试验地层为含砾砂岩。钻具组合为：Ø215.9 mm钻头+Ø127型水力振荡减摩装置+Ø165 mm无磁钻铤×25根+Ø127 mm 加重钻杆×15根+Ø127 mm钻杆。试验井段为2506～2529 m（二开），纯钻时间24.7 h，进尺22 m，排量约30 L/s，所钻井段的施工参数如表3所示。

表3 水力振荡减摩装置现场试验施工参数Table 3 Field test parameters of the hydraulic oscillation friction reduction tool

图11～13分别对比了上部井段与试验井段的钻进扭矩、转速、机械钻速。可以看出，在现场施工参数基本不变的情况下，下入水力振荡减摩装置工作性能稳定；
维持转速基本恒定，下入装置后，钻进扭矩显著减小，波动范围2.9～7.7 kN·m，与上部井段相比，钻进扭矩降低了39.1%；
下入减摩装置后，机械钻速达到0.81～1.62 m/h，与上部井段相比提高了20.2%。这是因为水力脉冲压力与碟簧组相互作用，驱动井下管柱产生轴向振动，有效改善摩擦条件，有利于钻压传递，显著提高了钻进效率。

图11 钻进扭矩对比Fig.11 Drilling toque comparison

图12 转速对比Fig.12 Rotary speed comparison

图13 机械钻速对比Fig.13 ROP comparison

（1）钻井过程中使用轴向振动工具是降低管柱摩阻、提高钻井速度的重要手段。随着我国油气产业增产保供的压力日益增大，对钻井提速技术提出了更高要求。因此，加大水力振荡诱发轴向振动减摩钻井技术的研究力度，对我国高效开发油气资源具有实际意义。

（2）结合水力脉冲技术和轴向振动减摩技术，研制了Ø127型水力振荡减摩装置。该装置可用于直井、定向井、水平井和大位移井，在水力脉冲压力和碟簧的共同作用下实现管柱轴向振动，减小管柱与井壁或套管壁间的有效摩擦系数，显著减小钻进扭矩，提高机械钻速。

（3）数值模拟分析表明，水力振荡减摩装置压力脉动频率和幅值随排量的增加而变大；
叶轮的叶片数增加，装置的脉动压力幅值降低。室内试验和现场试验表明，在长时间循环试验中，减摩装置工作正常，能够产生低振幅振动；
压力脉动频率和振幅、轴向振动位移均随排量的增大而增大。

（4）研究结果验证了水力振荡减摩装置设计的可行性和振动的稳定性，可为水力脉冲振荡减摩技术研究和相关装置参数优化提供参考。

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