水力振蕩器是近年來應(yīng)用較為廣泛的提速工具，采用水力振蕩器可以有效地消除水平井和大位移井鉆進(jìn)過程中的托壓效應(yīng)，提高鉆井效率。鑒于此，設(shè)計(jì)了閥式水力振蕩器。在工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合流體力學(xué)原理，分析控制閥運(yùn)動(dòng)過程中受力特征，建立控制閥運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。通過算例分析了控制閥的運(yùn)動(dòng)特性，研究了波動(dòng)壓力和振蕩頻率的變化規(guī)律。研究表明: 工具的波動(dòng)壓力峰值隨鉆井液排量和鉆井液密度的增加而增大，隨節(jié)流孔最小高度的增加而減小，而復(fù)位彈簧剛度和動(dòng)閥質(zhì)量對(duì)波動(dòng)壓力峰值影響較小; 工具振蕩頻率隨鉆井液排量、鉆井液密度、節(jié)流孔最小高度和動(dòng)閥質(zhì)量增加而減小，隨復(fù)位彈簧剛度增加而增大。所得結(jié)論可為工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

隨著非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)，水平井和大位移井的比例越來越高，以提高目標(biāo)地層的開采效率。然而，在水平井和大位移井鉆進(jìn)過程中，由于井筒與井壁之間的接觸面積不斷增大，鉆柱的摩擦阻力顯著增大，易形成托壓現(xiàn)象，嚴(yán)重限制了機(jī)械鉆速的提升。為了解決鉆柱摩阻大的問題，常采用加裝振動(dòng)減摩工具、在鉆井液中添加潤滑劑以及優(yōu)化井眼軌跡等技術(shù) 。水力振蕩器是一種能夠帶動(dòng)井下鉆柱產(chǎn)生周期性軸向振動(dòng)的機(jī)械裝置，用于改善鉆柱與井壁或套管間的摩擦條件，以提高鉆進(jìn)效率 。該工具已成為世界上最受歡迎的振動(dòng)式減摩減阻工具之一，并得到了廣泛應(yīng)用與研究。目前，國內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)提出了不同結(jié)構(gòu)類型的水力振蕩器，具體可分為螺桿驅(qū)動(dòng)式 、葉片驅(qū)動(dòng)式和渦輪驅(qū)動(dòng)式。雖然螺桿等類型的水力振蕩器能有效提高鉆井效率，但也存在節(jié)流閥盤易磨損和壓耗偏大等問題，需要進(jìn)一步改善。為此，筆者提出閥式水力振蕩器，在工具結(jié)構(gòu)與工作原理分析的基礎(chǔ)上，建立控制閥的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，分析控制閥的運(yùn)動(dòng)過程，研究了工具性能參數(shù)的變化規(guī)律，以期為閥式水力振蕩器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供借鑒。

結(jié)構(gòu)

閥式水力振蕩器主要由振蕩短節(jié)和閥式控制短節(jié)兩部分組成，如圖 1 所示。其中，振蕩短節(jié)主要包括振蕩心軸、傳動(dòng)短節(jié)、碟簧組和承壓活塞; 閥式控制短節(jié)主要包括啟動(dòng)閥、啟動(dòng)閥調(diào)節(jié)彈簧、動(dòng)閥和動(dòng)閥復(fù)位彈簧等。

工作原理

在鉆井過程中，振蕩短節(jié)上端接頭連接上部鉆柱，閥式控制短節(jié)下端接頭與下部鉆柱相連。工具工作過程中，鉆井液經(jīng)工具、鉆頭流入井眼環(huán)空。啟動(dòng)閥在內(nèi)外壓差力的作用下運(yùn)動(dòng)至設(shè)定位置，啟動(dòng)閥堵頭與動(dòng)閥側(cè)壁節(jié)流孔重合，動(dòng)閥節(jié)流孔高度達(dá)到最小值，流道過流面積減小，在動(dòng)閥上下兩端面形成壓差。動(dòng)閥在壓差力的推動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)，節(jié)流孔過流面積逐漸增大。當(dāng)動(dòng)閥向下運(yùn)動(dòng)至極限位置后，動(dòng)閥在復(fù)位彈簧彈性力的作用下開始上行復(fù)位，節(jié)流孔過流面積逐漸減小。動(dòng)閥沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使節(jié)流孔過流面積周期性改變，從而在振蕩短節(jié)承壓活塞端面產(chǎn)生周期性波動(dòng)壓力。當(dāng)波動(dòng)壓力增大時(shí)，鉆井液壓力推動(dòng)承壓活塞和振蕩心軸壓縮碟簧組，心軸伸出; 當(dāng)壓力減小時(shí)，在碟簧組彈性力作用下，心軸復(fù)位。在周期性波動(dòng)壓力推動(dòng)下，振蕩心軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使鉆柱產(chǎn)生周期性軸向振動(dòng)，減小工具與井壁間的摩擦，減輕托壓現(xiàn)象，達(dá)到提高鉆井效率的目的。