2. 川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院 ;
3. 中国石化石油工程技术研究院
2. Drilling and Production Engineering Technology Research Institute, CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company Limited ;
3. SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering
0 引 言
托压现象一直是制约大斜度井、水平井及水平分支井等复杂结构井开发的重要因素[1-3]。尤其在滑动钻进过程中，托压粘卡现象将影响全井平均钻速及钻井周期，增加钻井成本[4-6]。国内外专家已采取各种措施解决这一问题，其中S.KJELL-INGE[7]设计了一种双作用液压缸的减摩器，它利用内、外阀的开关切换和流体的压差流动，使内、外筒做往复运动，钻柱产生轴向运动，以减小摩擦阻力。美国国民油井华高公司研发了轴向振动减摩降扭工具，W.RASHEED、E.MAIDLA和M.H.AL-BUALI等[8-10]分别阐述了轴向振荡减摩器在连续管钻井中的应用情况，由于其减摩效果良好，所以其应用范围扩大到水平井、大斜度井和大位移井等定向钻井领域。刘志坚等[11]对ø172 mm水力振荡器在川西中浅水平井的应用进行研究，分析了水力振荡器的功能及技术优势。刘华洁等[12]设计的水力振荡器与目前使用的水力振荡器主要工作原理相同，它是利用阀盘过流面积交错变化产生压力脉冲，进而产生周期性轴向振动，将钻具与井壁或套管静摩擦变为动摩擦，从而减小摩阻。
E.MAIDLA的研究结果表明：附加的机械往复扭摆运动可使整个钻柱在弯曲井段下部与井眼低边接触面上产生轴向摩擦阻力和周向摩擦扭矩[13]，该阻力和扭矩远小于常规滑动钻进中所受到的综合摩擦阻力，摩擦载荷可得到大幅度释放[14]。
在上述2种减阻机理研究的基础上，笔者设计了一种三维水力振荡器。该水力振荡器可以在井下实现扭摆运动以及轴向振动，同时具有上述2种减阻器的优点，具有更好的降摩减阻效果。
1 技术分析 1.1 结构及工作原理三维水力振荡器主要由压紧套、密封装置、止推轴承、调整套A、扶正轴承、涡轮组、外壳内凸块、分流环、外壳外凸块、外壳和主轴组成，结构如图 1所示。
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| 图 1 三维水力振荡器结构示意图 Fig.1 Structural schematic of the 3D hydraulic oscillator 1—转换接头；2—压紧套；3、13—密封装置；4、12—止推轴承；5—调整套A；6、8—扶正轴承；7—涡轮组；9—外壳内凸块；10—分流环；11—外壳外凸块；14—外壳；15—主轴。 |
钻井液从流道进入涡轮部分，定子与主轴固定不动，涡轮转子旋转，并带动外壳一起旋转。三维水力振荡器外壳前、后分别有2块对称分布的凸块，当井壁接触到凸块最高点时，钻具其他部分脱离井壁，仅有凸块部分与井壁接触。随着外壳旋转，外壳凸块脱离最高点，进入倾覆过程，随之外壳主体部分与井壁接触，三维水力振荡器产生径向振动。由于三维水力振荡器前、后均接钻杆，随着外壳与井壁之间周期性的相对运动，在重力影响下，在井壁下半部分可形成一个扭摆运动。
动定阀结构如图 2所示。其外壳后部设置有内凸块，主轴上均匀分布对应的3个流道口，流道口宽度略大于凸块宽度。当钻井液带动涡轮转子与外壳一起旋转时，内凸块与流道口之间实现周期性的开合，形成动、定阀的交错。流体水击可产生周期性的压力脉冲，从而产生轴向振动。
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| 图 2 动定阀结构示意图 Fig.2 Schematic diagram of the valve port |
1.2 主要技术参数
工具外径172 mm，振动频率15~20 Hz，总长3 150 mm，压力脉冲范围0.03~2.90 MPa，流量20~30 L/s，扭摆区间长度2 000 mm。
2 压力脉冲计算在工作过程中，三维水力振荡器阀口部位产生的压力脉冲将决定其轴向振动效果，压力脉冲幅值越大，轴向振动效果越好。因此对三维水力振荡器的阀口进行压力脉冲计算，可以实现三维水力振荡器降摩减阻性能评估。
设流道口宽度对应的圆心角为β，凸块宽度对应的圆心角为α，流道口长度为l。外圈周长C=2πR(R为外圈半径)，凸块右边缘与流道口刚好重合时为初始位置(见图 3)。
随着凸块的旋转，在t=0~α/(2πn)时间段内，过流面积逐渐减小，其表达式为：
(1)
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| 图 3 凸块与流道初始位置 Fig.3 The initial position of the convex |
当内凸块处于流道口宽度内，在t=α/(2πn)~β/(2πn)时间段内，过流面积最小，表达式为：
(2) 当t=β/(2πn)~(α+β)/(2πn)时，过流面积为：
(3) 式中：n为涡轮转速，r/s；t为时间,s。
当内凸块完全阻挡流体流进流道口，在t=(α+β)/(2πn)~α/(πn)时间段内，过流面积最大，其表达式为：
(4) 将交替改变的过流面积代入压力脉冲幅值设计准则[17]，于是有：
(5) 式中：ρ为钻井液密度，kg/m3；Q为钻井液流量，m3/s；A为流通面积，m2；Cd为流量系数，Cd=0.6~0.8；Δp为压降，MPa。
三维水力振荡器脉冲随时间变化规律如下：
(6) 
(7) 
(8) 
(9) 为提高降摩效率，不影响井下导向马达方位控制，对三维水力振荡器影响区间进行分析，确定其作用区间长度，优化其安放位置。以整个钻柱为研究对象，将三维水力振荡器安装在钻柱中间。为方便研究，将其等效为梁单元，如图 4所示。图中B、C为外凸块位置，L1为凸块高度，L为三维水力振荡器影响区间。根据圣维南原理，将梁单元设定为400 m，在一端施加铰接约束，另一端施加轴向位移自由约束，凸块部分施加位移约束，载荷为重力载荷，建立有限元模型进行分析。
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| 图 4 三维水力振荡器安放示意图 Fig.4 Installation position diagram of 3D hydraulic oscillator |
计算不同凸块高度下三维水力振荡器影响区间，如图 5所示。从图可以看出，三维水力振荡器作用范围在20 m左右。为了不影响井下导向马达方位控制，三维水力振荡器应安放在距离导向马达20 m以上位置，同时可根据三维水力振荡器作用区间确定其在钻柱中的安放位置，以达到更好的降摩减阻效果。
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| 图 5 最大偏移量的影响区间 Fig.5 The impact zone of the maximum offset |
4 实例分析
以外径172 mm三维水力振荡器为研究对象。设转速5 r/s，主轴半径35 mm，流道口长80 mm，β=π/3，α=5π/18，Q=30 L/s。为更直观地表示压降关系，取过流面积最大时为初始位置进行分析，横坐标用角度(θ=2πnt)表示，得到三维水力振荡器过流面积以及压降随转角变化曲线，如图 6和图 7所示。从图 6和图 7可以看出，当过流面积最小时，可以获得最大压降2.90 MPa，随过流面积的增大，压降逐渐减小，当过流面积最大时，压降最小为0.03 MPa。三维水力振荡器可以形成0.03~2.90 MPa的压降，因此其轴向具有较好的降摩减阻效果。
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| 图 6 过流面积随角度变化曲线 Fig.6 The effect of angle on flow area |
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| 图 7 压降随角度变化曲线 Fig.7 The effect of angle on pressure drop |
5 结 论
(1) 在轴向振动降摩减阻以及钻柱扭摆释放井下摩阻原理基础上，设计了三维水力振荡器。该振荡器可同时实现轴向振荡以及扭摆运动，可有效释放井下摩阻，提高钻井效率，降低钻井成本。
(2) 研究结果表明：当三维水力振荡器压力脉冲范围为0.03~2.90 MPa时，其具有较好的轴向振荡效果。三维水力振荡器安放位置与导向马达距离保持在20 m以上，可保证导向马达不受三维水力振荡器的影响。
| [1] | 马孝春, 王贵和, 李国民. 钻井工程. 北京:地质出版社[M]. 2010 |
| [2] | 郭元恒, 何世明, 刘忠飞, 等. 长水平段水平井钻井技术难点分析及对策[J]. 石油钻采工艺, 2013, 35 (1) : 14–18 . |
| [3] | NEWMAN K R.Vibration and rotation considerations in extending coiled-tubing reach[C]//SPE/ICOTA Coiled Tubing and Well Intervention Conference and Exhibition.Woodlands,USA,2007. |
| [4] | 苏义脑, 窦修荣, 王家进. 减摩工具及其应用[J]. 石油钻采工艺, 2005, 27 (2) : 78–80 . |
| [5] | 陈朝伟, 周英操, 申瑞臣, 等. 连续管钻井减摩技术综述[J]. 石油钻探技术, 2010, 38 (1) : 29–31 . |
| [6] | 余志清. 降摩阻短节在定向钻井及水平钻井中的应用[J]. 钻采工艺, 1999, 22 (1) : 66–67 . |
| [7] | KJELL-INGE S,BJORNAR L.New downhole tool for coiled tubing extended reach[R].SPE60701, 2000. |
| [8] | RASHEED W.Extending the reach and capability of non rotating BHAs by reducing axial friction[R].SPE68505,2001. |
| [9] | MAIDLA E.Understanding torque:The key to slide-drilling directional wells[R].SPE87162,2004. |
| [10] | AL-BUALI M H.Maximizing coiled tubing reach during logging extended horizontal wells using e-line agitator[R].SPE127399,2009. |
| [11] | 刘志坚, 李榕. ø172 mm水力振荡器在川西中浅水平井的应用[J]. 天然气技术与经济, 2012, 6 (6) : 37–39 . |
| [12] | 刘华洁, 高文金, 涂辉, 等. 一种能有效提高机械钻速的水力振荡器[J]. 石油机械, 2013, 41 (7) : 46–48 . |
| [13] | MAIDLA E,HACI M,SLIDER L L C.et al .Field proof of the new sliding technology for directional drilling[C]//IADC/SPE 92558 at the SPE/IADC Drilling Conference held in Amsterdam,The Netherlands,February 23-25,2005. |
| [14] | 归柯庭, 汪军, 王秋颖. 工程流体力学[M]. 北京: 科学出版社, 2015 |