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井底交变流场提速工具的研制及特性测试
樊继强     
中石化华东石油工程公司江苏钻井公司
摘要: 现有脉冲射流发生工具存在脉冲强度沿程损耗大、提速效果不明显的问题。为此,研制了一种新型井底交变流场提速工具。该工具主要由叶轮式动力机构和盘阀式脉冲发生机构组成,通过将脉冲发生机构放入钻头内部的方法来减少脉冲强度沿程损耗。采用室内试验方法对其脉冲特性进行研究。研究结果表明:叶轮倾角的增大会提高叶轮转速;随排量的增加,叶轮转速先趋于线性增加,最终稳定在500~600 r/min,当盘阀孔数为2、3、4时,对应的脉冲频率分别稳定在20、30、40 Hz左右,当排量为23 L/s时,工具压耗最大为0.6 MPa,压力波动幅值最大1.6 MPa,且脉动幅值随盘阀孔数减少而增大。最后对井底交变流场提速工具结构参数进行了优选,即动力机构优选叶片倾角为30°的叶轮,脉冲发生机构优选2扇形孔盘阀。研究结果可为井底交变流场提速工具及相似工具的优化设计提供依据。
关键词: 钻井提速    叶轮    盘阀    脉冲振幅    脉冲频率    优化设计    
Development and Characteristic Test of Downhole Alternating Flow Field ROP Enhancing Tool
Fan Jiqiang     
Jiangsu Drilling Company, Sinopec East China Oil Engineering Company Limited
Abstract: Existing pulse jet tools have the problems of large pulse intensity loss and inferior ROP enhancement performance. To address the problem, a new type of downhole alternating flow field ROP enhancing tool is developed. The tool is mainly composed of an impeller-type power mechanism and a disc valve-type pulse generating mechanism. By placing the pulse generating mechanism inside the drill bit, the pulse intensity loss is reduced. Laboratory tests are conducted to study its pulse characteristics. The results show that the increase of impeller angle will increase the impeller speed. With the increase of displacement, the impeller speed tends to increase linearly, and finally stabilizes at 500~600 r/min. When the number of disc valve holes is 2, 3 and 4, the corresponding pulse frequency is stabilized at about 20 Hz, 30 Hz, and 40 Hz, respectively. When the displacement is 23 L/s, the maximum pressure loss is 0.6 MPa, and the maximum pressure fluctuation amplitude is 1.6 MPa. The pressure fluctuation amplitude increases with the decrease of the number of disc valve holes. The structural parameters of the downhole alternating flow field ROP enhancing tool are selected. The power mechanism has an impeller with an optimal blade inclination angle of 30°, and the 2 fan-shaped hole disc valve is selected for the pulse generating mechanism. The study can provide a basis for the optimization design of the downhole alternating flow field ROP enhancing tool and similar tools.
Keywords: ROP enhancing    impeller    disc valve    pulse amplitude    pulse frequency    optimal design    

0 引言

钻井工程中机械钻速的提高[1-3]对提升开采效率起着不可或缺的作用,尤其对深井、超深井[4]、海洋[5]以及干热岩的开发[6],能够有效缩短钻井周期,提高经济效益。脉冲射流钻井技术能够有效利用井底水力能量,提高井底流体的清岩和辅助破岩效率,从而提高机械钻速,因此受到了广泛的关注[7-9]

史怀忠等[10]提出了一种叶轮结构水力脉冲空化射流发生器,将进入钻头的钻井液由常规连续流动调制成振动脉冲流动,在喷嘴出口形成脉冲空化射流, 使其在井底欠平衡状态下产生水力脉冲、空化冲蚀和局部负压效应,从而更好地改善井底流场、提高井底净化能力和辅助破岩,在现场应用中取得了较好的提速效果。李玮等[11]研制了一种自激振荡式脉冲射流发生器,它利用赫姆赫兹共振腔原理将连续的钻井液流调制为非连续脉冲射流。雷鹏等[12]应用自激振荡腔原理设计了一款振动冲击器,它通过机械阻断作用产生脉冲效果,兼具振动冲击和脉冲射流的双重作用。倪红坚和杜玉昆等[13-14]设计了一种脉冲射流发生工具,高速的钻井液从钻柱中心射流进入腔室,在腔室两侧形成低压区,钻柱壁面上开设导流孔,环空内流体在压差作用下进入腔室,形成脉冲射流。江苏钻井公司的邵冬冬等[15]设计了一种盘阀式脉冲发生装置,该装置采用叶轮为其提供动力,驱动盘阀旋转,使过流面积产生变化,进而达到脉冲射流的效果。但这些工具均存在脉冲强度沿程损耗大,最终提速效果不明显的问题。因此,本文提出一种新型脉冲射流发生工具,通过将脉冲发生机构放入钻头内部的方法来解决这一问题,同时通过特性测试的方法,研究工具核心部件结构对脉冲效果的影响,以期为该工具及相似工具的优化设计提供依据。

1 井底交变流场提速工具 1.1 结构

井底交变流场提速工具三维结构如图 1所示,主要由动力机构和脉冲发生机构组成。动力机构为一带有轴承座的轴流式叶轮,脉冲发生机构由动盘阀和静盘阀组成,被放置于特殊设计的钻头内腔中,动盘阀通过叶轮轴与叶轮相连。

1—本体;2—叶轮;3—动盘阀;4—PDC钻头;5—静盘阀;6—轴;7—轴承座。 图 1 井底交变流场提速工具示意图 Fig.1 Schematic diagram of the downhole alternating flow field ROP enhancing tool

1.2 工作原理

钻井液通过轴承座导流作用在轴流叶轮上,带动叶轮轴转动。旋转的叶轮带动叶轮轴上的动盘阀转动。动盘阀和静盘阀上均布有扇形孔,在动盘阀旋转过程中,其上的扇形孔和静盘阀上的扇形孔交替地重合、错开,使过流面积发生变化,从而将连续的钻井液流调制为脉冲射流。

2 工具测试件建模、加工及特性测试 2.1 建模与加工

井底交变流场提速工具特性测试件由本体、螺母、轴承盖、轴承、轴承座、叶轮、轴、垫块、动盘阀及静盘阀组成。本体上、下均用由壬与两端装有压力传感器的接头连接,以便于测试过程中工具的拆卸;静盘阀固定于本体下端的垫块内;动盘阀安装于轴的下端,与静盘阀间隙2 mm左右;叶轮装于轴上,通过轴与下端的盘阀相连;轴承座承托止推轴承装在轴承座的两侧,上端用螺母压紧,盘阀以上的整个芯部机构通过轴承座悬挂于本体上限位台阶处。使用SolidWorks软件建立工具模型,如图 2所示,并出具测试件加工图纸,对零部件进行加工,结果如图 3所示。

1—本体;2—轴承盖;3—轴承;4—叶轮;5—动盘阀;6—垫块;7—定盘阀;8—轴;9—轴承座;10—螺母。 图 2 井底交变流场提速工具内部结构及核心部件 Fig.2 The internal structure and core components of the downhole alternating flow field ROP enhancing tool

图 3 加工零部件示意图 Fig.3 Photo of the tool parts

2.2 工具特性测试 2.2.1 测试方案

为更清晰地了解结构对工具脉冲特性的影响,对井底交变流场提速工具测试件进行测试研究,重点测试工具出口处的压力脉动参数,以期为脉冲式井底交变流场提速工具的优化设计提供参考。

制定井底交变流场工具试验方案,分析钻井液排量、动力机构和脉冲发生机构的结构对工具脉冲特性的影响规律,共试验6组。针对动力机构,主要改变叶轮的叶片倾角,针对脉冲发生机构主要改变盘阀孔数,试验参数如表 1所示。

表 1 试验参数 Table 1 Test parameters
序号 叶片倾角/(°) 盘阀孔数/个 排量/(L·s-1)
1 30 2 6
2 35 3 9
3 4 12
4 20
5 23

试验系统主要包括循环系统和测试系统。循环系统包括F1000钻井泵、入流管汇、出流管汇、分流管汇、试验架和钻井液罐;测试系统包括流量计、压力传感器和计数器、数据采集系统和采集终端等。试验装置如图 4所示。

1—入流管汇;2—出流管汇;3—压力传感器;4—工具试验件;5—水平试验架。 图 4 试验装置 Fig.4 Test device

利用该试验装置,通过改变钻井液排量,测试并且分析脉冲式井底交变流场所产生的脉冲特性。将压力传感器安装在测试工具出口来采集压力数据,获得工具压耗及产生的脉动特性。具体测试步骤如下:

(1) 装配脉冲式井底交变流场提速工具,然后将其安装固定于试验架上。

(2) 连接循环管汇,包括分流阀和流量计等。

(3) 安装压力传感器、计数器,并连接数据采集系统。

(4) 检查测试系统的连接情况以及数据采集系统的运行情况。

(5) 启动钻井泵,低压试运行。

(6) 开启测试工具前端分流阀,并逐渐关闭直接回流管汇分流阀,测试不同排量下工具的脉冲特性。

(7) 测试结束后,关闭钻井泵,分析并处理数据,卸下脉冲式井底交变流场提速工具。

2.2.2 测试过程

将装配好的工具测试件放置于水平试验架上后,从装入端转动内部动力机构顶端,确定水平放置状态下工具能够周向转动自如,通过螺栓顶紧轴承座防止其旋转,用链钳将试验件出入口与循环管汇连接。

在试验件出口安装两个压力传感器,再将压力传感器连接至数据采集系统,动盘阀位置对应本体上安装计数器,计数器通过感应安装在动盘阀侧面的磁石,记录盘阀转过的圈数。

开始测试前,确认数据采集系统对应压力传感器连接正常(对应指示灯为绿色),确认管汇连接正常,各个阀门均处于正常开启状态。

测试开始后,逐渐打开通向测试设备回路的分流阀,之后逐渐关闭直接回流水箱的分流阀,以调节至合适排量,并保持一段时间。通过传感器与计数器采集压力及转速数据,并通过数据采集系统连接的电脑收集储存压力数据。

在测试过程中,通过观察测试件、分析压力和转速数据,进行工具结构的微调,弥补设计时未考虑到的情况,例如:安装在动盘阀上与计数器配合的磁石易被钻井液冲掉,对其进行电焊以增加其连接强度,提高转速计数器的准确性。

测试结束后,拆卸设备和压力传感器等设备,观察内部动力机构位置及状态。

3 测试结果及分析 3.1 出口压力分析

选取排量为20 L/s,对工具出口压力进行分析。图 5表示叶轮倾角为30°、盘阀孔数为2时工具的出口压力。

图 5 叶轮倾角为30°、盘阀孔数为2时工具的出口压力 Fig.5 Tool outlet pressure with 30°of the impeller inclination angle and 2 of the disc valve hole number

图 5可知:当排量为20 L/s时,井底交变流场提速工具能够顺利产生压力波动;当叶轮倾角为30°、盘阀孔数为2时,压力波动幅值在1 MPa左右。

3.2 叶轮转速分析

不同排量和结构参数对工具动力机构转速的影响如图 6所示。

图 6 排量和结构参数与叶轮转速的关系曲线 Fig.6 Effect of displacement and structural parameters on the impeller speed

图 6可知:随着排量的增大,叶轮转速先趋于线性增加,当排量达到10 L/s左右时,转速趋于最高,之后略有降低,最终稳定在500~600 r/min;倾角35°的叶轮转速均高于倾角30°的叶轮转速。这是因为叶片倾角越大,钻井液最终的周向速度越大,根据动量守恒定理,作用于叶轮的扭矩就越大,形成的转速越高。

3.3 脉冲特性分析

不同结构参数和不同排量对工具压耗、压力波动幅值和压力波动频率的影响如图 7~图 9所示。

图 7 排量和结构参数与压耗的关系曲线 Fig.7 Effect of displacement and structural parameters on the pressure loss

图 8 排量和结构参数与压力波动频率的关系曲线 Fig.8 Effect of displacement and structural parameters on the pressure fluctuation frequency

图 9 排量和结构参数与压力波动幅值的关系曲线 Fig.9 Effect of displacement and structural parameters on the pressure fluctuation amplitude

图 7可知:随着排量的增大,压耗逐渐增大;盘阀孔个数相同时,35°叶轮倾角工具所产生的压耗高于30°叶轮倾角工具所产生的压耗,这是因为随着叶片倾角增大,更多的钻井液能量转化为叶轮的动能,故产生的压耗越高;当叶轮倾角相同时,随着盘阀孔数的增加,压耗逐渐增大,这是因为盘阀孔数增多时,总过流面积减小,导致压耗增大;当排量为23 L/s时,工具所产生的压耗最大为0.6 MPa,最小为0.30 MPa。

图 8可知:随着排量的增大,脉冲频率先增大最后趋于稳定,这是因为脉冲频率与叶轮转速相关,转速越大,过流面积变化越快,而叶轮转速随排量的增加趋于稳定,故脉冲频率也趋于稳定。叶轮倾角相同时,随盘阀孔数增加,脉冲频率呈增加趋势,这是因为随着盘阀孔数的增加,过流面积交替变化增快,导致脉动频率增高,且盘阀孔数为2、3、4时,对应的脉冲频率最终分别稳定在20、30、40 Hz左右;盘阀孔数相同时,具有35°叶轮倾角工具所产生的频率高于具有30°叶轮倾角工具,这是因为叶轮倾角为35°时,相同排量导致的叶轮转速较大,从而引起更快的过流面积变化,产生相对较大的脉冲频率。

图 9可知:随着排量的增大,压力脉动幅值呈增加趋势;当叶轮倾角相同时,盘阀孔数减少,脉动幅值增加,这是因为随着孔数的增加,过流面积交替变化,盘阀孔数越多脉动频率越高,当脉动频率高于脉冲效果的传播速度时,此时脉冲效果得到了弱化,导致流体对压力的响应迟缓,造成了脉动幅值的降低,但当叶轮倾角为35°时,4孔盘阀产生的压力波动幅值高于3孔盘阀产生的压力波动幅值,这是因为试验时还未达到足够的排量,导致3孔盘阀产生的现有压力波动幅值较低;当盘阀孔数相同时,30°叶轮工具产生的振幅高于35°叶轮,这是因为相同排量下,35°叶轮转速较大,导致脉冲频率较高,减弱了脉冲效果;当排量为23 L/s时,工具所产生的压力波动幅值最大为1.6 MPa,最小为0.5 MPa。

3.4 工具结构优选

通过分析测试结果,优选井底交变流场工具结构参数:动力机构叶轮和轴承座叶片倾角取30°,脉冲发生机构盘阀扇形孔数取2个,测试排量为23 L/s时,压耗为0.3 MPa,压力波动幅值为1.6 MPa,频率约为20 Hz。

4 结论

井底交变流场提速工具通过将脉冲发生机构放入钻头内部的方法来减少脉冲强度沿程损耗。采用特性测试的方法研究了排量与工具核心部件结构对脉冲效果的影响,得到以下结论。

(1) 随着排量的增大,叶轮转速先呈线性增加,最终稳定在500~600 r/min,脉冲频率先增大后趋于稳定,且盘阀孔数为2、3、4个时,对应脉冲频率分别稳定在20、30、40 Hz左右,压耗和脉动幅值逐渐增大,当排量为23 L/s时,压耗最大为0.6 MPa,压力脉动幅值最大为1.6 MPa。

(2) 相对于叶片倾角为30°的工具,叶片倾角为35°的工具具有较高的叶轮转速、压耗和脉冲频率,较低的脉动幅值;随盘阀孔数的增加,压耗逐渐增大,脉动幅值减小,脉冲频率增大。

(3) 优选井底交变流场工具结构参数:动力机构叶片倾角为30°的叶轮,脉冲发生机构优选2扇形孔盘阀;当测试排量为23 L/s时,压耗为0.3 MPa,压力波动幅值达到1.6 MPa,频率在20 Hz左右。

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文章信息

樊继强
Fan Jiqiang.
井底交变流场提速工具的研制及特性测试
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石油机械, 2020, 48(6): 37-42
China Petroleum Machinery, 2020, 48(6): 37-42.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2020.06.006

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收稿日期: 2020-01-10

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