0 引 言

钻井实践表明，钻柱高频小幅振动，可显著减小滑动钻进过程中钻柱与井壁间的摩擦力，改善托压现象及钻压传递^[1]；同时，还可以减轻钻柱扭转振动，避免钻柱及钻头磨损，达到提高机械钻速的目的。水力振荡器可大幅度提高钻进效率，明显提高单趟进尺，使井眼轨迹更为平滑，井眼质量更高^{[1, 2, 3]}。水力振荡器可广泛应用于弯螺杆导向钻井和旋转导向钻井等钻井技术中，能有效解决钻井过程中出现的粘卡、托压和工具面摆放困难等问题。国外关于水力振荡器降摩减阻工具的研究取得了一定成果，在Eagle Ford页岩气开采过程中，水力振荡器在数口井中得到了应用，并取得了较好的效果^{[4, 5]}。在国内，涪陵焦石坝地区在页岩气开采过程中也应用了水力振荡器，显著提高了机械钻速^{[6, 7]}。刘华洁等^[8]研究了水力振荡器压降与流量的关系，但并未研究振荡频率、转速、流量之间的关系。李博^[9]针对特定阀盘尺寸的水力振荡器进行了相关研究，但阀盘参数对水力振荡器性能的影响并未涉及。在新沙21-28H井，由于受到钻井设备能力限制，排量仅仅达到了水力振荡器推荐排量的下限值^[10]，未能充分发挥水力振荡器的工作性能。因此，对水力振荡器性能影响因素进行分析很有必要。与数值模拟相比，水力试验更能充分体现水力振荡器的实际工作特性。因此，笔者结合试验装置，开展了阀盘参数对水力振荡器性能影响试验研究，试验结果可为水力振荡器的结构优化及现场使用提供理论依据。

水力振荡器由动力短节、阀门系统和振荡短节3部分构成，结构如图 1所示。动力短节主要包括转子和定子衬套，阀门系统关键部件为定阀盘和动阀盘，振荡短节主要由芯轴和碟簧构成。

图 1 水力振荡器结构示意图 Fig. 1 Structural schematic of hydraulic oscillator 1-振荡短节;2-动力短节;3-阀门系统。

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动力短节与钻井马达原理类似，主要由1∶2的螺杆组成，其主要作用是给阀门系统提供动力。螺杆下端连接一个动阀盘，钻井液流经动力短节时驱动螺杆转动，由于1∶2螺杆的摆动特性，其下端连接的动阀盘在一个平面内做往复运动。阀片系统是整个工具的核心，与动力短节连接，动阀盘和定阀盘通过端面紧密配合，螺杆的转动使动、定子阀盘的过流面积发生周期性变化，从而将流体的一部分动能转化为周期性的压力脉冲。当动阀盘与定阀盘重合面积最小时，流体流经阀门系统的过流面积最小，产生最大压降。当动阀盘与定阀盘完全重合时，流体流经阀门系统的过流面积最大，产生最小压降。阀门周期性的相对运动使芯轴处压力同步变化。

连续的压力脉冲通过振荡短节将压力能转化为可用的机械动力。压力脉冲作用到芯轴下端面，芯轴下移并压缩弹簧，当压力释放后，芯轴在弹簧作用下回复到原来位置，从而使芯轴产生周期性的轴向运动，其工作原理图如图 2所示。

图 2 水力振荡器工作原理示意图 Fig. 2 Working principle of the hydraulic oscillator

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水力振荡器性能与振动频率、压降、排量和动定阀匹配密切相关。基于控制变量法，针对设计的φ171.5 mm( in)水力振荡器，在不同定阀尺寸及流量下，对压降和振动频率进行测试分析，以期为水力振荡器的结构优化及现场应用提供理论依据。以清水为流体介质，通过钻井泵泵入清水，驱动水力振荡器动力短节的螺杆转动，螺杆下端的动阀与定阀间的过流面积周期性变化，从而产生周期性的压力脉冲，压力脉冲作用于芯轴及碟簧上，驱动工具振动。工具进、出口安装有压力传感器，用于测量其进、出口压力，测量结果如图 3所示。根据互相关功率谱(互相关功率谱排除入口和出口端其他干扰信号，保留相关的信号，如图 4所示)确定入口与出口端的相关频率，获得阀口闭合频率及工具压降。由于阀口闭合频率与工具振荡频率一致，所以可以得到工具的振荡频率。

图 3 进、出口压力随时间变化规律 Fig. 3 The inlet and outlet pressure versus time

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图 4 互相关功率谱 Fig. 4 The cross-correlation power spectrum

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水力振荡器两端分别与钻井泵进、出口管线连接，在水力振荡器两端安装有压力传感器，用于监测水力振荡器进、出口压力。先将阀口直径为30.5 mm(1.2 in)的定阀盘安装于水力振荡器阀盘系统中，开启钻井泵，进行清水循环，缓慢增加排量，直至1.8 m³/min，并实时监测记录进、出口压力。稳定一段时间后，关闭钻井泵，更换阀口直径为33.0 mm(1.3 in)的定阀盘，重复上述操作，分别测试不同定阀尺寸及流量下工具进、出口的压力。

试验时动阀尺寸及螺杆型号一定，测量不同定阀阀口直径下，水力振荡器在不同流量下的入口压力和出口压力。将所测数据通过傅里叶变换，计算出压力信号的互相关功率谱和频谱，从而计算出水力振荡器螺杆的转速和工具的平均压降，根据螺杆转速即可知道工具的振荡频率。试验测得不同定阀阀径d下流量与工具压差关系，如表 1所示，其变化规律如图 5所示。

图 5 不同阀径下压降与流量关系曲线 Fig. 5 Relationship between the pressure drop and flow rate under different valve diameter

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从表 1和图 5可知，当动阀尺寸及螺杆型号一定时，在相同定阀阀口直径下，流量越大压降越大；在相同流量下，阀口直径越大，压降越小。其原因是：①在相同定阀阀口直径下，流量越大，阀口处的流速增大，导致阀口处的局部水力损失增加，从而使得工具的压降增加；②在相同流量下，阀口直径越大，阀口处局部阻尼系数减小，工具的压降越小。

试验测得不同定阀阀径d下流量与振荡频率的关系如表 2所示。对阀径30.5 mm，在不同流量下的阀口闭合频率进行了线性拟合，其变化规律如图 6所示。

图 6 阀口闭合频率与流量关系曲线 Fig. 6 Relationship between the valve closure frequency and flow rate

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从表 2 和图 6可知，当动阀尺寸、螺杆型号以及定阀阀口直径一定时，流量越大，阀口闭合频率越大；在相同流量下，定阀阀口直径对阀口闭合频率的影响很小，即定阀阀口直径对阀的转速影响很小，决定阀转速的主要因素为螺杆自身结构，振荡频率与流量呈线性关系。

(1)当水力振荡器的动阀尺寸及螺杆型号一定时，在相同定阀阀口直径条件下，流量越大，压降越大；在相同流量下，定阀阀口直径越大，压降越小。

(2)当水力振荡器的动阀尺寸及螺杆型号一定，且定阀阀口直径相同时，流量越大，振荡频率越大；在相同流量下，定阀阀口直径对振荡频率的影响很小，即定阀阀口直径对阀的闭合频率影响很小，决定阀闭合频率的主要因素为螺杆自身结构。

(3)当动阀尺寸及螺杆型号一定时，振荡频率与流量呈线性关系。