左 凱，馬認(rèn)琦，李 寧，郝宙正，白元彬，邢志彪

水力脈沖提速工具作業(yè)性能分析

左 凱，馬認(rèn)琦，李 寧，郝宙正，白元彬，邢志彪

（中海油能源發(fā)展監(jiān)督監(jiān)理技術(shù)公司，天津300452）

水力脈沖提速工具用于油氣田鉆井作業(yè)，可顯著提高鉆井效率。利用流體分析軟件，建立了水力脈沖提速工具內(nèi)部三維動(dòng)態(tài)流場(chǎng)分析模型。通過對(duì)內(nèi)部部件導(dǎo)流面角度、葉輪齒數(shù)、振蕩腔長(zhǎng)度等多組數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得出了影響出口壓力、葉輪轉(zhuǎn)速、脈沖頻率因素的理論數(shù)據(jù)，確定了不同因素改變引起的水力脈沖提速工具性能的變化規(guī)律。為此類工具參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

水力脈沖；出口壓力；流速；轉(zhuǎn)速；脈沖頻率

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在油氣田鉆井提速工具研究上積累了大量經(jīng)驗(yàn)，不少產(chǎn)品問世并用于各大油田，尤其是水力脈沖技術(shù)在鉆井工藝中的廣泛應(yīng)用［1-2］。目前，水力脈沖提速工具還只能應(yīng)用于指定地層，并不具有通用性，限制了產(chǎn)品大面積應(yīng)用。因此，對(duì)水力脈沖技術(shù)和相應(yīng)工具作研究與分析，尋找出水力脈沖工具優(yōu)化設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇的規(guī)律，對(duì)今后設(shè)計(jì)通用型水力脈沖鉆井提速工具有較高參考價(jià)值。本文通過對(duì)水力脈沖提速工具的作業(yè)性能分析，確定影響工具出口壓耗、流速和脈動(dòng)壓力的結(jié)構(gòu)因素，為提速工具的結(jié)構(gòu)改進(jìn)與性能優(yōu)化提供參考。

1 結(jié)構(gòu)原理

水力脈沖提速工具基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，導(dǎo)流體置于本體內(nèi)腔頂部，改變鉆井液流動(dòng)方向和速度，對(duì)葉輪葉片產(chǎn)生切向力，促使葉輪連續(xù)不斷高速旋轉(zhuǎn)。葉輪高速旋轉(zhuǎn)連續(xù)改變流道面積，產(chǎn)生脈沖擾動(dòng)［3］。葉輪總成產(chǎn)生水力脈沖，相對(duì)于自激振蕩腔室入口為有源脈沖，位于工具最底部自激振蕩腔室對(duì)水力脈沖信號(hào)放大并產(chǎn)生流體諧振，當(dāng)其通過振蕩腔室出口收縮截面進(jìn)入諧振噴嘴時(shí)，產(chǎn)生壓力波動(dòng)，這種壓力波動(dòng)又反射回諧振腔形成反饋壓力振蕩，從而在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生流體聲諧共振，在流體出口段產(chǎn)生強(qiáng)烈脈動(dòng)脈沖空化渦環(huán)流，以波動(dòng)壓力方式?jīng)_擊井底［4］。

圖1 水力脈沖提速工具結(jié)構(gòu)

2 三維模型建立

利用SOLIDWORKS軟件建立水力脈沖工具基本結(jié)構(gòu)三維模型?；诠ぞ呓Y(jié)構(gòu)三維模型提取其內(nèi)部流場(chǎng)區(qū)域，導(dǎo)入FLUENT軟件進(jìn)行流場(chǎng)分析。將流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，葉輪與振蕩腔區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)工具最關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格劃分較密，且葉輪結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分為六面體，如圖2所示。

圖2 水力脈沖提速工具內(nèi)部三維流場(chǎng)網(wǎng)格

根據(jù)流體網(wǎng)絡(luò)理論，振蕩腔固有頻率為

式中：a為當(dāng)?shù)芈曀伲籄為入口面積；V為腔室容積；L為腔室長(zhǎng)度。

由式（1）可知，影響振蕩腔固有頻率的結(jié)構(gòu)因素主要包括：入口直徑、出口直徑、腔室內(nèi)徑和腔室長(zhǎng)度。計(jì)算得水力脈沖結(jié)構(gòu)內(nèi)振蕩腔固有頻率為147 Hz。

流體流經(jīng)腔室內(nèi)的漩渦泄放頻率為

式中：St為斯托勞哈數(shù)；D為振蕩腔內(nèi)徑；v為振蕩腔內(nèi)流體速度。

影響流體漩渦泄放頻率的主要因素包括：流體速度（排量）、振蕩腔內(nèi)徑和斯托勞哈數(shù)。其中，入口直徑和葉輪結(jié)構(gòu)尺寸可對(duì)流體速度產(chǎn)生顯著影響［5］。

國(guó)內(nèi)外研究表明，當(dāng)流體漩渦泄放頻率與振蕩腔固有頻率接近時(shí)，振蕩腔結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生共振脈沖。

3 作業(yè)性能分析

取入口處排量為2 m3／min，通過流場(chǎng)分析，可得工具內(nèi)三維流速和壓力分布如圖3～4所示。由圖3可知：葉輪邊緣和振蕩腔出口處的流速顯著大于其他區(qū)域，最大流速可達(dá)76 m／s，即此工具可利用葉輪的快速轉(zhuǎn)動(dòng)使流體漩渦泄放頻率增大并接近振蕩腔固有頻率，從而產(chǎn)生脈沖效應(yīng)。圖4中，在葉輪邊緣和振蕩腔出口處可見明顯的負(fù)壓，說(shuō)明工具可產(chǎn)生負(fù)壓效應(yīng)。

圖3 工具內(nèi)流速分布

水力脈沖工具出口處的壓力波動(dòng)曲線如圖5所示，壓力波動(dòng)頻率為25 Hz，壓力幅值為0.49 MPa，壓力均值為－0.145 MPa，整個(gè)工具壓耗為0.9 MPa。由于葉輪片數(shù)為6片，1個(gè)壓力波動(dòng)周期內(nèi)有6個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖的頻率為150 Hz，接近振蕩腔固有頻率。

圖4 工具內(nèi)壓力分布

圖5 葉輪片數(shù)變化時(shí)出口壓力分布

3.1 葉輪片數(shù)和直徑的變化

葉輪片數(shù)改成5片和7片，使得工具振蕩頻率發(fā)生了變化，葉輪片數(shù)變化對(duì)壓耗影響不大；葉輪直徑對(duì)出口壓力波動(dòng)頻率、幅值、均值都有影響，葉輪直徑越大，壓力波動(dòng)頻率越大，幅值越大，如圖6所示。

圖6 葉輪直徑變化時(shí)出口壓力分布

3.2 振蕩腔內(nèi)徑和長(zhǎng)度的變化

振蕩腔長(zhǎng)度僅對(duì)出口壓力波動(dòng)頻率影響較大，長(zhǎng)度越小，壓力波動(dòng)頻率越大；振蕩腔內(nèi)徑對(duì)出口壓力波動(dòng)頻率、幅值、均值都有影響，內(nèi)徑越小，壓力波動(dòng)頻率、幅值和均值絕對(duì)值都增大；振蕩腔內(nèi)徑減小增大壓耗。如圖7所示。

圖7 振蕩腔內(nèi)徑和長(zhǎng)度變化時(shí)出口壓力分布

3.3 振蕩腔入口和出口直徑的變化

振蕩腔出口直徑僅對(duì)壓力均值影響較大，直徑越小，壓力均值絕對(duì)值越大；振蕩腔入口直徑對(duì)出口壓力波動(dòng)頻率、幅值、均值都有影響，直徑越小，壓力波動(dòng)頻率、幅值增大，負(fù)壓范圍變小，空化效應(yīng)降低；振蕩腔入口和出口直徑減小均增大壓耗。如圖8所示。

圖8 振蕩腔入口和出口直徑變化時(shí)出口壓力分布

3.4 鉆井液排量的變化

隨著鉆井液排量增大，出口壓力波動(dòng)頻率、幅值和均值絕對(duì)值都增加；但壓耗也顯著增大，所以增加排量的同時(shí)需要考慮壓耗增加產(chǎn)生的負(fù)面影響，綜合平衡二者之間的關(guān)系。如圖9所示。

圖9 鉆井液排量變化時(shí)工具出口壓力分布

4 結(jié)論

1） 影響出口壓力波動(dòng)頻率的參數(shù)包括鉆井液排量、葉輪片數(shù)和直徑、振蕩腔長(zhǎng)度、內(nèi)徑及入口直徑；影響出口壓力幅值的參數(shù)包括鉆井液排量、振蕩腔內(nèi)徑和入口直徑；影響出口壓力均值的參數(shù)包括鉆井液排量、振蕩腔內(nèi)徑、入口和出口直徑。

2） 由于鉆井液排量不可控及振蕩腔入口直徑變小會(huì)顯著消弱壓力的負(fù)壓效應(yīng)，故要增大壓力波動(dòng)頻率，可增大葉輪片數(shù)、直徑或減小振蕩腔長(zhǎng)度，此時(shí)葉輪轉(zhuǎn)速增大，壽命降低；要增大壓力幅值，可減小振蕩腔內(nèi)徑，此時(shí)壓耗增大；要產(chǎn)生更低的負(fù)壓均值，可減小振蕩腔內(nèi)徑和出口內(nèi)徑，此時(shí)壓耗增大。

3） 對(duì)于較淺的軟地層，鉆井管柱系統(tǒng)總壓耗要求較低，可適當(dāng)提高壓耗以提高工具出口流速，達(dá)到更快清潔井底碎屑的目的；對(duì)于較深的中硬地層，鉆井管柱系統(tǒng)總壓耗要求較高，在保證工具水力沖擊性能的前提下需要盡量降低壓耗；另外，由于葉輪轉(zhuǎn)速很快，應(yīng)選用高強(qiáng)度和高耐磨性的葉輪和葉輪軸材料。

［1］ 孔學(xué)云，馬認(rèn)琦，劉傳剛，等.水力脈沖工具流場(chǎng)模擬及應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（2）：52-56.

［2］ 倪紅堅(jiān)，韓來(lái)聚，馬清明，等 水力脈沖誘發(fā)井下振動(dòng)鉆井工具研究［J］.石油鉆采工藝，2006，28（2）：15-20.

［3］ 王學(xué)杰，李根生，康延軍，等.利用水力脈沖空化射流復(fù)合鉆井技術(shù)提高鉆速［J］.石油學(xué)報(bào)，2009，30（1）：117-120.

［4］ 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004，121-124.

［5］ 楊永印，沈忠厚，王瑞和，等.低壓脈沖射流井底欠平衡鉆井提高鉆速機(jī)理分析［J］.石油鉆探技術(shù)，2002，30（5）：15-16.

Analysis on the Performance of Hydraulic Pulse Tool

ZUO Kai，MA Ren-qi，LI Ning，HAO Zhou-zheng，BAI Yuan-bin，XING Zhi-biao
（Energy Technology&Services Supervision&Technology Company，CNOOC，Tianjin 300452，China）

Drilling efficiency can be significantly improved by the hydraulic pulse tool used in drilling.Fluid analysis software is used in establishing the three-dimensional dynamic flow analysis model，through of the hydraulic pulse tool，angle of the guide face，number of the teeth and length of the oscillation cavity are analyzed.Conclusion of the influence for outlet pressure，speed of the impeller and impulse frequency are made.Change regulation of the performance for hydraulic pulse tool on different factor is confirmed.This can offer the basis method for optimization design of parameters of hydraulic pulse tools.

hydraulic pulse；outlet pressure；flow rate；speed；pulse frequency

TE921

A

1001-3482（2014）03-0019-04

2013-09-23

左 凱（1979-），男，河北保定人，工程師，主要從事海洋石油鉆井、完井、修井井下工具方面的研究，E-mail：zuokai＠cnooc.com.cn。