摘"" 要：為了提高定向井硬質(zhì)地層中的機(jī)械鉆速，設(shè)計(jì)了一種短長(zhǎng)度全金屬的復(fù)合脈沖鉆井提速工具。該工具能同時(shí)產(chǎn)生高頻低幅的扭轉(zhuǎn)沖擊和軸向脈動(dòng)沖擊，且兩種沖擊為串聯(lián)結(jié)構(gòu)?；谒O(shè)計(jì)的工具特點(diǎn)及工作原理，利用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，分析了扭轉(zhuǎn)沖擊壓降及水力脈沖結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場(chǎng)域，并對(duì)工具樣機(jī)進(jìn)行了性能試驗(yàn)。研究表明，該工具中扭轉(zhuǎn)沖擊噴嘴尺寸越小，扭轉(zhuǎn)沖擊壓降越大，近似成二次函數(shù)關(guān)系;試驗(yàn)中，擺錘兩端面會(huì)產(chǎn)生壓差波動(dòng)，兩端面的壓力呈正壓差、負(fù)壓差交替波動(dòng)趨勢(shì)，表明扭轉(zhuǎn)沖擊能夠及時(shí)完成換向，推動(dòng)擺錘往復(fù)運(yùn)動(dòng);該工具中水力脈沖能產(chǎn)生軸向脈動(dòng)沖擊，且壓降隨流量增加而增大，近似呈二次函數(shù)關(guān)系，同時(shí)明確了軸向水力脈沖產(chǎn)生軸向沖擊的原理。該工具的研制為定向井的提速提效提供了一種新手段。

關(guān)鍵詞：扭轉(zhuǎn)沖擊;軸向沖擊;水力脈沖;流場(chǎng)計(jì)算

中圖分類號(hào)：TE921.2"""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""""" doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.01.001

收稿日期： 2024-07-14

基金項(xiàng)目： 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“萬(wàn)米超深層油氣資源鉆完井關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究”（2022ZG06）;中國(guó)石油集團(tuán)直屬院所基礎(chǔ)研究和戰(zhàn)略儲(chǔ)備技術(shù)研究基金“油氣井破裂套管增材修復(fù)機(jī)器人關(guān)鍵機(jī)構(gòu)總成研究”（2023DQ03-04）。

作者簡(jiǎn)介： 許朝輝（1976-），男，湖北鄂州人，高級(jí)工程師，主要從事鉆井工具開(kāi)發(fā)的研究工作，E-mail：xuzhhdr@cnpc.com.cn。

Design and Experimental Analysis of Composite Pulse Drilling Speed Increasing Tools

XU Zhaohui1，2，ZHA Chunqing3，F(xiàn)AN Jinchao1，2，ZHANG Mi4

（1.CNPC Engineering Technology Ramp;D Company Limited，Beijing 102206，China; 2. National Engineering Research Center for Oil and Gas Drilling and Completion Technology，Beijing 102206，China; 3. Beijing University of Technology，Beijing 100124，China;4. CNPC Offshore Engineering Co.， Ltd.，Beijing 100028，China）

Abstract： In order to enhance the mechanical drilling velocity in challenging formations encountered in directional wells， a compact all-metal composite tool has been developed to facilitate increased drilling speeds. The tool is capable of simultaneously generating high-frequency and low-frequency torsional impacts and axial pulsating impacts， with the two impacts occurring in a series structure. A combination of theoretical analysis and numerical simulation was employed to analyze the torsional impact pressure drop and the internal flow field of the hydraulic pulse structure， based on the characteristics and working principle of the designed tool. A series of performance tests were conducted on the tool prototype. The findings indicate that a reduction in the size of the torsional impact nozzle within the tool results in an increase in the pressure drop of torsional impact， exhibiting a quadratic relationship. In the experiment， fluctuations in the pressure difference between the two end faces of the pendulum were observed， with an alternating trend of positive and negative pressure differences at both ends. It shows that torsional impact can effectively reverse the pendulum′s motion and drive it back and forth in a timely manner. Additionally， the hydraulic pulse in the tool was discovered to generate axial pulsation impact， with the pressure drop increasing in proportion to the flow rate， exhibiting a quadratic function relationship. Furthermore， the principle of axial pulsation generated by axial hydraulic pulses is elucidated. The development of this tool offers a new method for enhancing the speed and efficiency of directional drilling operations.

Key words： torsional impact; axial impact; hydraulic pulse; flow field calculation

文章編號(hào)：1001-3482（2025）01-0001-05

鉆井工程中，機(jī)械鉆速的提高是一個(gè)永恒的目標(biāo)[1]。沖擊類工具是一種針對(duì)硬質(zhì)地層提速的有效方法[2]。隨著定向井勘探開(kāi)發(fā)增多，彎螺桿成為了一種較為廣泛的應(yīng)用工具。在定向井中利用沖擊來(lái)實(shí)現(xiàn)提速，需要將該類工具安裝在彎螺桿及PDC鉆頭之間，沖擊類工具與彎螺桿結(jié)合應(yīng)用要求如圖1所示。

該類工具在與彎螺桿的結(jié)合中，需要考慮的因素有：①工具的總長(zhǎng)有一定的限制，過(guò)長(zhǎng)會(huì)影響彎螺桿的造斜;②工具的壓降不能過(guò)高;③沖擊載荷不能對(duì)MWD等儀器產(chǎn)生影響，且不能產(chǎn)生低頻水力脈沖（頻率不干涉）。

目前沖擊類工具主要包括：

1） 扭轉(zhuǎn)沖擊類工具[3-4]。以阿特拉公司的Torkbuster工具為代表，通過(guò)給PDC鉆頭提供高頻扭轉(zhuǎn)沖擊，提高PDC鉆頭破巖載荷及改善PDC鉆頭的切削狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)提高硬質(zhì)地層的機(jī)械鉆速，但該類工具不能增加切削深度。

2） 軸向沖擊類工具[5-8]。以大載荷的軸向沖擊來(lái)直接破巖，因此該類工具長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在定向井中應(yīng)用受限。

3） 復(fù)合沖擊類工具[9-14]。同時(shí)給鉆頭提供高頻低幅軸向沖擊和扭轉(zhuǎn)沖擊，發(fā)揮兩種沖擊的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速破巖，是一種適用于定向井提速的工具。

為此，針對(duì)定向井提速的實(shí)際需求，提出了“扭轉(zhuǎn)沖擊+自激振蕩水力脈沖”的復(fù)合脈沖鉆井破巖方式，并設(shè)計(jì)了工具結(jié)構(gòu)。本文對(duì)所提出的復(fù)合脈沖鉆井提速工具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并利用試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的可行性及理論計(jì)算進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 鉆具結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 鉆具結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的復(fù)合脈沖鉆井提速工具及結(jié)構(gòu)如圖2所示，其結(jié)構(gòu)主要包括扭轉(zhuǎn)沖擊總成和自激振蕩軸向沖擊總成。其中，扭轉(zhuǎn)沖擊總成是由高壓鉆井液驅(qū)動(dòng)擺錘往復(fù)擺動(dòng)，并通過(guò)六方結(jié)構(gòu)傳遞到下端的鉆頭座上，形成往復(fù)的扭轉(zhuǎn)沖擊載荷。從扭轉(zhuǎn)沖擊中流出的流體經(jīng)過(guò)下端的軸向沖擊總成上的噴嘴處，經(jīng)過(guò)自激振蕩腔，形成脈沖射流，同時(shí)產(chǎn)生軸向脈動(dòng)沖擊。

該工具的特點(diǎn)為：

1） 工具的總長(zhǎng)度較短，上扣長(zhǎng)度僅為0.75 m（172型號(hào)）。

2） 所設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)沖擊總成和軸向沖擊總成為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)獨(dú)立運(yùn)行。

3） 整個(gè)工具為全金屬材料，耐溫性能好。

2 鉆具流場(chǎng)計(jì)算

該鉆具中的流場(chǎng)如圖3所示。其中高壓鉆井液從左端進(jìn)入工具內(nèi)部，首先進(jìn)入扭轉(zhuǎn)腔體內(nèi)，在下端設(shè)置有一個(gè)節(jié)流噴嘴，此處產(chǎn)生一個(gè)壓降，使得一部分流體進(jìn)入擺錘的腔體內(nèi)，并驅(qū)動(dòng)擺錘轉(zhuǎn)動(dòng)，從擺錘處排出的流體在節(jié)流噴嘴處匯合，并流入到軸向腔體內(nèi)。

由于扭轉(zhuǎn)腔體和軸向腔體內(nèi)的流體為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在計(jì)算兩部分的流場(chǎng)時(shí)，可以分別進(jìn)行計(jì)算。

2.1 扭轉(zhuǎn)腔體的流場(chǎng)計(jì)算

根據(jù)流量守恒定律，扭轉(zhuǎn)沖擊結(jié)構(gòu)節(jié)流噴嘴鉆井液流量、通過(guò)小孔進(jìn)入擺錘腔體流量與入口總流量應(yīng)滿足：

Q=Q1+Q2（1）

式中：Q為入口總流量，L/s;Q1為節(jié)流噴嘴鉆井液流量，L/s;Q2為擺錘腔體流量，L/s。

根據(jù)流場(chǎng)中串聯(lián)流體的壓力關(guān)系，得出扭轉(zhuǎn)腔體節(jié)流噴嘴處的壓降Δp1與擺錘所產(chǎn)生的壓降Δp2相等。鉆井液流入節(jié)流噴嘴產(chǎn)生的壓降為：

Δp1=ρξ1ν12（2）

式中：ρ為密度kg/m3;ξ1為局部壓降系數(shù);ν1為鉆井液流速，m/s。擺錘低壓腔鉆井液壓力為：

pH=p2-Δpk （3）

式中：pH為擺錘低壓腔鉆井液壓力;p2為高壓腔壓力;Δpk 為壓降。

根據(jù)以上分析，扭轉(zhuǎn)沖擊的壓降主要與節(jié)流噴嘴的尺寸直接相關(guān)，尺寸越小，流速越高，所產(chǎn)生的壓降越大;同時(shí)擺錘兩端的壓差越大，所產(chǎn)生的沖擊幅值越大，沖擊頻率越高。因此，噴嘴是扭轉(zhuǎn)沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。

2.2 軸向腔體計(jì)算

設(shè)計(jì)的軸向腔體是一種水力脈沖振蕩腔，由于尺寸限制，設(shè)計(jì)為一種單級(jí)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

為了驗(yàn)證該種結(jié)構(gòu)的可行性，利用Fluent軟件對(duì)其進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)水力脈沖振蕩腔，選取Pressure-Based的壓力修正算法，離散型是選擇二階迎風(fēng)格式，操作壓力和參考?jí)毫鶠榇髿鈮骸６嘞嗔髂Ｐ瓦x擇混合物（Mixture）模型。具體前處理與求解器參數(shù)設(shè)置如下：

1） 求解器類型?；诮^對(duì)速度下穩(wěn)態(tài)流體的壓力修正算法。

2） 湍流模型。RNG k-e模型。

3） 材料選擇。氣體為空氣，液體為水。

4） 邊界設(shè)置。速度入口，壓力出口。

5） 求解方法。Simple;湍流算法：一階迎風(fēng)格式;壓力算法：二階迎風(fēng)格式;梯度選項(xiàng)：最小四方晶格法。

6） 求解控制及初始化。松弛因子設(shè)置為壓力0.3，體力1.0，紊動(dòng)能0.8。

水力脈沖振蕩腔體的壓力分布云圖如圖5所示，高壓流體從左上端進(jìn)入水力脈沖振蕩腔體的內(nèi)部。在進(jìn)入的過(guò)程中，由于在下端會(huì)出現(xiàn)一個(gè)流體通道的截面積減小，使得流體在該部分產(chǎn)生了一個(gè)壓力突變的情況，同時(shí)減小的流體截面積會(huì)使得在上噴嘴位置處的流體的流速突然增大。增大的流體高速向下流，在這個(gè)過(guò)程中，一部分的流體從下噴嘴處直接流出，同時(shí)有一部分的流體撞擊到下端面，并形成渦旋（圖5中的曲線）。形成的渦旋會(huì)使得流體和中間向下的流體匯合，從而形成脈動(dòng)的流體力并撞擊到下壁面處。從壓力分布來(lái)看，該結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)流體壓力的波動(dòng)。

水力脈沖振蕩腔體一個(gè)周期內(nèi)的不同時(shí)間段的兩相變化云圖如圖6所示，當(dāng)脈沖波動(dòng)穩(wěn)定后，觀察腔內(nèi)氣囊的變化過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)在氣囊變化的一個(gè)周期內(nèi)，可以根據(jù)腔內(nèi)氣囊的變化形態(tài)將流場(chǎng)變化分為三個(gè)階段。第一階段：氣囊膨脹階段。隨著腔內(nèi)壓力的降低，低壓區(qū)的增大，腔內(nèi)氣囊在碰撞壁上部區(qū)域不斷聚集，體積不斷朝腔室的前端膨脹，腔內(nèi)能量不斷儲(chǔ)集。第二階段：氣囊破碎階段。當(dāng)氣囊膨脹到一定體積后，氣囊開(kāi)始破碎，形成許多小氣囊，這些小氣囊與腔內(nèi)液體混合，形成大面積的氣液混合區(qū)，此時(shí)腔內(nèi)的含氣量達(dá)到最大，氣囊的破碎伴隨著能量的釋放。第三階段：氣囊收縮階段。隨著新的射流的注入，腔內(nèi)壓力開(kāi)始回升，空化受到抑制，氣囊體積逐漸收縮。氣囊的體積和位置在中心射流周圍不斷地周期性變化是引起自激脈沖波動(dòng)的主要原因。

3 鉆具室內(nèi)試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該工具原理的可行性，同時(shí)分析該工具中結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能參數(shù)之間的關(guān)系，并驗(yàn)證理論計(jì)算模型，對(duì)所設(shè)計(jì)的復(fù)合脈沖鉆井提速工具進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案如圖7所示。水箱、離心泵及復(fù)合沖擊工具由高壓管線相連，將壓力傳感器分別置于水力脈沖振蕩腔入口、出口處、擺錘的兩個(gè)腔體內(nèi)，用于測(cè)量流體在水力脈沖振蕩腔入口、出口以及擺錘兩端的壓力變化。

如圖7所示，試驗(yàn)中，需要分別測(cè)量：

1） 扭轉(zhuǎn)沖擊腔內(nèi)擺錘的兩端腔體內(nèi)的流體壓力波動(dòng)。

2） 水力脈沖振蕩腔體內(nèi)上下流體壓力波動(dòng)。

試驗(yàn)過(guò)程中，可以通過(guò)更換不同尺寸的扭轉(zhuǎn)沖擊節(jié)流噴嘴及不同尺寸軸向水力脈沖振蕩腔下噴嘴，如圖8所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

1） 軸向水力脈沖壓力波動(dòng)。

試驗(yàn)中測(cè)量的軸向水力脈沖振蕩腔入口、出口壓力波動(dòng)如圖9所示。

從圖9可以看出：①在水力脈沖振蕩腔的出口處壓力出現(xiàn)了明顯的壓力波動(dòng)，即該結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生一定幅值的軸向脈動(dòng)沖擊載荷;②隨著排量的增大，所產(chǎn)生的壓力波動(dòng)越大;③水力脈沖振蕩腔整體壓降隨流量增加而增大，近似呈二次函數(shù)關(guān)系;上噴嘴直徑

對(duì)水力脈沖振蕩腔整體壓降影響較大，壓降隨上噴嘴直徑增大而減小，而下噴嘴直徑對(duì)其影響較小。

2） 扭轉(zhuǎn)沖擊腔體內(nèi)壓力波動(dòng)。

扭轉(zhuǎn)沖擊擺錘左右腔體內(nèi)壓力波動(dòng)如圖10所示。

由圖10可以看出，左右腔體內(nèi)出現(xiàn)明顯壓力波動(dòng)。從擺錘上下兩端面壓差波動(dòng)曲線可以看出作用在擺錘兩端面的壓力呈正壓差、負(fù)壓差交替波動(dòng)趨勢(shì)，表明扭轉(zhuǎn)沖擊能夠及時(shí)完成換向，推動(dòng)擺錘往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)論

1） 研制了復(fù)合脈沖鉆井提速工具，能同時(shí)產(chǎn)生高頻低幅扭轉(zhuǎn)沖擊和軸向脈動(dòng)沖擊，具有長(zhǎng)度短、全金屬的特點(diǎn)，能配合彎螺桿應(yīng)用于定向井的鉆進(jìn)。

2） 建立了復(fù)合脈沖鉆井提速工具的流場(chǎng)計(jì)算模型，利用數(shù)值模擬分析了內(nèi)部流場(chǎng)，得出了扭轉(zhuǎn)沖擊噴嘴尺寸對(duì)壓降的影響，明確了軸向水力脈沖產(chǎn)生軸向沖擊的原理。

3） 工具的試驗(yàn)結(jié)果表明，該工具中水力脈沖能產(chǎn)生軸向脈動(dòng)沖擊，且壓降隨流量增加而增大，近似呈二次函數(shù)關(guān)系;擺錘兩端面會(huì)產(chǎn)生壓差波動(dòng)，兩端面的壓力呈正壓差、負(fù)壓差交替波動(dòng)趨勢(shì)，表明扭轉(zhuǎn)沖擊能夠及時(shí)完成換向，推動(dòng)擺錘往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

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（編輯：韓睿超）