定轉子式低壓脈沖射流調制器低壓調制特性試驗研究

夏文安，李文飛，楊永印，張建濤

（1.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營257017；2.中國石油大學（華東），山東東營257061） ＊

·試驗研究·

定轉子式低壓脈沖射流調制器低壓調制特性試驗研究

夏文安1，李文飛1，楊永印2，張建濤1

（1.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營257017；2.中國石油大學（華東），山東東營257061）＊

利用B ＆K聲壓測試系統對新型低壓脈沖射流調制器樣機振動特性進行試驗，系統研究了調制器工作特性隨鉆頭壓降、鉆井液流量及定子傾角等參數變化的規律。結果表明：調制器振動頻率隨鉆井液流量的增加而增大，隨鉆頭壓降上升而基本不變，隨定子流道傾角的增大而增高。為全尺寸定轉子式脈沖調制器的設計和應用提供依據。

低壓脈沖；射流；調制；振動；試驗

在鉆深井、超深井中，除了鉆井設備、地層巖石可鉆性降低等客觀因素外，井底壓差過大是影響深井、超深井機械鉆速提高的重要因素之一［1］。對低壓脈沖射流提高鉆速機理的研究發現，脈動性的低壓波更有利于克服井底壓差、提高鉆速［2］，而研發可產生脈沖射流的設備成為該技術由理論走向實際應用的重要途徑。定轉子式低壓脈沖射流調制器就是專門設計的一種產生低壓脈沖的調制設備，為了更進一步開發全尺寸的現場應用設備［3］，有必要對該設備的工作特性進行試驗。

1 工作原理

定轉子式低壓脈沖射流調制器是根據瞬變流理論［4］設計的，能產生一定低壓脈動波［5］。其工作原理為：當液流通過調制器時，在定子流道的作用下液流被迫受力而改變流向，同時由于流體通道變窄，液流流速增大；改變流向后的液流沖擊轉子使其以一定的轉速轉動，在機械（中心軸、下部墊片）和水力摩擦阻力的作用下，轉子轉動力矩達到平衡（即Mz＝0），這時轉子以一定的角速度旋轉；當其旋轉到一定位置并瞬間阻斷定子的流道時，調制器下部的流體便依靠自身的慣性繼續向下流動，從而產生瞬時低壓波［2］；隨著時間的延長，該低壓波逐漸向下游傳播并達到井底，所到之處的壓力狀態則變為低壓狀態（如果該低壓狀態的壓力等于地層壓力，井底則為平衡壓力狀態；如果壓力低于地層壓力，井底呈負壓狀態［6－8］）；轉子在慣性的作用下繼續旋轉，流體又通過轉子的流道向下部流去，主流開通后，脈動器內部的壓力由低壓狀態恢復到正常壓力值，井底也隨之升至正常壓力狀態。通過上述周期性的旋轉，上部的連續流動即轉變為周期性的壓力脈動［9］液流。

2 試驗設備及方法

本試驗在中國石油大學（華東）高壓水射流研究中心進行，主要研究定轉子式低壓脈沖射流調制器的動態特性隨鉆頭壓降p、鉆井液流量Q、定子傾角θ等3組參數變化的規律，測試調制器產生的脈動低壓的波動范圍。試驗設備主要包括高壓供水系統、定轉子式低壓脈沖射流調制器、100kHz的B ＆K聲壓測試系統、壓力表、壓力傳感器（如圖1）。

試驗時，在調制器出口處安裝壓力傳感器，測試數據輸入計算機后以波形圖顯示。根據波形圖中波峰、波谷的變化特點，確定低壓脈沖射流調制器的振動頻率、低壓幅值的變化及脈動低壓的波動范圍。

圖1 低壓脈沖射流調制器脈動低壓試驗系統

3 試驗結果及分析

圖2 調制器下游流體脈動波形

在試驗條件下（定子流道傾角20°、流量Q＝240 L／min、壓力p＝5MPa，質量m＝1.6kg），測量的定轉子式低壓脈沖射流調制器下部流體脈動波形如圖2。通過對試驗數據進行歸納、采集和回歸，即可得到定轉子式低壓脈沖射流調制器的振動頻率隨鉆頭壓降p、鉆井液流量Q、定子傾角θ等參數變化的規律以及調制器產生脈動低壓的幅值。

3.1 水力參數對性能的影響

3.1.1 流體流量

1） 對振動頻率的影響。

在現場鉆井過程中，為了達到最優的井底凈化效果，需要提高機械鉆速，為此必須進行水力參數的優化設計。其中，鉆井液流量是水力參數設計過程中的重要參數。

圖3為定轉子式低壓脈沖射流調制器的振動頻率隨鉆井液流量Q變化的特點。由圖3可以看出，調制器振動頻率隨鉆井液流量Q的增加而增大。產生這一現象的原因是，當通過調制器的流體流量增加時，在不變的流道中的流速相應增大。

轉子受到的橫向沖擊力為

由式（1）可得：轉子受到的水平切向力增加，旋轉周期縮短，阻斷定子流道的頻率升高，所以射流脈動頻率增加；反之，調制器下部流體的射流脈動頻率降低。

圖3 振動頻率隨鉆井液流量變化的規律

2） 對脈動低壓幅值的影響。

圖4為定轉子式低壓脈沖射流調制器低壓幅值隨流體流量Q變化的特點。由圖4可見，調制器的低壓振動幅值隨著流量的增加而增大。因為在一定的流量范圍內，Q增加，調制器的脈動頻率增大，單位時間內的速度變化量也隨之增加。

脈動低壓幅值為

式中，ρ為介質密度，kg／m3；Δv為速度變化，m／s；v0為初始速度，m／s；E為流體體積彈性模量，Pa；Δp為脈動低壓的幅值，Pa。

由式（2）可得：脈動低壓的幅值Δp隨速度變化量Δv的增加而增大；反之，Q減小，脈動頻率降低，速度變化量減小，振幅降低。

圖4 低壓幅值隨流體流量變化的規律

3.1.2 鉆頭壓降

在鉆井過程中，提高射流的噴速和沖擊力主要依靠增加鉆頭壓降。所以，該參數是影響調制器脈動性能的重要參數之一。

1） 對振動頻率的影響。

不同流量和不同傾角、流量條件下振動頻率隨鉆頭壓降變化的規律如圖5～6所示。由圖5～6可以看出：鉆頭壓降的變化對調制器振動頻率的影響規律基本相同，鉆頭壓降增加，調制器的振動頻率基本無變化。因為轉子關閉定子流道的動力來源于上部流道的流體，它只與流量和流速有關，與壓降無關。

圖5 不同流量條件下振動頻率隨鉆頭壓降變化的規律

圖6 不同傾角和流量條件下振動頻率隨壓降的變化規律

2） 對脈動低壓幅值的影響。

圖7為定轉子式低壓脈沖射流調制器調制射流產生的脈動低壓的幅值隨鉆頭壓降變化的規律。由圖7可以看出：通過調制器的流量Q不變時，流速也無變化（流道為定值），所以鉆頭壓降變化對脈動幅值基本沒有影響。

3.2 定子流道傾角對性能的影響

定子是改變上部流體流向及使流體產生橫向切力的主要部件，定子流道傾角可強迫流體改變流向，使定子下部的轉子產生切向沖擊力，迫使轉子旋轉。如果傾角為零或者太小，轉子不能旋轉，上部流體便無法被阻斷，因而也不能產生流體脈動頻率。

圖7 不同流量條件下脈動低壓隨壓降變化的規律

3.2.1 對振動頻率的影響

圖8為定轉子式低壓脈沖射流調制器振動頻率隨定子傾角θ變化的規律。根據式（1），隨著θ的增大，轉子受到的切向力增加，但轉動周期減小，因而脈沖調制器的頻率增大。

圖8 低壓脈沖射流調制器振動頻率隨定子傾角變化的規律

3.2.2 對脈動低壓幅值的影響

圖9為轉子式低壓脈沖射流調制器脈動低壓幅值隨定子傾角θ變化的規律。由圖9可以看出：隨著定子傾角的增大，作用在轉子上的流體沖擊力上升，轉子轉速增大，阻斷流體的時間縮短，經過調制器調制的流體速率變化量增加，所以脈動低壓幅值提高。

圖9 低壓脈沖射流調制器脈動低壓幅值隨定子傾角變化的規律

4 結論

1） 定轉子式調制器的振動頻率和脈動低壓幅值隨鉆井液流量Q的增加而逐漸增大，隨壓降p的增大基本不變。

2） 隨著定子流道傾角的增加，調制器振動頻率和脈動低壓幅值都是增大的。

3） 測量結果表明，在試驗條件下脈動低壓幅值可達2～4MPa。

4） 為了研制出現場使用的全尺寸低壓脈沖射流調制器，還需要更進一步優化調制器的部分結構參數。

5） 影響定轉子式脈沖調制器工作效果的因素很多，還需要在現有的研究基礎上進一步深入和擴展。

6） 利用本調制器調制射流在井底產生脈動低壓，達到了降低井底“壓持效應”的目的，技術難度小，使用方法簡便。初步試驗表明，產生的低壓效果明顯，為大幅度提高機械鉆速提供了一種有效的手段，值得大力研究和發展。

［1］ 沈忠厚.水射流理論與技術［M］.東營：石油大學出版社，1998.

［2］ 楊永印，沈忠厚，王瑞和.低壓脈沖射流井底欠平衡鉆井提高鉆速機理分析［J］.石油大學報：自然科學版，2002，30（5）：15－16.

［3］ 潘新偉，王旱祥，王興建，等.水力割縫工具射流工藝參數設計研究［J］.石油礦場機械，2009，38（9）：36－38.

［4］ 謝 葵，王建年.水力脈沖式鉆井提高鉆速［J］.國外石油機械，1999（12）：35－39.

［5］ 魏 強，李 黔，曹叔尤.一種新型負壓脈沖鉆井工具的設計及研究［J］.石油礦場機械，2007，36（6）：39－41.

［6］ 張國忠.流道瞬變流動分析［M］.東營：石油大學出版社，1994.

［7］ 李春林.磨料射流射孔壓裂一體化工具的設計［J］.石油礦場機械，2011，40（3）：56－58.

［8］ 楊云霞，潘 華，曹雪洪.負壓鉆井技術的發展與應用［J］.石油鉆探技術，1998，26（4）：32－34.

［9］ 陳小榆，練章華，蔣 洪.井下機械式脈動發生器的實驗研究［J］.西南石油學院學報，2000，22（2）：27－30.

Experiment Research on Character of Stator and RotorLow－pressure Pulse Jet Modulator

XIA Wen－an1，LI Wen－fei1，YANG Yong－ying2，ZHANG Jian－tao1
（1.Drilling Technology Research Institute，Shengli Petroleum Administrative Bureau，Dongying257017，China；2.China University of Petroleum，Dongying257061，China.）

The performance of the modulator is experimentally studied with the B ＆K sound－pressure test system.The dynamic characteristics of a newly designed low－pressure pulses modulator are studied according to its structural parameters and the working hydraulic parameters such as the stator’s obliquity，pressure drop and fluid volume and so on.The result of the experiment show that frequency of the modulator increase with increase of the fluid volume and the stator’s obliquity，which provide an effective assistant way in the further study and application of the fullsize rotor／stator low－pressure pulse jet modulator.

low－pressure pulse；jet；modulation；oscillation；experiment

1001－3482（2012）11－0042－04

TE927

A

2012－05－03

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”（2011ZX05022－001）；中石化集團公司重點科研攻關項目“勝利油田復雜斷塊油藏立體開發技術研究”（P09037）

夏文安（1977－），男，陜西扶風人，工程師，主要從事鉆井工藝技術研究，E－mail：xwaupc＠163.com。