水力脈沖軸向振蕩減阻工具研制

張 輝，于文濤，陳忠帥，蔡文軍

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）①

水力脈沖軸向振蕩減阻工具研制

張 輝，于文濤，陳忠帥，蔡文軍

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）①

在大斜度井中，軸向力傳遞通常成為問題。為了減少摩阻并實現軸向力的連續傳遞，最新的減阻技術是水力脈沖誘發軸向振蕩鉆井技術，為此開發設計了一種水力脈沖軸向振蕩減阻工具。介紹了該軸向振蕩減阻工具的總體結構及技術特點、關鍵零部件的設計加工、動力馬達基本結構參數合理配比優化、盤閥過流面積模擬、花鍵心軸表面處理技術及計算機輔助設計分析、碟形彈簧組合設計計算等。室內及現場試驗表明：該工具性能可靠，能夠解決托壓的問題，減阻提速效果明顯。

軸向振蕩；減阻工具；動力馬達；盤閥；花鍵心軸

由于海上開發、海油陸采、環境保護、非常規開發等的需要，定向井、水平井、大位移井、多分支井的鉆井數量越來越多。在大斜度井中，軸向力傳遞通常成為問題，例如在水平井和大位移井中，摩擦阻力相當高，有時會導致鉆柱發生自鎖。這些具有挑戰性的井通常具有高的位垂比，導致軸向力下傳變得困難，出現過高的摩阻及（或）鉆柱彎曲、屈曲，泥漿馬達滑動鉆進，鉆柱與完井管柱的下入期間傳遞鉆壓都將變得異常困難。為了減少摩阻并實現軸向力的連續傳遞，國內外已經采用了許多方法與工具，目前最新減阻技術發展應用的工具是鉆井軸向振蕩減阻工具，其原理是有效地將滑動鉆進期間鉆柱與井壁間的靜摩擦力轉換為動摩擦力，使摩阻降低［1-4］。在我國鉆井大提速的背景下，勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院從2011年開始致力于軸向振蕩減阻工具的調研與研制，參考借鑒本院震擊器、水力脈沖工具［5］和垂鉆工具技術結構特點，開發設計了一種水力脈沖軸向振蕩減阻工具（以SLZDQ172型水力脈沖軸向振蕩減阻工具為例介紹），該工具的目的是解決水平井托壓問題，提高水平井、大位移井機械鉆速。

1 技術分析

1.1 結構組成

水力脈沖軸向振蕩減阻工具主要由水力脈沖發生短節（如圖1）和振蕩短節（如圖2）2大部分組成。水力脈沖振蕩發生短節由1∶2容積式動力馬達和盤閥機構組成。動力馬達主要由防掉組件、定子、轉子構成；盤閥機構主要由上、下盤閥組成。振蕩短節是工具產生軸向振蕩的核心機構，主要由花鍵心軸、防掉短節、碟簧、活塞、密封組件組成。使用時將振蕩短節連接在水力脈沖發生短節上部，鉆井液通過動力馬達后驅動轉子高速轉動，帶動上盤閥高速轉動；上盤閥與其配合的下盤閥間設有配合流道，流道過流面積變化對鉆井液形成脈沖流量變化，進而產生相對應的壓力脈沖；壓力脈沖向上反饋到振蕩短節的活塞，作用在活塞上壓力脈沖產生的力與碟簧組相互作用，使花鍵心軸隨著每個脈沖壓力大小變化而產生壓縮或伸長，導致整個鉆柱沿著軸向振蕩運動。

圖1 SLZDQ172型水力脈沖發生短節結構

圖2 SLZDQ172型振蕩短節結構

1.2 技術特點

1） 該軸向振蕩減阻工具設計專用高速1∶2容積式動力馬達，壓耗小、轉速高，驅動盤閥產生的水力脈沖頻率避開MWD頻率，避免影響定向鉆進過程信號傳遞。

2） 采用優質耐沖擊及磨損硬質合金整體燒結上、下盤閥，水力學動態模擬優化設計盤閥結構，使其產生周期性連續柔和變化的水力脈沖能量，通過振蕩短節轉換為軸向振動形式的機械能。

3） 花鍵心軸采用優質材料（熱處理工藝），延長心軸在拉扭和振動作用下的使用壽命，對心軸縮徑部位采取特殊表面處理工藝，提高其防塵密封面抗腐蝕能力。

4） 應用三維軟件設計、有限元流場及強度分析，使關鍵零件部位可靠、壽命長，滿足鉆井井下正常及復雜情況下安全使用。

1.3 主要技術參數

2 關鍵部件設計

2.1 動力馬達

在1∶2動力馬達參數設計過程中，通過對轉子偏心距e、轉子截圓直徑D、定子導程T這3個基本結構參數（如圖3）的合理選擇及相互之間的合理配比優化，提高馬達的工作特性和使用壽命。

圖3 1∶2動力馬達結構參數

動力馬達排量與轉速關系為

式中：n為轉子轉速，r／min；Q為馬達理論排量，L／s；e為轉子偏心距，mm；D為轉子截圓直徑，mm；T為定子導程，mm。

根據優選的動力馬達參數由式（1）可計算出理論排量下對應的轉速，如表1。

表1 動力馬達理論排量對應轉速（SLZDQ172型）

2.2 盤閥

盤閥采用高強度硬質合金整體燒結而成。采取馬達轉子軸向竄動方式自動補償上、下盤閥工作時交錯運動的高磨損，上、下盤閥間采取硬密封方式。上盤閥與下盤閥采用偏心方式位置相錯或重合，相錯或重合節流效應導致上游的壓力發生變化，周期性地相對運動使鉆井液經過盤閥通道的最大當量直徑和最小當量直徑產生周期性變化（如圖4）。采取下盤閥偏心方式補償偏心量，確保節流面積變化差值，能夠產生足夠大的對應壓力變化值。

圖4 上、下盤閥相對運動及壓力變化

2.3 花鍵心軸

針對減震器、震擊器花鍵心軸使用過程中出現的問題（例如：常規鍍鉻技術出現鍍層脫落、鍍層耐磨抗腐蝕性能達不到要求），并從保護環境、節約能效出發，采用熱噴涂技術對花鍵心軸進行處理，零件不同部位根據功能性要求采取耐腐、耐磨處理，完全滿足花鍵心軸不同部位防腐、耐磨和密封的要求。花鍵心軸選用材料滿足石油行業標準SY／T5496—2000《震擊器及加速器》中規定的力學性能［6］，其在正常鉆井過程中要承受拉、壓、彎、扭綜合交變應力作用［7］。應用計算機輔助工程有限元分析技術，進行強度應力校核，針對薄弱部位優化結構設計。結果表明：最薄弱部位材料達到屈服強度抗拉載荷1 980 k N，最大抗扭轉矩36 k N·m。如圖5。

圖5 薄弱部位強度應力校核

2.4 碟形彈簧

碟形彈簧（如圖6）作為軸向振蕩減阻工具的主要部件，在井下受交變應力作用下應滿足最大疲勞壽命的要求，其設計加工制造水平直接影響工具的整體性能。根據GB／T1972—2005《碟形彈簧》中規定的設計方法、結構、尺寸、技術要求、試驗及檢驗要求對碟形彈簧進行制造［8］。利用基于微軟office excel vbscript二次開發碟簧設計專業程序對碟簧單片及對合疊合組進行設計、校核與驗證，加載應力如圖7。圖7中：sⅠ、sⅡ、sⅢ、sOM分別為在載荷作用下Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、OM處的計算應力。碟簧力學性能的準確，可確保振蕩力的大小與要求的振幅保持一致。

圖6 碟形彈簧結構

圖7 碟形彈簧結構加載應力

3 試驗及應用情況

3.1 室內試驗

室內試驗在鉆井井下工具實驗室鉆井多功能試驗機模擬井筒中進行，試驗步驟如下：

1） 準備試驗井筒，連接好地面管匯及各種測試參數所需傳感器。

2） 連接工具入模擬井筒（如圖8）、裝配井口。

3） 采用清水開泵試驗，間隔5 L／s調節排量穩定后，傳感器記錄數據傳至電腦終端（如圖9）。

4） 工具長時間循環測試各部件可靠性。

圖8 連接工具入模擬井筒

圖9 傳感器測量排量與壓耗、振幅關系曲線

由圖9可知：工具壓耗、振幅與排量呈線形關系，應用清水測試，工具在推薦排量28 L／s時產生壓耗為4.2 MPa，產生最大振幅9 mm。

3.2 現場應用

SLZDQ172型軸向振蕩減阻工具已在3口井進行了現場應用，試驗數據統計分析表明：使用該工具可提高機械鉆速20%以上，提速效果顯著，設計原理正確，結構可靠，工作壽命在100 h以上，對常規PDC鉆頭、牙輪鉆頭具有良好的適應性。井下鉆具組合加入工具后匹配性良好，可以改善鉆進效率，同時又不會對鉆柱中MWD等其他部分造成不利的影響。通過現場應用確定工具設計思路正確，能夠改善鉆壓傳遞，提高機械鉆速。

4 結論

1） SLZDQ172型軸向振蕩減阻工具優選動力馬達參數，結合盤閥、花鍵心軸與碟簧優化設計，提高了工具的可靠性、穩定性，適合井下各種工況。

2） 該工具通過現場試驗，表明工具結構合理、減阻提速效果明顯，對井下儀器信號傳輸不會產生干擾，是一種新型鉆井減阻工具。

3） 該工具可滿足水平井、大位移井滑動鉆進減阻的需要。

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［8］ GB／T1972—2005，碟形彈簧［S］.

Development of Hydropulse Axial-Oscillation Friction-reduce Tool

ZHANG Hui，YU Wen-tao，CHEN Zhong-shuai，CAI Wen-jun
（Drilling Technology Research Institute，Sinopec Shengli Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Dongying 257017，China）

With the increase of the drilling directional well，horizontal well，extended reach well and multilateral well，at the high angle deviated hole，the axial force transfer becomes a problem.To reduce friction and transfer axial force continuously，the latest friction-reduce technology is the hydropulse axial-oscillation drilling technology，for this reason model SLZDQ172 axial-oscillation reduce friction tool was developed.The overall construction design and technical characteristic is introduced，how to design and manufacture the key components，including reasonably match and optimize the basic structure parameter of the power motor，simulation the flow area of the valve，the surface treatment and the computer aid design analysis of the spine mandrel，and the calculation of the disc spring＇s pattern design.The lab and field test show that the tool is reliable and can improve weight transfer，reduce friction，and higher penetration rate.

axial-oscillation；reduce friction tool；power motor；valve assembly；spline mandrel

TE921.1

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.019

1001-3482（2014）07-0073-04

2014-01-07

中國石化集團公司先導項目“水平井用軸向震蕩工具先導”（JPJ12004）

張 輝（1979-），男，遼寧昌圖人，工程師，碩士，主要從事井下工具研發工作，E-mail：zhanghui211.slyt＠sinopec.com。