水力脈沖提速工具作業性能分析

左 凱，馬認琦，李 寧，郝宙正，白元彬，邢志彪

水力脈沖提速工具作業性能分析

左 凱，馬認琦，李 寧，郝宙正，白元彬，邢志彪

（中海油能源發展監督監理技術公司，天津300452）

水力脈沖提速工具用于油氣田鉆井作業，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部三維動態流場分析模型。通過對內部部件導流面角度、葉輪齒數、振蕩腔長度等多組數據對比分析，得出了影響出口壓力、葉輪轉速、脈沖頻率因素的理論數據，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律。為此類工具參數優化設計提供理論基礎。

水力脈沖；出口壓力；流速；轉速；脈沖頻率

近年來，國內在油氣田鉆井提速工具研究上積累了大量經驗，不少產品問世并用于各大油田，尤其是水力脈沖技術在鉆井工藝中的廣泛應用［1-2］。目前，水力脈沖提速工具還只能應用于指定地層，并不具有通用性，限制了產品大面積應用。因此，對水力脈沖技術和相應工具作研究與分析，尋找出水力脈沖工具優化設計和參數選擇的規律，對今后設計通用型水力脈沖鉆井提速工具有較高參考價值。本文通過對水力脈沖提速工具的作業性能分析，確定影響工具出口壓耗、流速和脈動壓力的結構因素，為提速工具的結構改進與性能優化提供參考。

1 結構原理

水力脈沖提速工具基本結構如圖1所示，導流體置于本體內腔頂部，改變鉆井液流動方向和速度，對葉輪葉片產生切向力，促使葉輪連續不斷高速旋轉。葉輪高速旋轉連續改變流道面積，產生脈沖擾動［3］。葉輪總成產生水力脈沖，相對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水力脈沖信號放大并產生流體諧振，當其通過振蕩腔室出口收縮截面進入諧振噴嘴時，產生壓力波動，這種壓力波動又反射回諧振腔形成反饋壓力振蕩，從而在諧振腔內產生流體聲諧共振，在流體出口段產生強烈脈動脈沖空化渦環流，以波動壓力方式沖擊井底［4］。

圖1 水力脈沖提速工具結構

2 三維模型建立

利用SOLIDWORKS軟件建立水力脈沖工具基本結構三維模型。基于工具結構三維模型提取其內部流場區域，導入FLUENT軟件進行流場分析。將流場區域進行網格劃分，葉輪與振蕩腔區域為整個工具最關鍵結構，網格劃分較密，且葉輪結構網格劃分為六面體，如圖2所示。

圖2 水力脈沖提速工具內部三維流場網格

根據流體網絡理論，振蕩腔固有頻率為

式中：a為當地聲速；A為入口面積；V為腔室容積；L為腔室長度。

由式（1）可知，影響振蕩腔固有頻率的結構因素主要包括：入口直徑、出口直徑、腔室內徑和腔室長度。計算得水力脈沖結構內振蕩腔固有頻率為147 Hz。

流體流經腔室內的漩渦泄放頻率為

式中：St為斯托勞哈數；D為振蕩腔內徑；v為振蕩腔內流體速度。

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

國內外研究表明，當流體漩渦泄放頻率與振蕩腔固有頻率接近時，振蕩腔結構可產生共振脈沖。

3 作業性能分析

取入口處排量為2 m3／min，通過流場分析，可得工具內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域，最大流速可達76 m／s，即此工具可利用葉輪的快速轉動使流體漩渦泄放頻率增大并接近振蕩腔固有頻率，從而產生脈沖效應。圖4中，在葉輪邊緣和振蕩腔出口處可見明顯的負壓，說明工具可產生負壓效應。

圖3 工具內流速分布

水力脈沖工具出口處的壓力波動曲線如圖5所示，壓力波動頻率為25 Hz，壓力幅值為0.49 MPa，壓力均值為－0.145 MPa，整個工具壓耗為0.9 MPa。由于葉輪片數為6片，1個壓力波動周期內有6個脈沖，每個脈沖的頻率為150 Hz，接近振蕩腔固有頻率。

圖4 工具內壓力分布

圖5 葉輪片數變化時出口壓力分布

3.1 葉輪片數和直徑的變化

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

圖6 葉輪直徑變化時出口壓力分布

3.2 振蕩腔內徑和長度的變化

振蕩腔長度僅對出口壓力波動頻率影響較大，長度越小，壓力波動頻率越大；振蕩腔內徑對出口壓力波動頻率、幅值、均值都有影響，內徑越小，壓力波動頻率、幅值和均值絕對值都增大；振蕩腔內徑減小增大壓耗。如圖7所示。

圖7 振蕩腔內徑和長度變化時出口壓力分布

3.3 振蕩腔入口和出口直徑的變化

振蕩腔出口直徑僅對壓力均值影響較大，直徑越小，壓力均值絕對值越大；振蕩腔入口直徑對出口壓力波動頻率、幅值、均值都有影響，直徑越小，壓力波動頻率、幅值增大，負壓范圍變小，空化效應降低；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，出口壓力波動頻率、幅值和均值絕對值都增加；但壓耗也顯著增大，所以增加排量的同時需要考慮壓耗增加產生的負面影響，綜合平衡二者之間的關系。如圖9所示。

圖9 鉆井液排量變化時工具出口壓力分布

4 結論

1） 影響出口壓力波動頻率的參數包括鉆井液排量、葉輪片數和直徑、振蕩腔長度、內徑及入口直徑；影響出口壓力幅值的參數包括鉆井液排量、振蕩腔內徑和入口直徑；影響出口壓力均值的參數包括鉆井液排量、振蕩腔內徑、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顯著消弱壓力的負壓效應，故要增大壓力波動頻率，可增大葉輪片數、直徑或減小振蕩腔長度，此時葉輪轉速增大，壽命降低；要增大壓力幅值，可減小振蕩腔內徑，此時壓耗增大；要產生更低的負壓均值，可減小振蕩腔內徑和出口內徑，此時壓耗增大。

3） 對于較淺的軟地層，鉆井管柱系統總壓耗要求較低，可適當提高壓耗以提高工具出口流速，達到更快清潔井底碎屑的目的；對于較深的中硬地層，鉆井管柱系統總壓耗要求較高，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，由于葉輪轉速很快，應選用高強度和高耐磨性的葉輪和葉輪軸材料。

［1］ 孔學云，馬認琦，劉傳剛，等.水力脈沖工具流場模擬及應用［J］.石油礦場機械，2013，42（2）：52-56.

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

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

［4］ 王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京：清華大學出版社，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理分析［J］.石油鉆探技術，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。