120型射流式水力振蕩器結構設計

王建章

（川慶鉆探國際工程公司，成都610051）①

120型射流式水力振蕩器結構設計

王建章

（川慶鉆探國際工程公司，成都610051）①

針對定向鉆井中的減摩降扭問題，結合振動減摩技術和射流式沖擊回轉技術，研制了一種專用的減摩降扭工具——射流式水力振蕩器，其結構由上部的軸向振動短節和下部的射流式壓力脈沖短節組成，利用脈沖壓力產生軸向振動力的基本原理，加入井底鉆具組合，改善井內鉆柱與井壁或套筒之間的摩擦條件，起到減摩降扭的作用，可提高鉆進效率，增強鉆壓傳遞能力，促進井眼軌跡的延伸，加大井眼的資源開發能力。

水力振蕩器；射流元件；定向鉆井；振動減阻

射流式水力振蕩器是基于振動減摩技術和射流式沖擊回轉技術而研制出的一種用于定向鉆井領域的新工具。摩擦阻力和轉矩是定向鉆井過程中不可忽視的問題。隨著水平井、大斜度井、大位移井、連續管鉆井等復雜井眼數量的增多，世界鉆井行業都將減摩降扭作為一項重要課題來研究。射流式沖擊回轉技術具有耐高背壓、結構簡單、深井穩定性好等特點，不僅廣泛應用到地質勘探領域，而且受到石油鉆井領域的青睞［15］。

本文針對水平井、大斜度井、大位移井、連續管鉆井等定向鉆井用的減摩降扭工具，把射流式沖擊器進行改型，設計為一種脈沖壓力發生裝置，使射流元件入口處產生壓力脈沖，驅動上部軸向振動工具帶動鉆柱產生周期性的軸向振動，改善鉆具與井壁或套筒之間的摩擦條件，降低定向鉆井過程中的摩擦阻力和轉矩，促進井眼內的鉆壓傳遞，解決滑動鉆井中的托壓、粘滑、卡鉆等問題，提高定向鉆井的機械效率，促進井眼的延伸，降低鉆井成本［69］。

1　技術分析

1．1 工作原理

120型射流式水力振蕩器由上部的軸向振動短節A和下部的射流式壓力脈沖短節B組成，如圖1。其工作原理是：上部的軸向振動短節中由心軸、碟簧組、斯特封活塞組成的軸向運動集合體，在斯特封活塞到射流元件入口之間形成一個泵的開放區，類似于缸體的下腔；鉆井泥漿經過軸向振動短節A上心軸的中心通孔進入下部的射流式壓力脈沖短節B，泥漿通過射流元件噴嘴后形成高速射流，在射流元件內部進行附壁切換過程，驅動下部活塞在缸體內做往復運動，其原理與射流式沖擊系統的工作原理類似。同時，活塞的下端在節流盤中心節流錐孔內做往復運動，周期性地改變節流盤的過流斷面面積，通過射流元件的附壁切換過程和活塞的往復運動使得射流式壓力脈沖短節B入口處產生一定幅度的周期性脈沖壓力波；當壓力升高時，流體壓力作用于斯特封活塞下表面，推動心軸壓縮碟簧組向左運動，心軸伸出；當壓力降低時，已經壓縮的碟簧組釋放能量，推動心軸向右運動；這樣下部的射流式壓力脈沖短節B作為一個脈沖壓力波發生器為上部的軸向振動短節A提供動力，驅動其進行往復運動，在井眼鉆進中提供主動的振動能量，改善鉆壓傳遞和摩擦條件，提高鉆進機械效率。

圖1　120型射流式水力振蕩器結構

1．2 設計參數

工具外徑120 mm

輸入流量14～16 L／s

工作頻率10～15 Hz

射流元件外徑（參考值）85～90 mm

活塞行程（參考值）20～30 mm

工具上下接頭螺紋3IF

2　軸向振動短節

軸向振動短節結構如圖2所示，主要由心軸、上接頭、隔套、外管、碟簧組、中接頭、心軸中接頭、斯特封活塞、心軸下接頭、下接頭組成。其中，心軸、心軸中接頭、碟簧組、斯特封活塞和心軸下接頭組成了1個軸向運動集合體，軸向振動是依靠這個集合體的軸向往復運動使碟簧組不斷地壓縮積蓄能量和釋放能量來實現的。

圖2　軸向振動短節結構

軸向振動短節的裝配順序是：上接頭和外管用螺紋連接好，心軸插入上接頭和外管中，將隔套放入外管中，碟簧組穿在心軸上，而后將心軸中接頭擰緊對碟簧組進行定位，把斯特封活塞套在心軸中接頭上然后擰緊心軸下接頭，斯特封活塞被軸向定位，最后擰緊下接頭。裝配過程中還需要安裝一些密封件。

軸向振動短節中設計有一個斯特封活塞結構，如圖3所示，該結構由1個O形橡膠圈及聚四氟乙烯圈組成，常用于液壓缸的活塞表面密封，這種結構具有低摩擦阻力、良好的動靜態密封效果、結構簡單、耐高壓等特點。斯特封在低摩擦阻力狀況下，可以將泄漏量控制到極佳狀態，而前后串聯2組斯特封幾乎可以達到完全密封的程度。

圖3　斯特封活塞結構

3　射流式壓力脈沖短節

射流式壓力脈沖短節結構如圖4所示，主要由上接頭、調節碟簧、外缸、上壓蓋、射流元件、缸體、調整錐桿、活塞、圓柱銷、缸蓋、隔套、節流盤、下接頭組成。其工作原理與射流式沖擊系統的原理類似，區別在于活塞下端不連接沖錘，且設計了節流盤結構。

圖4　射流式壓力脈沖短節結構

3．1 碟形彈簧

外缸內部裝配的射流元件及缸體、缸蓋等核心零部件，其軸向尺寸存在著加工誤差，裝配時會產生誤差積累，消除誤差積累的辦法是增加1個調整墊圈［10］。傳統做法是選擇適當厚度的調整墊圈，但工具在入井工作過程中鉆具的轉矩會發生變化，鉆具上的螺紋旋緊程度也會發生變化，致使外缸內裝配的各零部件的頂緊力發生變化，缸體變形，活塞運動受阻，甚至卡死。裝配過松，產生軸向裝配間隙，高壓泥漿會發生泄漏，對各零部件的端面產生沖蝕，導致工作壽命不長，工作失效。

加入碟形彈簧組，通過碟簧的變形確保內部各零件間的頂緊和防止缸體過度變形，可從原理上消除此類故障的發生。各系列的射流式液動沖擊器已采用了此種結構，簡單可靠。在120型射流式壓力脈沖短節中，也采用這種零件軸向頂緊機構設計方案，如圖5所示。

圖5　外缸內部各零件被碟形彈簧組頂緊示意

設計碟形彈簧時，首先要使其工作載荷既滿足外缸內部諸零件軸向頂緊定位的需要，又不至于使內缸變形超過許可范圍，然后按照常規設計程序逐項進行計算和校核，選擇標準規格的產品。根據碟簧的作用進行分析，射流式壓力脈沖短節的設計要求為：①擬定碟簧組對內部零件的預載荷為80 k N；②預壓縮量5 mm以上時，補償性能好。

3．2 射流元件

射流元件作為射流式壓力脈沖短節的核心部件，主要由2個側板、底板、蓋板及劈尖組成。射流元件的重要幾何尺寸包括主噴嘴寬度、導流段長度、位差、控制道寬度、輸出道寬度、排空道寬度、劈尖距、劈排距、張角、排空道與側壁的夾角、排空道與水平面的夾角、凹劈半徑等。主噴嘴寬度是基礎尺寸，其他尺寸參數都與主噴嘴寬度有一定比例關系［11］，而主噴嘴寬度則根據輸入流量和擬噴射流速來計算確定，主噴嘴寬度的大小決定了射流元件整體尺寸的大小。

120型射流式壓力脈沖短節上使用的射流元件如圖6所示，由于石油鉆井中，為了保證強度，管材壁厚較大，而外徑一定，則限制了射流元件的外徑尺寸及內部參數的幾何尺寸，因此該射流元件設計的比較狹長。

圖6　射流元件結構

射流元件是一個組合件，裝配時需要用圓柱銷將2個側板和劈尖定位在底板上，再安裝蓋板，最后用內六角螺栓緊固。安裝完畢后，需要在射流元件中部加工1個環槽，目的是將2個排空道的流體連通，使缸體上下腔排出的流體排出更加順暢。試驗用射流元件的加工材料可選用35Cr Mo，并在內腔表面滲氮處理，提高表面硬度，而生產用射流元件的加工材料可選用硬質合金或者其他耐磨超硬材料，以提高射流元件的工作壽命。

3．3 缸體及缸蓋

缸體和活塞組成射流式壓力脈沖短節的執行機構。缸體的結構復雜，鉆井泥漿流量巨大，缸體極易發生泄漏，會產生嚴重沖蝕導致工具失效。因此，缸體設計有2處重要的密封結構：一是射流元件下表面與缸體的配合面；二是缸體下腔的進液通道，該通道裸露到外面與外缸內表面組成了閉合區域，并采用雙層密封圈結構，確保密封性能良好［12］。缸體的三維立體結構如圖7所示。

圖7　缸體的三維結構

缸體采用35Cr Mo材料加工，活塞在缸體內做高頻往復運動，要求缸體內表面耐磨性能良好，內孔表面滲氮處理，淬火回火，提高表面硬度、耐磨性和工作壽命。缸蓋用于堵住缸體內孔，與缸體配合形成完整封閉腔室，缸蓋的中心孔與活塞桿組合成運動副，要求缸蓋內孔具有良好的密封性和耐磨性。因此，缸蓋內孔設計有螺旋槽，長期的應用實踐表明：以前采用銅套導向、YX密封圈的密封形式會磨損失效，而螺旋槽密封是一種可靠合理的密封方式，可以減小活塞桿與缸蓋之間的摩擦力，并且簡化了密封結構。缸蓋內孔進行滲氮處理，以提高其表面硬度及耐磨性。缸蓋結構如圖8所示。

圖8　缸蓋結構

3．4 活塞及調整錐桿

如圖9所示，活塞上端設計有1個莫氏錐度孔，用于安裝調整錐桿，調節活塞的運動行程。活塞粗段表面設計有螺旋槽結構，使活塞在缸體內往復運動時密封性良好。由于活塞粗段表面與缸體內表面配合，因此活塞粗段表面與活塞桿的同軸度要求較高。射流式壓力脈沖短節中的活塞設計與射流式沖擊系統中的不同，由于沒有連接沖錘，因此需要在活塞上設計運動下死點位置，將處于缸體內的活塞桿直徑加大，利用缸蓋進行行程定位。活塞粗段和活塞桿的表面進行滲氮處理，確保表面具有良好的耐磨性。

圖9　活塞結構

調整錐桿的作用是插入活塞上端的錐孔，調節活塞運動行程，如圖10所示。設計5個長度不同的調節錐桿，分別對應不同的活塞行程。調整錐桿的上端設計一個螺紋孔，目的是為了方便拆卸和更換調整錐桿。

圖10　調整錐桿結構

4　結語

射流式水力振蕩器是一種用于水平井、大斜度井、大位移井等定向鉆井的專用減摩降扭工具，利用脈沖壓力產生軸向振動能量，使鉆柱與井壁或套筒之間的靜摩擦轉變為動摩擦，大幅度地降低滑動鉆進中的摩擦阻力和轉矩，改善鉆壓傳遞，提高鉆進效率。本文主要介紹了射流式水力振蕩器的工作原理，上部軸向振動短節和下部射流式壓力脈沖短節的設計方法，以及一些重要零件的設計要點。

近年來大斜度井、水平井、大位移井等復雜鉆井的數量在石油鉆井領域不斷增多，但是絕大多數井的鉆井技術基本上采用滑動導向鉆井技術，在鉆井過程中會遇到很多問題，如摩阻轉矩大、鉆壓傳遞不暢、機械鉆速低等問題。針對這些棘手的問題，在井眼內鉆具組合中添加脈沖振動工具的方法可以改善鉆具與井壁或套筒之間的摩擦條件，達到減摩降扭、延伸井眼、提高鉆速的目的。這類脈沖振動減摩降扭工具絕大多數都是國外鉆井公司研發，從國外購置或租用國外的技術服務，價格非常昂貴。因此，國內若想在鉆井工具技術方面有較大突破，必須加強技術創新開發力度，研制出具有自主知識產權的專用鉆井工具，才能從根本上解決鉆井問題，降低成本，提高鉆井綜合效益。

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Structure Design of120 Type Liquid Jet Oscillation Tool

WANG Jianzhang
（International Engineering Company，CCDC，Chengdu 610051，China）

In order to reduce friction and torque，combining the vibration reduction with jet percussion rotary technology，a special friction and torque reduction tool was developed．It consists of upper axial vibration sub and lower jetting pressure pulse sub，making use of axial vibration produced by pulse pressure，and connected downhole assembly，to improve friction condition between drilling column and well bore，and improve drilling efficiency as well to increase the drilling efficiency and promote extension of the well trajectory，and enlarging the hole of resource development capabilities．

liquid oscillation tool；fluidic element；directional drilling；vibration damping

TE921．2

B

10．3969／j．issn．1001－3842．2015．09．017

1001－3482（2015）09－0068－05

①2015－04－13

王建章（1970－），男，四川資陽人，工程師，從事石油鉆井工程的技術及管理工作。

①2015－03－30

“十二五”國家科技重大專項“勝利油田特高含水期提高采收率技術”（2011ZX05011）

朱駿蒙（1980－），男，四川岳池人，高級工程師，碩士，主要從事淺海注采工藝技術研究，E－mail：zhujunmeng．slyt ＠sinopec．com。