自激式渦流控制水力振蕩器研制與應用

聶云飛， 朱 淵， 范 蕭， 趙傳偉， 張 輝

（1. 東營市瑞豐石油技術發展有限責任公司，山東東營 257092；2. 中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島 266580；3. 中國石化勝利油田石油開發中心有限公司，山東東營 257000；4. 中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257000）

隨著海洋油氣、非常規油氣等資源勘探開發的不斷增加，大位移井、長水平段水平井越來越多，鉆井過程中井下摩阻越來越大，常出現托壓、壓差卡鉆等問題。這不僅嚴重影響了機械鉆速，還容易引起壓差卡鉆等井下故障；尤其是滑動鉆進時無法給鉆頭施加真實有效的鉆壓，鉆井效率較低[1-4]。目前，國內外主要使用水力振蕩器解決該問題，例如，RF-Rogaland Research 公司的FDR 工具[5]、National Oilwell Varco 公司的Agitator 工具[6]和Tempress 公司的Hydropull 工具[7]。該類工具通過控制鉆井液的流動產生沿鉆柱軸線方向的振動，利用振動將靜摩擦轉變為動摩擦，以減小鉆進過程中的摩阻，降低壓差卡鉆的可能性，改善鉆壓傳遞效果，進而提高機械鉆速[8-12]。但現有水力振蕩器普遍存在運動元件和橡膠元件，其耐高溫和抗腐蝕性能差，且工作壓降大，導致其使用壽命短、使用成本高。近年來，Thru Tubing Solutions 公司研制了自激式渦流控制水力振蕩器，通過特殊設計的流道產生壓力脈動，從而產生沿鉆柱軸線方向的振動，該振蕩器無易損件、壓降小，使用成本低[13]，現場應用取得了良好的減摩降阻效果[14]，但國內尚無相關報道。筆者研制了一種自激式渦流控制水力振蕩器，現場應用結果表明，可以提高大位移井、長水平段水平井的鉆井效率。

1 水力振蕩器結構及工作原理

1.1 自激式渦流控制水力振蕩器結構

自激式渦流控制水力振蕩器結構設計的基本思路為：從產生振動的角度考慮，流體需要通過流道產生射流并在渦流室內產生渦流；同時，為了能夠產生連續的振動，需要改變射流方向，故需設計反饋流道。為此，水力振蕩器設計由穩態射流系統和渦流可變液阻區2 部分構成，其中，穩態射流系統由入口、噴嘴、控制流道、繞流流道和輸出流道組成；渦流可變液阻區由渦流室、反饋流道、繞流流道和出口組成，基本結構見圖1。

圖 1 自激式渦流控制水力振蕩器的內部結構Fig. 1 Internal structure of self-excited vortex control hydraulic oscillator

1.2 工作原理

自激式渦流控制水力振蕩器的工原理如圖2所示。鉆井液通過入口流入水力振蕩器，從噴嘴噴出后形成高速射流，由于附壁效應的存在，射流會偏向某一側輸出流道的某一壁面（圖2 所示為上側輸出流道的上壁面），然后進入渦流室。在渦流室內，射流受渦流室壁面的約束，形成順時針方向的渦流，隨著渦流增強，系統壓降逐漸增大，在此期間鉆井液通過出口排出。在渦流室渦流強度增強的同時，一部分高速流體進入輸出流道對面的反饋流道（圖2所示為下側反饋流道），這部分流體在慣性作用下沿繞流流道進入上方控制流道，使上側控制流道壓力升高，同時由于慣性流體的抽汲作用，下側控制流道壓力降低。在上下控制流道壓差的作用下，射流逐漸發生轉向，導致上側輸出流道進入渦流室的流體減少，渦流室內順時針方向的渦流強度減弱，系統壓降逐漸減小。當射流完全轉向后，完成一個工作周期。

圖 2 壓力脈動單周期液流方向Fig. 2 The direction of pressure pulsation single cycle flow

隨著鉆井液的上述流入過程重復出現，會產生周期性的壓力脈動。壓力脈動作用于鉆具會產生軸向沖擊振動，從而降低鉆具摩阻，增大水平段的延伸極限。

上述分析可知，自激式渦流控制水力振蕩器能否正常工作，取決于以下2 個方面：1）射流附壁方向能否實現周期性切換，其切換頻率決定了水力振蕩器的壓力脈動頻率；2）能否形成渦流，這不但會影響射流方向的切換，而且會影響水力振蕩器的壓力脈動幅值。壓力脈動頻率和壓力脈動幅值決定了水力振蕩器的工作特性，可通過調整入口流量和流道結構進行控制。

從圖2 還可以看出，該結構中不包括任何的運動部件和控制部件，僅依靠特定結構的流道實現自激振動，具有良好的適用性和可靠性。

2 性能評價

2.1 數值模型

自激式渦流控制水力振蕩器的結構復雜[15-16]，難以直接進行設計計算和求解。因此，采用計算流體動力學方法，利用Fluent 軟件探索其運動規律。

根據運動形式，將水力振蕩器簡化為二維平面模型，參考圖1 建立幾何模型，如圖3 所示。采用三角形網格進行網格劃分，經過局部網格加密和無關性檢查后得到1 183 306 個網格。

圖 3 自激式渦流控制水力振蕩器的二維平面模型Fig. 3 2D plane model of self-excited vortex control hydraulic oscillator

以水為計算流體介質，噴嘴處為Velocity Inlet 邊界，出口為Pressure Outlet 邊界，其余邊界為Wall 邊界。湍流模型采用標準κ-ε 模型，采用Simple 壓力速度耦合算法求解。

2.2 試驗驗證

為檢驗自激式渦流控制水力振蕩器結構和數值模擬的有效性，進行了室內試驗。采用鉆井泵加壓，壓力傳感器實時記錄壓力變化情況，測試了不同流量下的壓力脈動幅值和頻率，同時利用數值模擬方法模擬壓力脈動幅值和頻率，將兩者得到的結果進行對比，結果如圖4 所示。

圖 4 數值分析與試驗結果的對比Fig. 4 Comparison on the numerical analysis and experimental test results

從圖4 可以看出：自激式渦流控制水力振蕩器能產生不同頻率的壓力脈動，說明自激式水力振蕩器的結構合理，且數值模型計算結果與試驗結果吻合，說明可以采用數值模擬方法分析水力振蕩器的工作狀態。

2.3 流場運動分析

由工作原理可知，在一個工作周期內，自激式渦流控制水力振蕩器內部流場將發生規律性的變化。自激式渦流控制水力振蕩器一個工作周期內內部流場的模擬結果如圖5 所示。

圖 5 壓力脈動單周期流場流速變化示意Fig. 5 Schematic diagram of pressure fluctuations in a single-cycle flow field

從圖5 可以看出：在初始時刻，由于附壁效應，射流順其中一側輸出流道進入渦流室，室內開始生產渦流（見圖5（a））；隨著渦流增強，渦流室內外液體的流速不斷加快，系統壓降增大，同時有部分液體進入反饋流道（見圖5（b））；當渦流室內液體的流速達到最大時，部分高速流體進入反饋流道，經繞流流道變向后作用于射流，射流開始轉向（見圖5（c））；射流轉向過程中，渦流室內的渦流逐步消失，室內液體的流速逐步降低，壓降隨之減小（見圖5（d））；射流轉向完成后，通過另一側輸出流道進入渦流室，開始下一個工作周期（見圖圖5（e））。

2.4 周期性壓力

模擬自激式渦流控制水力振蕩器出口壓力的變化情況，結果如圖6 所示。

圖 6 自激式渦流控制水力振蕩器出口壓力的變化情況Fig. 6 Outlet pressure variation of the self-excited vortex control hydraulic oscillator

由圖6 可知：出口壓力呈現明顯的上升坡和下降坡，分別對應射流進入渦流室直至開始轉向和射流轉向渦流室內壓力逐步降低2 個階段；當前工作狀態下，入口流量為29.1 L/s，壓力脈動輻值為5 MPa，壓力脈動頻率為13.1 Hz。

模擬不同入口流量下自激式渦流控制水力振蕩器出口壓力的變化，部分結果如圖7 所示。

圖 7 不同入口流量下自激式渦流控制水力振蕩器出口壓力的變化情況Fig. 7 Outlet pressure variation of autonomous, self-excited vortex control hydraulic oscillator under different inlet flow rates

由圖7 可知：流量為19.4 L/s 時，壓力脈動輻值為2.25 MPa，壓力脈動頻率為8.0 Hz；流量增大到38.8 L/s 時，壓力脈動輻值增大到8.90 MPa，壓力脈動頻率增大到17.4 Hz。表1 為不同入口流量下出口壓力的脈動輻值和脈動頻率。

表 1 不同流量下出口壓力的脈動輻值和脈動頻率Table 1 Amplitude and frequency under different inlet flow

由表1 可知，隨著入口流量增大，出口壓力的脈動幅值和脈動頻率增大。由于水力振蕩器渦流室為定容結構，隨入口流量增大，流體進入渦流室產生的渦流強度增大，自激式渦流控制水力振蕩器可以達到的壓力峰值增大，故壓力脈動輻值也隨之增大。同時，隨著入口流量增大，流體推動渦流室內流體更快地完成渦流的產生和泄放，壓力脈動頻率也隨之增大。

以上分析可以得知，在水力振蕩器使用過程中，可通過調整流量使脈動壓力幅值達到鉆進要求。同時，自激式渦流控制水力振蕩器的壓力脈動頻率大于5.0 Hz，可避免對隨鉆測量工具的干擾。

3 結構設計分析

3.1 壓力脈動輻值分析

壓力脈動輻值來自于渦流室內的壓降。由漩渦理論可知，渦流室內流體運動為有旋流動，稱為渦核區，其內部壓力分布為：

式中：p0為渦流室入口壓力，Pa；ρ 為流體密度，kg/m3；vR為渦流室入口流速，m/s；r 為到渦流室中心的半徑，m；ω 為漩渦角速度，，rad/s；R 為渦流室半徑，m。

由式（1）可知，渦流中心處的壓力最低，靠近渦流室壁面處的壓力最高。在入口壓力不變的情況下，渦流室入口流體的流速越高，渦流室內的壓降越大，壓降與入口流體流速的平方成正比，即壓力脈動輻值與入口流體流速的平方成正比。利用表1中的數值模擬結果繪制壓力脈動幅值與入口流量的關系曲線，并進行擬合，結果如圖8 所示。從圖8 可以看出，壓力脈動幅值與入口流量呈近似平方關系，與理論分析一致。

圖 8 壓力脈動輻值與入口流量的關系曲線Fig. 8 Relationship curve between pressure pulsation amplitude and inlet flow rate

以上分析可知，提高入口流量或減小入口流道直徑，可以提高水力振蕩器的壓力脈動輻值。

3.2 壓力脈動頻率分析

壓力脈動頻率與入口流量、反饋流道與繞流流道內流體的反饋流速有關。入口流量控制了渦流室內流體的充滿時間，反饋流道與繞流流道內流體的反饋流速影響了渦流換向的時間，共同影響壓力脈動頻率。利用表1 中的模擬結果繪制壓力脈動頻率與入口流量的關系曲線并進行擬合，結果如圖9 所示。由圖9 可以看出，壓力脈動頻率與入口流量呈近似線性關系。

圖 9 壓力脈動頻率與入口流量的關系曲線Fig. 9 Relationship curve between pressure pulsation frequency and inlet flow rate

以上分析可知，提高入口流量或縮短反饋流道與繞流流道長度，可以提高水力振蕩器的壓力脈動頻率。

綜上所述，對于給定結構參數的水力振蕩器，現場應用時為了提高壓力脈動頻率，需要提高入口流量，但可能會導致噴嘴壓降升高，使背壓超出合理范圍，影響水力振蕩器的作用；結構設計時縮短反饋流道與繞流流道的長度，可提高壓力脈動頻率，但會造成輸出流道傾角變大，影響射流附壁效應，產生負面影響。

4 現場應用

自激式渦流控制水力振蕩器在多口井進行了現場應用，根據距離最近、層位相同、深度相同和鉆進參數相同、具有可比性的原則，將其中2 口井的應用情況與鄰井的鉆井情況進行了對比，結果見表2。從表2 可以看出，對于相同層位地層，應用自激式渦流控制水力振蕩器后，機械鉆速提高顯著。

表 2 自激式渦流控制水力振蕩器現場應用情況Table 2 Field application of self-excited vortex control hydraulic oscillator

自激式渦流控制水力振蕩器在D43-X508 井應用中正常循環工作時間169 h，純鉆進時間126 h；在LX73 井應用中正常循環工作時間126 h，純鉆進時間82 h。在鉆進過程均未出現問題，表現出良好的適應性。起鉆后發現，在D43-X508 井應用的自激式渦流控制水力振蕩器仍然完好，LX73 井應用的自激式渦流控制水力振蕩器出現部分沖蝕，可以判斷其使用壽命不短于120 h。

同時，在定向鉆進過程中，應用自激式渦流控制水力振蕩器后，托壓現象和調整工具面的時間減少，工具面更穩定，且未影響隨鉆測量工具的信號傳輸，表現出優良的工作特性。

5 結論與建議

1）自激式渦流控制水力振蕩器依靠穩態射流系統和渦流可變液阻區產生壓力脈動，實現自激振動。該水力振蕩器沒有運動部件，結構簡單，功能可靠。

2）建立了自激式渦流控制水力振蕩器數值模型，揭示了其基于射流附壁效應的工作原理和產生壓力脈動的過程，并分析了其工作指標壓力脈動幅值和脈動頻率與入口流量的關系。壓力脈動幅值與入口流量呈平方關系，壓力脈動頻率與入口流量呈線性關系。

3）現場應用表明，自激式渦流控制水力振蕩器在鉆井過程中能夠為鉆柱提供一定的脈沖振動，克服部分摩阻，提高鉆壓傳遞效率和鉆井速度。

4）為延長自激式渦流控制水力振蕩器的使用壽命，并提高應用效果，建議采用抗沖蝕性能更好的材料和改進加工工藝。