新型螺桿驅動水力振蕩器的設計分析

劉健

（遼河油田公司生產運營部，遼寧 盤錦 124010）

1 前言

隨著非常規油氣開采的日漸廣泛，鉆進過程中鉆柱與井壁之間摩阻較大時常產生托壓現象，導致無法有效施加鉆壓，影響機械鉆速，甚至誘發黏吸卡鉆等井下事故。水力振蕩減阻技術采用水力振蕩器在鉆具軸向產生一定頻率和振幅的振動，將靜摩擦力轉變為動摩擦力，以減少鉆具與井壁之間的摩阻，具有良好的發展前景。

水力振蕩器主要由配流閥系統、動力系統和振蕩系統三部分組成。按照動力部分的不同，水力振蕩器的發展過程分為螺桿提供動力、葉片提供動力以及渦輪提供動力三種水力振蕩器。其中，葉片震蕩器中葉片容易受鉆井液中顆粒物磨損，極大限制了水力振蕩器作用的發揮；且國內在此方面的研究還不夠成熟。而目前以螺桿為提供動力的水力振蕩器解決了葉片損耗導致的在鉆井中需要頻繁起下鉆的問題，且性能參數尤其在提高鉆速上要遠遠低于螺桿動力水力振蕩器。

2 新型螺桿驅動水力振蕩器技術參數

結合非常規油氣的井身結構特點，新型螺桿驅動水力振蕩器的參數設計為：振蕩器的外部最大直徑≤172mm，振蕩器內部最大直徑≤62mm，適用于鉆井液排量在20 ～40L/s，振蕩器整體壓降≤5MPa，振蕩器的振動頻率為10 ～16Hz，振蕩器的振幅為5 ～9mm，振蕩器的上下連接扣扣型均為API-NC50。

3 新型螺桿驅動水力振蕩器設計

3.1 結構設計

新型螺桿驅動水力振蕩器（圖1）主要由振蕩模塊（圖2）、動力模塊（圖3a）及脈沖發生模塊（圖3b）三大模塊組成。

圖1 新型螺桿驅動水力振蕩器的剖視圖

工作過程為：鉆井液從振蕩器的振蕩短節一側通過振蕩短節流入振蕩器內腔，進入振蕩器內腔的鉆井液進入動力模塊驅動螺桿旋轉，驅動螺桿轉動帶動動閥盤旋轉，動閥盤旋轉使進入脈沖閥發生模塊的鉆井液周期性的流出振蕩器，當動閥盤與定閥盤不連通時，振蕩器腔內壓力增大，致使振蕩短節壓縮復位碟簧發生位移產生軸向摩擦，當動閥盤與定閥盤連通時，振蕩器腔內壓力減小，復位碟簧驅動振蕩短節復位。

（1）振蕩模塊（圖2）主要由振蕩短節及復位碟簧組成。振蕩短節一段與鉆桿螺紋連接，振蕩短節另一端的外幣與振蕩器外殼體密封滑動連接，振蕩短節的側壁上開設有限位槽，以限制振蕩短節行程，復位碟簧一端與振蕩短節的肩部抵持設置，復位碟簧的另一端與尾塞抵持設置。

圖2 振蕩模塊示意圖

（2）動力模塊（圖3a）主要是將高速流動的鉆井液流動時的水力能轉化為機械能，主要是通過鉆井液驅動螺桿驅動，發生旋轉。

（3）脈沖發生模塊（圖3b）在動力模塊的作用下完成閥道的開閉，具體工作時，靜閥盤的側壁上設有限位槽限制其旋轉，驅動螺桿驅動動閥盤旋轉，動閥盤旋轉使閥道周期性的啟閉。

圖3 動力模塊及脈沖發生模塊示意圖

3.2 工作原理

動閥盤及靜閥盤的三維結構參數如（圖4）所示與動閥盤運動至閥道開（圖4b）時，此時過流面積最大，振蕩器內部壓力最小；動閥盤運動至閥道關（圖4c）時，此時過流面積最小，振蕩器內部壓力最小。通過改變閥道過流面積以實現對振蕩器內部壓力的改變，從而通過液壓力周期性的改變振蕩短節的軸向位置，以實現軸向沖擊；通過設置環狀對稱式的動閥盤及定閥盤，從而減小振蕩器運行時的周向振動。

圖4 動閥板與定閥板開關狀態示意圖

4 新型螺桿驅動水力振蕩器主要部件的強度校核

4.1 動閥盤及靜閥盤的工程參數

閥盤選用合金結構鋼40CrNiMoA。40CrNiMoA 是合金結構鋼的一種具有高強度、高韌性，并具有良好的穩定性和加工性能，廣泛地運用于航天、核能、以及石油工業中。常溫下40CrNiMoA 的性能參數如表1 所示，并采用Mises 準則。

表1 40CrNiMoA 的性能參數

4.2 動閥盤及靜閥盤的有限元模擬

采用10 節點線性應變四面體單元對滑套實體模型進行自由網格劃分，精度等級為5 級，滑套網格劃分后產生的單元數為130253，節點數為202111。

在模擬過程中設置給靜閥盤的上端施加25MPa 的壓力，模擬井下2000m 時的壓差環境。通過上述步驟模擬圖4c 所示狀態，研究滑套井下受壓工況。

通過對計算結果進行后處理分析，得到不同工作載荷下，滑套位移和應力分布情況。對后處理結果進行整理，得到不同載荷時閥芯最大Mises 應力及最大位移的變化規律，如圖5 所示。

從圖5 可得到以下結論：（1）載荷越大，滑套的最大Mises 應力、最大總位移的值也越大。（2）滑套能夠適應井下25Mpa 鉆井的工況條件，具備井下工作能力。（3）在載荷F=39MPa 時，滑套的最大Mises 應力為863.7MPa，超過材料的屈服強度，滑套發生塑性形變。

圖5 靜閥盤最大Mises 應力及最大位移隨載荷的變化規律

5 結語

（1）新型螺桿驅動水力振蕩器通過脈沖壓力滑套產生低頻水力脈沖，可與常規鉆桿相連，利用常規鉆桿即可實現井下鉆井時降磨減阻的目的。

（2）新型螺桿驅動水力振蕩器為純金屬設計，可以滿足長壽命鉆井工藝要求，具有良好的應用前景。

（3）建議加強新型螺桿驅動水力振蕩器的研究并進行深入的現場試驗，同時應結合我國不同區域油氣田井身結構特點，進行相應尺寸的工具研發設計，為我國非常規油氣低成本高效開發提供技術參考。