脈沖式振動(dòng)破巖工具設(shè)計(jì)及模擬分析

李 瑋，李 兵，李卓倫，閆立鵬

(1.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318； 2.中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江大慶 163001；3.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院 北京 100101)

0 前言

隨著深層油氣的不斷發(fā)現(xiàn)，深井和超深井的鉆井需求不斷增加。鉆進(jìn)深度不斷增加的同時(shí)，鉆進(jìn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題也越來(lái)越多，巖石硬度增加、井下事故多發(fā)等因素，導(dǎo)致鉆進(jìn)速度急劇下降，鉆井成本增加，深井超深井提速是當(dāng)今鉆井界研究的主要課題之一[1-5]。常規(guī)的深部鉆井提速裝置，如旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井，動(dòng)力鉆具、井下工具等，是現(xiàn)今主流的深部提速方法，但一般的提速方法如復(fù)合鉆進(jìn)，高機(jī)械鉆速的問(wèn)題之一就是雖然能持續(xù)快速破巖，但大量的巖屑不能被及時(shí)清除出井底，導(dǎo)致巖屑被反復(fù)切削致使效率低下。

本文結(jié)合了水力脈沖鉆井技術(shù)與旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，研制出了適用于深部鉆井提速的脈沖式振動(dòng)破巖工具，通過(guò)有限元分析方法對(duì)其可行性及其影響因素進(jìn)行分析，對(duì)深部地層提速工具的性能優(yōu)化與設(shè)計(jì)提出了寶貴參考價(jià)值。

1 脈沖式振動(dòng)破巖技術(shù)研究現(xiàn)狀

水力脈沖射流技術(shù)發(fā)展至今取得了很多成果，并且在采礦、破巖、清洗、冶金等各個(gè)方面都有廣泛的應(yīng)用[6-9]。破巖領(lǐng)域人們通過(guò)對(duì)水力脈沖射流進(jìn)行研究，優(yōu)化脈沖射流的能量在時(shí)間和空間上的分布，使射流速度和沖擊壓力得到大幅度地提高，水功率增加且能夠改善破巖后的凈化條件。

倪紅堅(jiān)，韓來(lái)聚等[10]使用自主研發(fā)的調(diào)制水力脈沖裝置，通過(guò)適當(dāng)?shù)乃δ芰哭D(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，將水力能量的脈動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到輔助破巖，提高機(jī)械鉆速的目的。王學(xué)杰，李根生等[11]通過(guò)使用空化射流裝置，將水力脈沖射流轉(zhuǎn)化為脈沖空化射流，并將常規(guī)復(fù)合鉆井的高轉(zhuǎn)速破巖與水力脈沖空化射流的有效清巖相結(jié)合，從而提高機(jī)械鉆速。王國(guó)華，陳正茂等[12]通過(guò)螺桿馬達(dá)提供動(dòng)力，使得與之相連的動(dòng)閥片與定閥片緊密配合做周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，為鉆頭破巖提供周期性的交變動(dòng)載荷，改變井底巖石的受力狀態(tài)，從而達(dá)到輔助破巖的目的。

綜上所述，雖然目前對(duì)水射流破巖的研究與振動(dòng)破巖的研究都已經(jīng)比較廣泛，但是基于二者相結(jié)合的研究卻甚少，因此本文通過(guò)結(jié)合水力脈沖以及振動(dòng)鉆井，展開(kāi)研究研發(fā)了脈沖式振動(dòng)破巖工具并通過(guò)數(shù)值模模擬以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)其關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)深部地層提速工具的優(yōu)化與設(shè)計(jì)具有重要工程參考價(jià)值。

2 工具設(shè)計(jì)原理及數(shù)值模擬

2.1 設(shè)計(jì)思路

通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井與水力脈沖鉆井工具的研究，設(shè)計(jì)了基于兩種鉆進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的脈沖式振動(dòng)破巖工具。該工具把兩種鉆井技術(shù)結(jié)合在一起，并將此工具安裝在鉆頭上部，當(dāng)鉆井液流過(guò)該工具時(shí)，工具內(nèi)的特殊結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生水力脈沖，通過(guò)水力能量的轉(zhuǎn)換引發(fā)工具振動(dòng)傳遞給鉆頭，使得鉆頭在正常鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生周期性振動(dòng)，井底水力脈沖震蕩將水力作用產(chǎn)生的壓力脈沖轉(zhuǎn)化為井底交變動(dòng)載荷，復(fù)合作用在井底產(chǎn)生局部負(fù)壓和較大的瞬時(shí)沖擊，利于巖屑脫離井底。該工具結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，振動(dòng)是由水力脈沖作用引起的，所以沒(méi)有沖擊錘等中間機(jī)構(gòu)，使得工具的壽命和穩(wěn)定性都得到了提高。

2.2 工作原理

如圖1所示，鉆井液從外殼短接上部進(jìn)入，經(jīng)過(guò)子彈形的錐角螺母與過(guò)流墊片充滿(mǎn)外殼短接與射流外套組成的環(huán)形空間，在上部壓力的作用下，流體從射流外套上的流道進(jìn)入射流外套內(nèi)，經(jīng)過(guò)射流外套流道的高速流體沖擊中軸葉輪上的葉片，葉片是固定在中軸葉輪上的，所以葉片驅(qū)動(dòng)中軸葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，液體從中軸葉輪下部四個(gè)對(duì)稱(chēng)的橢圓形流道進(jìn)入中軸葉輪內(nèi)，所敘中軸葉輪的結(jié)構(gòu)是上部封閉下部開(kāi)口的柱體，固定罩螺母為杯環(huán)形實(shí)體，在杯壁表面有與中軸葉輪相互配合的對(duì)稱(chēng)開(kāi)口，高速旋轉(zhuǎn)的中軸葉輪與固定罩螺母相互配合使下部流道不斷的打開(kāi)啟閉合，快速連續(xù)改變流道聯(lián)通面積的大小并產(chǎn)生脈沖擾動(dòng)，通過(guò)工具底部的自激振蕩腔室邊界條件的碰撞產(chǎn)生振蕩放大和反饋?zhàn)饔茫軌虬堰@種水力震蕩放大，震蕩的作用使得鉆頭處巖石的受力發(fā)生改變，巖石能夠輕易地離開(kāi)井底，從而避免重復(fù)破巖，與此同時(shí)水射流和水力震蕩對(duì)沖擊閥座進(jìn)行不間斷的水力沖擊并使其產(chǎn)生振動(dòng)，與沖擊閥座相連的沖擊短接把軸向沖擊傳遞給鉆頭，在水力脈沖和振動(dòng)沖擊的雙重作用下加速巖石的破壞，從而達(dá)到提高鉆進(jìn)速度的目的。

2.3 數(shù)值模擬分析

若對(duì)工具整體進(jìn)行數(shù)值模擬分析則計(jì)算量過(guò)大，因此對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，只對(duì)其關(guān)鍵部分進(jìn)行數(shù)值模擬[13-16]，將固液兩相流簡(jiǎn)化為單向流模擬，并以此建立單向流在工具內(nèi)的湍流模型，其中流體介質(zhì)為不可壓縮流體，在空間程度具有連續(xù)性，與外界無(wú)熱量交換，溫度保持不變[17-20]。

2.4 流體控制方程

流體的連續(xù)性方程為：

(1)

(2)

圖1 工具結(jié)構(gòu)Figure 1 Tool configuration

(3)

(4)

(5)

(6)

根據(jù)k-ξ湍流模型對(duì)上述方程進(jìn)行處理，得到液體在工具內(nèi)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，邊界為速度入口，出口邊界為環(huán)空圍壓，設(shè)置流體流動(dòng)狀態(tài)為湍流。

通過(guò)采用湍流k-ε數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的模型進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)工具進(jìn)行簡(jiǎn)化的數(shù)值模擬，采用自由剖分網(wǎng)格對(duì)工具進(jìn)行網(wǎng)格，對(duì)入口和出口的網(wǎng)格加大劃分密度從而達(dá)到即提高計(jì)算準(zhǔn)確性又能減小計(jì)算壓力，網(wǎng)格劃分如下圖2所示。

3 工具的可行性及影響因素分析

設(shè)置數(shù)值模擬的基本參數(shù)為井液密度為1.2g/cm3，入口速度為15m/s，動(dòng)力黏度為1.0mPa·s，數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3模擬結(jié)果所示，上部設(shè)置為中軸葉輪的進(jìn)液口，下部流設(shè)置為相互對(duì)稱(chēng)的六個(gè)流道口，通過(guò)對(duì)出口個(gè)數(shù)的選擇來(lái)模擬過(guò)流通道連續(xù)的打開(kāi)和閉合(圖3a)，出口個(gè)數(shù)設(shè)置為兩個(gè)對(duì)應(yīng)著過(guò)流面積最小時(shí)情況。如圖3所示，1區(qū)壓力分布較大驅(qū)動(dòng)中軸葉輪的旋轉(zhuǎn)，2區(qū)由于流道打開(kāi)流速變大導(dǎo)致壓力變小。

圖4所示為過(guò)流面積最大的情況。隨著泄流面積的不斷變大，流體可以更快的流出，導(dǎo)致其壓力急劇下降。隨著中軸葉輪的不斷旋轉(zhuǎn)，整個(gè)流道的過(guò)流面積不斷改變，工具內(nèi)的壓力不斷的進(jìn)行交替變產(chǎn)生水力脈沖射流，并引發(fā)工具振動(dòng)，產(chǎn)生的水力脈沖和水力震蕩傳遞給鉆頭達(dá)到輔助破巖的目的。

通過(guò)對(duì)模型整體插入線(xiàn)性的壓力測(cè)量線(xiàn)可以更直觀的得到工具內(nèi)部的壓力變化曲線(xiàn)(圖3)。由圖5可知，高速流體進(jìn)入工具后壓力增大，并驅(qū)動(dòng)中軸葉輪旋轉(zhuǎn)， 隨即液流通過(guò)工具下部的出口引起壓力變化并對(duì)下部沖擊閥產(chǎn)生沖擊完成一個(gè)周期，隨著內(nèi)部壓力不斷的變化，射流和沖擊力也發(fā)生變化，從而產(chǎn)生井下巖石應(yīng)力變化，達(dá)到輔助破巖的效果。

由于該工具的關(guān)鍵技術(shù)是通過(guò)射流外罩、中軸葉輪、固定罩螺母的相互配合產(chǎn)生不間斷的水力脈沖射流，導(dǎo)致壓力變化同時(shí)驅(qū)動(dòng)下部的沖擊閥座產(chǎn)生震動(dòng)，從而達(dá)到輔助破巖的目的，分析流道開(kāi)口的大小可以進(jìn)一步的探究?jī)?nèi)部壓力與出口大小的關(guān)系，以及它對(duì)工具的整體影響，而葉輪上葉片的數(shù)量是產(chǎn)生脈沖射流的關(guān)鍵，中軸葉輪上的葉片個(gè)數(shù)直接影響了流道開(kāi)口過(guò)流面積的變化頻率，這兩個(gè)因素是影響工具的主要因素，所以對(duì)其進(jìn)行影響因素分析，而相應(yīng)的排量等參數(shù)雖然對(duì)工具工作有一定影響，但由于現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境復(fù)雜，當(dāng)工具在其適用的排量范圍內(nèi)工作時(shí)，排量對(duì)工具整體影響因素較小。所以接下來(lái)將對(duì)工具中軸葉輪的葉片個(gè)數(shù)以及流道開(kāi)口的初始角度這兩個(gè)主要的影響因素進(jìn)行分析。

3.1 改變流道出口的大小

流道的出液口的大小是改變沖擊力的大小、水力脈沖強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一，通過(guò)改變流道出液口的大小，對(duì)工具內(nèi)壓力的變化進(jìn)行分析。通過(guò)改變工具初始角度來(lái)定量控制出液開(kāi)口的大小，分別設(shè)置工具其角度為20°、30°、40°來(lái)模擬過(guò)流面積對(duì)內(nèi)部壓力的影響。

圖2 網(wǎng)格劃分Figure 2 Mesh generation

圖3 改變出口個(gè)數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果Figure 3 Numerical simulated result of aperture number changing

圖a 出口部分封閉 圖b 出口完全打開(kāi)圖4 工具出口設(shè)置Figure 4 Tool aperture set up

圖5 內(nèi)部壓力變化曲線(xiàn)Figure 5 Internal pressure variation curve

圖6 不同流道開(kāi)口角度下工具內(nèi)部壓力變化與時(shí)間曲線(xiàn)Figure 6 Tool internal pressure variation and duration curves under different flow channel aperture angles

由圖6分析可知，開(kāi)口角度設(shè)置為40°時(shí)開(kāi)口變大由于中軸葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度一定，單位時(shí)間內(nèi)流道的變化頻率增加，所產(chǎn)生的壓力變化頻率較快，無(wú)法形成有效的憋壓，導(dǎo)致壓力變小，傳遞給鉆頭的振動(dòng)是高頻低幅的。當(dāng)開(kāi)口角度設(shè)置為20°時(shí)，開(kāi)口變小，流道的變化頻率減小，由于流道連通需要的時(shí)間增加，導(dǎo)致內(nèi)部壓力聚集，所以當(dāng)壓力釋放時(shí)則產(chǎn)生較大的壓力，頻率較小，即高幅低頻振動(dòng)。由于壓力變化是引起下部沖擊振動(dòng)的主要原因，所以當(dāng)工具壓力變動(dòng)頻率較高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致沖擊振動(dòng)能力減小，當(dāng)壓力頻率變化較大時(shí)，則會(huì)影響水力脈沖的效果。所以綜合考量開(kāi)口度數(shù)設(shè)置為30°時(shí)為產(chǎn)生脈沖射流的最優(yōu)角度。

3.2 排量與葉輪數(shù)量對(duì)水力脈沖的影響

通過(guò)改變工具的葉片數(shù)量與工具的排量并對(duì)其影響因素進(jìn)行分析，分別設(shè)置葉片數(shù)量為6、8、10片，入口流量為從11L/s增加到17L/s，結(jié)果圖7所示。

圖7 排量與脈動(dòng)振幅Figure 7 Displacement and impulse amplitude

由圖7所示，在葉片不同的情況下，脈動(dòng)振幅隨著排量的增加而增加，但當(dāng)排量增加到一定程度時(shí)，脈動(dòng)振幅趨于穩(wěn)定，其原因是雖然隨著排量增加導(dǎo)致中軸葉輪的轉(zhuǎn)速不斷增加，使用工具的脈動(dòng)幅值不斷增加，但當(dāng)排量增加到一定程度，達(dá)到葉輪轉(zhuǎn)速極限隨即趨于穩(wěn)定。

由圖7所示縱向?qū)Ρ扰帕恳欢〞r(shí)進(jìn)行，隨著葉片的數(shù)的增多，脈動(dòng)振幅不斷降低，原因是隨著葉片的增加，流道開(kāi)閉的頻率速度變快，隨即導(dǎo)致工具整體的憋壓能力下降，隨即產(chǎn)生高頻低壓的脈沖射流，較多的葉片會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部壓力變化不明顯，無(wú)法誘發(fā)工具產(chǎn)生振動(dòng)，而較少的葉片又會(huì)導(dǎo)致水力脈沖降低對(duì)鉆頭的沖擊，達(dá)不到清除巖屑和破碎巖石的效果。所以綜上所述，葉片的數(shù)量設(shè)置為8片最為適宜。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 鉆井參數(shù)設(shè)置

該試驗(yàn)井為直井，設(shè)計(jì)井深為3 500m，試段地層分別為三疊系劉家溝組，二疊系石千峰組、石盒子組、山西組、太原組；巖性為泥巖、細(xì)砂巖、煤。鉆井參數(shù)如表1所示。

表1 鉆井參數(shù)

4.2 提速效果與鉆頭磨損分析

本井中分別在3 050～3 120m和3 195～3 352m使用了該脈沖式振動(dòng)破巖工具。其中3 050～3 120m采用60kN鉆壓鉆進(jìn)，進(jìn)尺70m，機(jī)械鉆速4.48m/h，同本井同地層螺桿鉆具鉆進(jìn)井段對(duì)比，機(jī)速相當(dāng)；同鄰A井同地層螺桿鉆具鉆進(jìn)相比，機(jī)速亦相當(dāng)。3 195～3 352m采用80kN鉆壓鉆進(jìn)，進(jìn)尺157m，機(jī)械鉆速8.67m/h，同本井同地層螺桿鉆具鉆進(jìn)井段對(duì)比，機(jī)速提高80%；同鄰井A同地層螺桿鉆具鉆進(jìn)相比，機(jī)速提高85%。整體分析，脈沖式振動(dòng)破巖工具在該井應(yīng)用提速效果顯著。

本次配合旋扭沖擊器工具的鉆頭采用Φ215.9 mm鼎鑫TS1654D型鉆頭，刀翼類(lèi)型為五刀翼，PDC復(fù)合齒直徑為16mm，5個(gè)直徑17.5mm的噴嘴。鉆頭配合旋扭沖擊器兩次入井，如圖8所示鉆頭切削齒編號(hào)1中第一顆切削齒有輕微齒崩壞現(xiàn)象，其余牙齒均只有輕微磨損。通過(guò)對(duì)鉆頭軸承磨損進(jìn)行檢查，鉆頭軸承情況良好無(wú)明顯損壞現(xiàn)象。對(duì)鉆頭直徑進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明鉆頭直徑有輕微磨損，在可以接受的磨損范圍內(nèi)。由上述測(cè)量分析可知， 兩次鉆井完成后鉆頭新度89%以上，該脈沖式振動(dòng)破巖工具的高頻率振蕩松弛了地層，降低了地層對(duì)鉆頭的研磨性，同時(shí)提高了機(jī)械鉆速，有利于保護(hù)鉆頭，提高了鉆頭壽命。

圖8 出井鉆頭Figure 8 Production well bit

5 結(jié)論

1)通過(guò)把水力脈沖鉆井與振動(dòng)鉆井的優(yōu)勢(shì)技術(shù)相結(jié)合，研制出新型脈沖式振動(dòng)破巖工具。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行有限元模擬與分析，驗(yàn)證了該工具原理的可行性，并對(duì)其影響因素進(jìn)行分析，為工具的實(shí)際應(yīng)用打下理論基礎(chǔ)。

2)通過(guò)對(duì)影響工具的關(guān)鍵因素進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)其對(duì)其關(guān)鍵影響參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，通過(guò)改變流道的流通面積，對(duì)最優(yōu)過(guò)流角度進(jìn)行篩選優(yōu)化，改變?nèi)~片的個(gè)數(shù)對(duì)水力脈沖進(jìn)行分析優(yōu)化，得到該工具的最優(yōu)參數(shù)。

3)從本井參數(shù)對(duì)工具提速效果來(lái)看，該工具適合大鉆壓鉆井參數(shù)。從使用情況看，鉆壓80kN以上鉆進(jìn)效率明顯高于低鉆壓鉆進(jìn)作業(yè)效率。該工具與現(xiàn)場(chǎng)的適應(yīng)能力較強(qiáng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的操作無(wú)過(guò)多的要求，對(duì)鉆頭適應(yīng)性較強(qiáng)。

4)通過(guò)對(duì)工具的實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，接下來(lái)的重點(diǎn)工作應(yīng)對(duì)其結(jié)構(gòu)以及水力能量的轉(zhuǎn)化部分進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)與優(yōu)化，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用對(duì)其所適用的地層與參數(shù)進(jìn)行詳盡優(yōu)化。