大位移井減阻工具性能試驗與數(shù)值模擬

張 毅

(中國石化集團 國際石油工程有限公司，北京100020)

在鉆大位移井和長水平井時，鉆柱與井筒壁面的接觸面積增大，管柱摩阻增加，容易造成托壓[1]，導(dǎo)致鉆壓難以有效傳遞給鉆頭，大位移井眼延伸能力有限，影響鉆井性能與效率。摩阻大、托壓不僅可能引起粘滑、卡鉆等井下事故的發(fā)生[2-3]，還可誘發(fā)鉆柱屈曲、工具面失效、鉆速下降或異常等問題，從而嚴(yán)重影響大位移井的安全快速鉆進[4]。經(jīng)研究證實，在大位移井鉆井過程中使用軸向振動工具，可以有效降低管柱摩阻[5-10]，進而在井身設(shè)計、鉆井設(shè)備、施工參數(shù)等條件保持基本穩(wěn)定時，顯著改善機械鉆速，延伸井眼長度。水力脈沖技術(shù)能將連續(xù)穩(wěn)定射流調(diào)制成脈動射流，產(chǎn)生水力脈沖壓力，并使鉆柱產(chǎn)生軸向振動。目前，利用水力脈沖驅(qū)動管柱軸向振動技術(shù)的研究主要是通過試驗的方法來得到有關(guān)參數(shù)，由于現(xiàn)場條件有限，相關(guān)參數(shù)的獲取不易，并且工具內(nèi)部元件的形狀和尺寸等對水力脈沖壓力波動特性的影響規(guī)律尚不清晰，限制了工具參數(shù)優(yōu)化和相關(guān)技術(shù)改進。

針對上述問題，筆者設(shè)計了一種新型減阻工具，能夠利用鉆井液實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，誘發(fā)管柱形成一定振幅和頻率的軸向振動，可在大位移井、水平井鉆井過程中實現(xiàn)降摩減阻，增加鉆頭鉆壓，提高機械鉆速，延長井眼靶徑。通過工具性能試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對工具內(nèi)葉輪的葉片數(shù)、承壓板的通孔面積、鉆井液排量等關(guān)鍵參數(shù)進行了量化分析，以期為水力脈沖誘發(fā)鉆柱軸向振動研究和相關(guān)工具優(yōu)化提供依據(jù)。

1 大位移井減阻工具設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

大位移井減阻工具由本體、水力脈沖射流發(fā)生裝置和軸向振動裝置組成，如圖1所示。本體由上筒和下筒組成。水力脈沖射流發(fā)生裝置由導(dǎo)流體、葉輪組件、振蕩噴嘴等組成。軸向振動裝置由承壓板、活塞部、碟簧部、中心管組成?；钊Y(jié)構(gòu)由內(nèi)到外依次為活塞套、油封、活塞。碟簧由碟簧上壓套、碟簧組、碟簧調(diào)節(jié)套、碟簧座和碟簧護套組成。

1-上筒；2-導(dǎo)流體；3-葉輪座；4-振蕩噴嘴；5-活塞套；6-中心管；；7-碟簧上壓套；8-碟簧芯桿；9-碟簧座；10-下筒；11-傳動套；12-傳動管；13-下母接頭；14-碟簧調(diào)節(jié)套；15-碟簧護套；16-碟簧組；17-活塞；18-油封；19-承壓板；20-噴嘴座；21-葉輪及軸。圖1 大位移井減阻工具結(jié)構(gòu)

1.2 主要零件的結(jié)構(gòu)和功能

水力脈沖射流發(fā)生裝置主要零件的結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過改變水力脈沖射流發(fā)生裝置中葉輪的葉片數(shù)，可以調(diào)節(jié)水力脈沖射流壓力的頻率和脈動幅值[11]。

圖2 水力脈沖射流發(fā)生裝置主要零件結(jié)構(gòu)

軸向振動裝置工作時，活塞受力面和承壓板承受水力脈沖壓力，在流體壓力與碟簧組的共同作用下，中心管及傳動管可實現(xiàn)往復(fù)運動，從而誘發(fā)工具的軸向振動。承壓板上有可供鉆井液流動的通孔，在工具設(shè)計中可以通過改變通孔面積、通孔數(shù)量或相對位置來調(diào)節(jié)承壓板所受的脈沖壓力和工具壓降。

1.3 工作原理

大位移井減阻工具的工作原理如圖3所示。工具工作時，鉆井液流經(jīng)導(dǎo)流體，流體流動方向在此處發(fā)生改變，快速撞擊葉輪，推動葉輪旋轉(zhuǎn)。此時，葉輪葉片周期性地改變工具內(nèi)流經(jīng)通道的面積，擾動流體并使其產(chǎn)生脈動壓力。該壓力通過振蕩噴嘴的調(diào)制和放大后施加在活塞受力面和承壓板上。當(dāng)流體的壓力增大時，鉆井液推動活塞及中心管運動，中心管推動碟簧上壓套壓縮碟簧組，這時碟簧組聚集能量，中心管帶動傳動管伸出，如圖3a所示。流體壓力降低時，活塞受力面及承壓板承受的作用力變?nèi)酰@時碟簧組釋放能量，帶動碟簧上壓套、中心管及活塞收縮，如圖3b所示。這樣水力脈沖射流發(fā)生裝置為軸向振動裝置提供動力，使大位移井減阻工具的中心管和傳動管能夠進行往復(fù)運動，即，為鉆柱的軸向振動提供能量，從而優(yōu)化鉆壓傳遞，改善作業(yè)效果，有效延伸水平井眼長度。

圖3 大位移井減阻工具工作原理

2 室內(nèi)試驗

為了測試大位移井減阻工具的工作狀態(tài)、水力脈沖特性和振動性能，設(shè)計了試驗方案，如圖4所示。首先加工?127 mm型減阻工具的各個零配件并進行裝配，工具選用6葉片數(shù)的葉輪，設(shè)計承壓板中心通孔的面積為78.5 mm2。組裝好的大位移井減阻工具2端分別與泥漿泵的進、回水管線連接，將1組壓力傳感器安裝于水力脈沖射流發(fā)生部分的入口端，用于檢測流體在進入減阻工具之前的壓力情況。將另1組壓力傳感器安裝于軸向振動部分的出口端，用于測量流體在工具出口處的壓力變化。在軸向振動部分安裝位移傳感器，用于實時測量由水力脈沖壓力誘發(fā)的軸向振動位移。

圖4 大位移井減阻工具性能試驗裝置原理

在不同流量條件下，測量了減阻工具的壓力脈動頻率及幅值、軸向振動位移等性能參數(shù)，如表1所示。可以看出，隨著排量的增大，脈動頻率和幅值、軸向振動位移均逐漸增大，且經(jīng)過長時間循環(huán)試驗，減阻工具工作性能穩(wěn)定。軸向振動部分內(nèi)中心管及傳動管在上游周期性脈動壓力的作用下，能夠產(chǎn)生持續(xù)、穩(wěn)定、低振幅的振動。

表1 大位移井減阻工具主要性能參數(shù)

排量10 L/s時，減阻工具軸向振動位移隨時間變化的曲線圖如圖5所示?？梢钥闯?，軸向振動部分內(nèi)中心管及傳動管在上游周期性脈動壓力的作用下做往復(fù)運動，最大軸向振動位移是4.28 mm，最小值是1.84 mm。

圖5 排量為10 L/s時，軸向振動位移隨時間變化的規(guī)律

3 現(xiàn)場試驗

大位移井減阻工具在 ZK-X井進行現(xiàn)場試驗，試驗地層為含礫砂巖。鉆具組合為?215.9 mm鉆頭+?178 mm大位移井減阻工具+?165 mm無磁鉆鋌×25根+?127 mm 加重鉆桿×15根+?127 mm鉆桿。試驗井段為2 506～2 529 m(二開)，純鉆時間為 24.7 h，進尺22 m，排量約30 L/s，所鉆井段的施工參數(shù)如表2所示。

表2 大位移井減阻工具現(xiàn)場試驗施工參數(shù)

圖6對比了上部井段與試驗井段的機械鉆速，即，在現(xiàn)場施工參數(shù)基本不變的情況下，下入大位移井減阻工具后，工具工作性能穩(wěn)定。機械鉆速為0.81～1.62 m/h，與相鄰上部井段相比，機械鉆速提高了20.2%。

圖6 機械鉆速對比

4 大位移井減阻工具流場數(shù)值模擬

4.1 模型建立

水力脈沖射流發(fā)生裝置通過葉輪轉(zhuǎn)動，將連續(xù)流體流動調(diào)制為脈沖射流。為開展大位移井減阻工具內(nèi)水力脈沖壓力波動特性數(shù)值研究，可通過轉(zhuǎn)動模型中的滑移網(wǎng)格模型求解。工具的流場區(qū)域從上母接頭入口開始，經(jīng)導(dǎo)流體、葉輪、自激振蕩腔室及噴嘴、承壓板通孔、中心管等，最終到中心管出口處。由于大位移井減阻工具的結(jié)構(gòu)近似為平面對稱結(jié)構(gòu)，故采用二維數(shù)值模擬方案。鉆井液從左端上母接頭進入，先后經(jīng)導(dǎo)流體、葉輪、自激振蕩腔室及噴嘴、承壓板通孔和中心管等部件，從中心管末端流出。對計算域利用Gambit軟件運用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型劃分。另外，為了優(yōu)化計算精度，在葉輪葉片的轉(zhuǎn)動部分又施加了局部網(wǎng)格加密[12]。所建的大位移井減阻工具物理模型如圖7所示。

1-上母接頭；2-導(dǎo)流體；3-葉輪；4-活塞；5-中心管；6-承壓板；7-自激振蕩腔室及噴嘴。圖7 大位移井減阻工具物理模型

邊界條件：入口條件是速度(排量)入口邊界，出口條件是出口流動邊界。葉輪表面采用速度無滑移條件，旋轉(zhuǎn)速度和葉輪軸轉(zhuǎn)速相同，葉輪表面為旋轉(zhuǎn)壁面，其余外壁為固定壁面[13-15]。

4.2 數(shù)值模擬方案

針對影響大位移井減阻工具工作性能的水力脈沖波動特性進行數(shù)值模擬，制定了?127 mm尺寸工具的數(shù)值模擬參數(shù)組合。

改變?nèi)~輪葉片的數(shù)目可以調(diào)節(jié)水力脈沖壓力脈動頻率和幅值，進而改變活塞及承壓板受力情況，調(diào)節(jié)工具軸向振動的位移大小。各個葉片數(shù)目的模擬方案如表3。

表3 不同葉片數(shù)影響規(guī)律的參數(shù)組合

改變承壓板上的通孔面積、數(shù)量或相對位置，可調(diào)節(jié)工具脈動壓力作用大小及工具壓降，達到調(diào)節(jié)工具軸向振動位移的目的。各個承壓板通孔面積的模擬方案如表4。

表4 不同通孔面積影響規(guī)律的參數(shù)組合

4.3 模擬結(jié)果分析

4.3.1 壓力場分布

設(shè)定排量為10 L/s，通過可視化裝置測定6葉片葉輪轉(zhuǎn)速為82 r/min，監(jiān)測工具內(nèi)部流場穩(wěn)定后在葉輪轉(zhuǎn)動1圈時間內(nèi)的壓力變化規(guī)律。工具內(nèi)部流體壓力場分布云圖如圖8所示。可以看出，隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，在振蕩噴嘴出口端出現(xiàn)的低壓區(qū)不斷變化，從積累到逐漸消失，然后又逐漸積累，即葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中，會對左側(cè)來流產(chǎn)生周期性擾動，進而引發(fā)壓力脈動。該壓力作用在下筒活塞及承壓板上，對碟簧組及中心管可施加周期性作用力，驅(qū)動工具產(chǎn)生軸向振動。

圖8 不同時刻裝置內(nèi)部流體壓力場分布云圖

水力脈沖壓力脈動幅值是指周期性脈動壓力的最大值與最小值之差。監(jiān)測工具入口和出口總壓力隨時間變化的規(guī)律，可以得到工具入口脈動壓力幅值為1.43 MPa，出口脈動壓力幅值為0.78 MPa。

4.3.2 葉輪葉片數(shù)對水力脈沖壓力波動特性的影響規(guī)律

保持承壓板通孔面積不變，改變?nèi)~輪葉片數(shù)和流體排量，可以得到不同葉片數(shù)的減阻工具入口和出口處脈動壓力幅值隨排量變化的關(guān)系，如圖9～10所示。通過數(shù)據(jù)擬合可以看出，不同葉片數(shù)減阻工具的入口脈動壓力幅值、出口脈動壓力幅值均隨排量的增大而線性增大。保持排量不變，增加葉輪的葉片數(shù)，減阻工具入口及出口處的脈動壓力幅值變小，脈動壓力幅值隨排量線性變化的程度趨緩。這是由于隨著入口排量的加大，入口壓力也會增大，并且因為來流流速的增加，葉輪的摩擦阻力增大，從而減阻工具的摩阻增大，但工具摩阻及壓降的增幅明顯小于工具入口壓力的增幅，因此隨著入口排量的增大，出口壓力幅值也會增大[16-17]。

圖9 不同葉片數(shù)減阻工具入口脈動壓力

圖10 不同葉片數(shù)減阻工具出口脈動壓力

葉輪葉片數(shù)對減阻工具壓降的影響如圖11所示，即，不同葉片數(shù)減阻工具的壓降隨著排量的增加而增大，且增長趨勢為冪次方增長，而葉輪葉片數(shù)對減阻工具壓降的影響程度不大。

圖11 不同葉片數(shù)減阻工具壓降隨

4.3.3 承壓板通孔面積對水力脈沖壓力波動特性的影響規(guī)律

通過改變承壓板上的通孔面積、數(shù)量或相對位置，可以調(diào)節(jié)承壓板及下筒活塞所受的脈動壓力值，并可根據(jù)工況調(diào)節(jié)整個減阻工具的壓降大小。在二維數(shù)值模擬方案中，可通過設(shè)定等效通孔直徑來模擬，設(shè)定等效通孔直徑分別為10 mm(等效面積78.5 mm2)和20 mm(等效面積314 mm2)，葉輪葉片數(shù)設(shè)定為6。

圖12～13給出了不同等效通孔面積條件下，減阻工具入口和出口的脈動壓力幅值隨排量變化的關(guān)系?？梢钥闯觯瑴p阻工具的脈動壓力幅值隨著承壓板通孔面積的增大而顯著降低。這是由于隨著通孔面積的增大，對來流的節(jié)流影響越小，造成工具的脈動壓力幅值減小。

圖12 不同通孔面積減阻工具入口脈動壓力

圖13 不同通孔面積減阻工具出口脈動壓力

圖14為2種不同承壓板等效通孔面積下，減阻工具的壓降隨排量變化的情況。隨著通孔面積的擴大，工具壓降顯著減小。這是由于隨著通孔面積的增大，有效減小了沿程摩阻。

圖14 不同通孔面積減阻工具壓降隨排量變化的規(guī)律

5 結(jié)論

1) 大位移井減阻工具結(jié)合水力脈沖技術(shù)和軸向振動減阻技術(shù)，可利用水力脈沖壓力波動使得鉆柱產(chǎn)生軸向振動。在大位移井、水平井等鉆進過程中，有效減小鉆柱與井壁或套管壁間的摩阻，改善鉆壓傳遞，延伸井眼長度，提高鉆井效率。

2) 性能試驗表明，大位移井減阻工具在長時間循環(huán)試驗中能夠保持正常工作，并能產(chǎn)生穩(wěn)定、持續(xù)、低振幅振動。壓力脈動頻率和幅值、工具壓降以及軸向振動位移都會隨排量的增加而變大?，F(xiàn)場使用大位移井減阻工具后，機械鉆速得到了顯著提高。

3) 數(shù)值模擬分析表明，大位移井減阻工具葉輪的葉片數(shù)增加，工具的脈動壓力幅值降低，而工具壓降受葉輪葉片數(shù)的影響程度較小；承壓板的通孔面積增大，工具的脈動壓力幅值降低，壓降減小。

4) 研究結(jié)果驗證了大位移井減阻工具設(shè)計的可行性，可為水力脈沖驅(qū)動鉆柱軸向振動研究和相關(guān)工具參數(shù)優(yōu)化提供支持。