定转子式低压脉冲射流调制器低压调制特性试验研究

夏文安，李文飞，杨永印，张建涛

（1.胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营257017；2.中国石油大学（华东），山东东营257061） ＊

·试验研究·

定转子式低压脉冲射流调制器低压调制特性试验研究

夏文安1，李文飞1，杨永印2，张建涛1

（1.胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营257017；2.中国石油大学（华东），山东东营257061）＊

利用B ＆K声压测试系统对新型低压脉冲射流调制器样机振动特性进行试验，系统研究了调制器工作特性随钻头压降、钻井液流量及定子倾角等参数变化的规律。结果表明：调制器振动频率随钻井液流量的增加而增大，随钻头压降上升而基本不变，随定子流道倾角的增大而增高。为全尺寸定转子式脉冲调制器的设计和应用提供依据。

低压脉冲；射流；调制；振动；试验

在钻深井、超深井中，除了钻井设备、地层岩石可钻性降低等客观因素外，井底压差过大是影响深井、超深井机械钻速提高的重要因素之一［1］。对低压脉冲射流提高钻速机理的研究发现，脉动性的低压波更有利于克服井底压差、提高钻速［2］，而研发可产生脉冲射流的设备成为该技术由理论走向实际应用的重要途径。定转子式低压脉冲射流调制器就是专门设计的一种产生低压脉冲的调制设备，为了更进一步开发全尺寸的现场应用设备［3］，有必要对该设备的工作特性进行试验。

1 工作原理

定转子式低压脉冲射流调制器是根据瞬变流理论［4］设计的，能产生一定低压脉动波［5］。其工作原理为：当液流通过调制器时，在定子流道的作用下液流被迫受力而改变流向，同时由于流体通道变窄，液流流速增大；改变流向后的液流冲击转子使其以一定的转速转动，在机械（中心轴、下部垫片）和水力摩擦阻力的作用下，转子转动力矩达到平衡（即Mz＝0），这时转子以一定的角速度旋转；当其旋转到一定位置并瞬间阻断定子的流道时，调制器下部的流体便依靠自身的惯性继续向下流动，从而产生瞬时低压波［2］；随着时间的延长，该低压波逐渐向下游传播并达到井底，所到之处的压力状态则变为低压状态（如果该低压状态的压力等于地层压力，井底则为平衡压力状态；如果压力低于地层压力，井底呈负压状态［6－8］）；转子在惯性的作用下继续旋转，流体又通过转子的流道向下部流去，主流开通后，脉动器内部的压力由低压状态恢复到正常压力值，井底也随之升至正常压力状态。通过上述周期性的旋转，上部的连续流动即转变为周期性的压力脉动［9］液流。

2 试验设备及方法

本试验在中国石油大学（华东）高压水射流研究中心进行，主要研究定转子式低压脉冲射流调制器的动态特性随钻头压降p、钻井液流量Q、定子倾角θ等3组参数变化的规律，测试调制器产生的脉动低压的波动范围。试验设备主要包括高压供水系统、定转子式低压脉冲射流调制器、100kHz的B ＆K声压测试系统、压力表、压力传感器（如图1）。

试验时，在调制器出口处安装压力传感器，测试数据输入计算机后以波形图显示。根据波形图中波峰、波谷的变化特点，确定低压脉冲射流调制器的振动频率、低压幅值的变化及脉动低压的波动范围。

图1 低压脉冲射流调制器脉动低压试验系统

3 试验结果及分析

图2 调制器下游流体脉动波形

在试验条件下（定子流道倾角20°、流量Q＝240 L／min、压力p＝5MPa，质量m＝1.6kg），测量的定转子式低压脉冲射流调制器下部流体脉动波形如图2。通过对试验数据进行归纳、采集和回归，即可得到定转子式低压脉冲射流调制器的振动频率随钻头压降p、钻井液流量Q、定子倾角θ等参数变化的规律以及调制器产生脉动低压的幅值。

3.1 水力参数对性能的影响

3.1.1 流体流量

1） 对振动频率的影响。

在现场钻井过程中，为了达到最优的井底净化效果，需要提高机械钻速，为此必须进行水力参数的优化设计。其中，钻井液流量是水力参数设计过程中的重要参数。

图3为定转子式低压脉冲射流调制器的振动频率随钻井液流量Q变化的特点。由图3可以看出，调制器振动频率随钻井液流量Q的增加而增大。产生这一现象的原因是，当通过调制器的流体流量增加时，在不变的流道中的流速相应增大。

转子受到的横向冲击力为

由式（1）可得：转子受到的水平切向力增加，旋转周期缩短，阻断定子流道的频率升高，所以射流脉动频率增加；反之，调制器下部流体的射流脉动频率降低。

图3 振动频率随钻井液流量变化的规律

2） 对脉动低压幅值的影响。

图4为定转子式低压脉冲射流调制器低压幅值随流体流量Q变化的特点。由图4可见，调制器的低压振动幅值随着流量的增加而增大。因为在一定的流量范围内，Q增加，调制器的脉动频率增大，单位时间内的速度变化量也随之增加。

脉动低压幅值为

式中，ρ为介质密度，kg／m3；Δv为速度变化，m／s；v0为初始速度，m／s；E为流体体积弹性模量，Pa；Δp为脉动低压的幅值，Pa。

由式（2）可得：脉动低压的幅值Δp随速度变化量Δv的增加而增大；反之，Q减小，脉动频率降低，速度变化量减小，振幅降低。

图4 低压幅值随流体流量变化的规律

3.1.2 钻头压降

在钻井过程中，提高射流的喷速和冲击力主要依靠增加钻头压降。所以，该参数是影响调制器脉动性能的重要参数之一。

1） 对振动频率的影响。

不同流量和不同倾角、流量条件下振动频率随钻头压降变化的规律如图5～6所示。由图5～6可以看出：钻头压降的变化对调制器振动频率的影响规律基本相同，钻头压降增加，调制器的振动频率基本无变化。因为转子关闭定子流道的动力来源于上部流道的流体，它只与流量和流速有关，与压降无关。

图5 不同流量条件下振动频率随钻头压降变化的规律

图6 不同倾角和流量条件下振动频率随压降的变化规律

2） 对脉动低压幅值的影响。

图7为定转子式低压脉冲射流调制器调制射流产生的脉动低压的幅值随钻头压降变化的规律。由图7可以看出：通过调制器的流量Q不变时，流速也无变化（流道为定值），所以钻头压降变化对脉动幅值基本没有影响。

3.2 定子流道倾角对性能的影响

定子是改变上部流体流向及使流体产生横向切力的主要部件，定子流道倾角可强迫流体改变流向，使定子下部的转子产生切向冲击力，迫使转子旋转。如果倾角为零或者太小，转子不能旋转，上部流体便无法被阻断，因而也不能产生流体脉动频率。

图7 不同流量条件下脉动低压随压降变化的规律

3.2.1 对振动频率的影响

图8为定转子式低压脉冲射流调制器振动频率随定子倾角θ变化的规律。根据式（1），随着θ的增大，转子受到的切向力增加，但转动周期减小，因而脉冲调制器的频率增大。

图8 低压脉冲射流调制器振动频率随定子倾角变化的规律

3.2.2 对脉动低压幅值的影响

图9为转子式低压脉冲射流调制器脉动低压幅值随定子倾角θ变化的规律。由图9可以看出：随着定子倾角的增大，作用在转子上的流体冲击力上升，转子转速增大，阻断流体的时间缩短，经过调制器调制的流体速率变化量增加，所以脉动低压幅值提高。

图9 低压脉冲射流调制器脉动低压幅值随定子倾角变化的规律

4 结论

1） 定转子式调制器的振动频率和脉动低压幅值随钻井液流量Q的增加而逐渐增大，随压降p的增大基本不变。

2） 随着定子流道倾角的增加，调制器振动频率和脉动低压幅值都是增大的。

3） 测量结果表明，在试验条件下脉动低压幅值可达2～4MPa。

4） 为了研制出现场使用的全尺寸低压脉冲射流调制器，还需要更进一步优化调制器的部分结构参数。

5） 影响定转子式脉冲调制器工作效果的因素很多，还需要在现有的研究基础上进一步深入和扩展。

6） 利用本调制器调制射流在井底产生脉动低压，达到了降低井底“压持效应”的目的，技术难度小，使用方法简便。初步试验表明，产生的低压效果明显，为大幅度提高机械钻速提供了一种有效的手段，值得大力研究和发展。

［1］ 沈忠厚.水射流理论与技术［M］.东营：石油大学出版社，1998.

［2］ 杨永印，沈忠厚，王瑞和.低压脉冲射流井底欠平衡钻井提高钻速机理分析［J］.石油大学报：自然科学版，2002，30（5）：15－16.

［3］ 潘新伟，王旱祥，王兴建，等.水力割缝工具射流工艺参数设计研究［J］.石油矿场机械，2009，38（9）：36－38.

［4］ 谢 葵，王建年.水力脉冲式钻井提高钻速［J］.国外石油机械，1999（12）：35－39.

［5］ 魏 强，李 黔，曹叔尤.一种新型负压脉冲钻井工具的设计及研究［J］.石油矿场机械，2007，36（6）：39－41.

［6］ 张国忠.流道瞬变流动分析［M］.东营：石油大学出版社，1994.

［7］ 李春林.磨料射流射孔压裂一体化工具的设计［J］.石油矿场机械，2011，40（3）：56－58.

［8］ 杨云霞，潘 华，曹雪洪.负压钻井技术的发展与应用［J］.石油钻探技术，1998，26（4）：32－34.

［9］ 陈小榆，练章华，蒋 洪.井下机械式脉动发生器的实验研究［J］.西南石油学院学报，2000，22（2）：27－30.

Experiment Research on Character of Stator and RotorLow－pressure Pulse Jet Modulator

XIA Wen－an1，LI Wen－fei1，YANG Yong－ying2，ZHANG Jian－tao1
（1.Drilling Technology Research Institute，Shengli Petroleum Administrative Bureau，Dongying257017，China；2.China University of Petroleum，Dongying257061，China.）

The performance of the modulator is experimentally studied with the B ＆K sound－pressure test system.The dynamic characteristics of a newly designed low－pressure pulses modulator are studied according to its structural parameters and the working hydraulic parameters such as the stator’s obliquity，pressure drop and fluid volume and so on.The result of the experiment show that frequency of the modulator increase with increase of the fluid volume and the stator’s obliquity，which provide an effective assistant way in the further study and application of the fullsize rotor／stator low－pressure pulse jet modulator.

low－pressure pulse；jet；modulation；oscillation；experiment

1001－3482（2012）11－0042－04

TE927

A

2012－05－03

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”（2011ZX05022－001）；中石化集团公司重点科研攻关项目“胜利油田复杂断块油藏立体开发技术研究”（P09037）

夏文安（1977－），男，陕西扶风人，工程师，主要从事钻井工艺技术研究，E－mail：xwaupc＠163.com。