水力脉冲提速工具作业性能分析

左 凯，马认琦，李 宁，郝宙正，白元彬，邢志彪

水力脉冲提速工具作业性能分析

左 凯，马认琦，李 宁，郝宙正，白元彬，邢志彪

（中海油能源发展监督监理技术公司，天津300452）

水力脉冲提速工具用于油气田钻井作业，可显著提高钻井效率。利用流体分析软件，建立了水力脉冲提速工具内部三维动态流场分析模型。通过对内部部件导流面角度、叶轮齿数、振荡腔长度等多组数据对比分析，得出了影响出口压力、叶轮转速、脉冲频率因素的理论数据，确定了不同因素改变引起的水力脉冲提速工具性能的变化规律。为此类工具参数优化设计提供理论基础。

水力脉冲；出口压力；流速；转速；脉冲频率

近年来，国内在油气田钻井提速工具研究上积累了大量经验，不少产品问世并用于各大油田，尤其是水力脉冲技术在钻井工艺中的广泛应用［1-2］。目前，水力脉冲提速工具还只能应用于指定地层，并不具有通用性，限制了产品大面积应用。因此，对水力脉冲技术和相应工具作研究与分析，寻找出水力脉冲工具优化设计和参数选择的规律，对今后设计通用型水力脉冲钻井提速工具有较高参考价值。本文通过对水力脉冲提速工具的作业性能分析，确定影响工具出口压耗、流速和脉动压力的结构因素，为提速工具的结构改进与性能优化提供参考。

1 结构原理

水力脉冲提速工具基本结构如图1所示，导流体置于本体内腔顶部，改变钻井液流动方向和速度，对叶轮叶片产生切向力，促使叶轮连续不断高速旋转。叶轮高速旋转连续改变流道面积，产生脉冲扰动［3］。叶轮总成产生水力脉冲，相对于自激振荡腔室入口为有源脉冲，位于工具最底部自激振荡腔室对水力脉冲信号放大并产生流体谐振，当其通过振荡腔室出口收缩截面进入谐振喷嘴时，产生压力波动，这种压力波动又反射回谐振腔形成反馈压力振荡，从而在谐振腔内产生流体声谐共振，在流体出口段产生强烈脉动脉冲空化涡环流，以波动压力方式冲击井底［4］。

图1 水力脉冲提速工具结构

2 三维模型建立

利用SOLIDWORKS软件建立水力脉冲工具基本结构三维模型。基于工具结构三维模型提取其内部流场区域，导入FLUENT软件进行流场分析。将流场区域进行网格划分，叶轮与振荡腔区域为整个工具最关键结构，网格划分较密，且叶轮结构网格划分为六面体，如图2所示。

图2 水力脉冲提速工具内部三维流场网格

根据流体网络理论，振荡腔固有频率为

式中：a为当地声速；A为入口面积；V为腔室容积；L为腔室长度。

由式（1）可知，影响振荡腔固有频率的结构因素主要包括：入口直径、出口直径、腔室内径和腔室长度。计算得水力脉冲结构内振荡腔固有频率为147 Hz。

流体流经腔室内的漩涡泄放频率为

式中：St为斯托劳哈数；D为振荡腔内径；v为振荡腔内流体速度。

影响流体漩涡泄放频率的主要因素包括：流体速度（排量）、振荡腔内径和斯托劳哈数。其中，入口直径和叶轮结构尺寸可对流体速度产生显著影响［5］。

国内外研究表明，当流体漩涡泄放频率与振荡腔固有频率接近时，振荡腔结构可产生共振脉冲。

3 作业性能分析

取入口处排量为2 m3／min，通过流场分析，可得工具内三维流速和压力分布如图3～4所示。由图3可知：叶轮边缘和振荡腔出口处的流速显著大于其他区域，最大流速可达76 m／s，即此工具可利用叶轮的快速转动使流体漩涡泄放频率增大并接近振荡腔固有频率，从而产生脉冲效应。图4中，在叶轮边缘和振荡腔出口处可见明显的负压，说明工具可产生负压效应。

图3 工具内流速分布

水力脉冲工具出口处的压力波动曲线如图5所示，压力波动频率为25 Hz，压力幅值为0.49 MPa，压力均值为－0.145 MPa，整个工具压耗为0.9 MPa。由于叶轮片数为6片，1个压力波动周期内有6个脉冲，每个脉冲的频率为150 Hz，接近振荡腔固有频率。

图4 工具内压力分布

图5 叶轮片数变化时出口压力分布

3.1 叶轮片数和直径的变化

叶轮片数改成5片和7片，使得工具振荡频率发生了变化，叶轮片数变化对压耗影响不大；叶轮直径对出口压力波动频率、幅值、均值都有影响，叶轮直径越大，压力波动频率越大，幅值越大，如图6所示。

图6 叶轮直径变化时出口压力分布

3.2 振荡腔内径和长度的变化

振荡腔长度仅对出口压力波动频率影响较大，长度越小，压力波动频率越大；振荡腔内径对出口压力波动频率、幅值、均值都有影响，内径越小，压力波动频率、幅值和均值绝对值都增大；振荡腔内径减小增大压耗。如图7所示。

图7 振荡腔内径和长度变化时出口压力分布

3.3 振荡腔入口和出口直径的变化

振荡腔出口直径仅对压力均值影响较大，直径越小，压力均值绝对值越大；振荡腔入口直径对出口压力波动频率、幅值、均值都有影响，直径越小，压力波动频率、幅值增大，负压范围变小，空化效应降低；振荡腔入口和出口直径减小均增大压耗。如图8所示。

图8 振荡腔入口和出口直径变化时出口压力分布

3.4 钻井液排量的变化

随着钻井液排量增大，出口压力波动频率、幅值和均值绝对值都增加；但压耗也显著增大，所以增加排量的同时需要考虑压耗增加产生的负面影响，综合平衡二者之间的关系。如图9所示。

图9 钻井液排量变化时工具出口压力分布

4 结论

1） 影响出口压力波动频率的参数包括钻井液排量、叶轮片数和直径、振荡腔长度、内径及入口直径；影响出口压力幅值的参数包括钻井液排量、振荡腔内径和入口直径；影响出口压力均值的参数包括钻井液排量、振荡腔内径、入口和出口直径。

2） 由于钻井液排量不可控及振荡腔入口直径变小会显著消弱压力的负压效应，故要增大压力波动频率，可增大叶轮片数、直径或减小振荡腔长度，此时叶轮转速增大，寿命降低；要增大压力幅值，可减小振荡腔内径，此时压耗增大；要产生更低的负压均值，可减小振荡腔内径和出口内径，此时压耗增大。

3） 对于较浅的软地层，钻井管柱系统总压耗要求较低，可适当提高压耗以提高工具出口流速，达到更快清洁井底碎屑的目的；对于较深的中硬地层，钻井管柱系统总压耗要求较高，在保证工具水力冲击性能的前提下需要尽量降低压耗；另外，由于叶轮转速很快，应选用高强度和高耐磨性的叶轮和叶轮轴材料。

［1］ 孔学云，马认琦，刘传刚，等.水力脉冲工具流场模拟及应用［J］.石油矿场机械，2013，42（2）：52-56.

［2］ 倪红坚，韩来聚，马清明，等 水力脉冲诱发井下振动钻井工具研究［J］.石油钻采工艺，2006，28（2）：15-20.

［3］ 王学杰，李根生，康延军，等.利用水力脉冲空化射流复合钻井技术提高钻速［J］.石油学报，2009，30（1）：117-120.

［4］ 王福军.计算流体动力学分析［M］.北京：清华大学出版社，2004，121-124.

［5］ 杨永印，沈忠厚，王瑞和，等.低压脉冲射流井底欠平衡钻井提高钻速机理分析［J］.石油钻探技术，2002，30（5）：15-16.

Analysis on the Performance of Hydraulic Pulse Tool

ZUO Kai，MA Ren-qi，LI Ning，HAO Zhou-zheng，BAI Yuan-bin，XING Zhi-biao
（Energy Technology&Services Supervision&Technology Company，CNOOC，Tianjin 300452，China）

Drilling efficiency can be significantly improved by the hydraulic pulse tool used in drilling.Fluid analysis software is used in establishing the three-dimensional dynamic flow analysis model，through of the hydraulic pulse tool，angle of the guide face，number of the teeth and length of the oscillation cavity are analyzed.Conclusion of the influence for outlet pressure，speed of the impeller and impulse frequency are made.Change regulation of the performance for hydraulic pulse tool on different factor is confirmed.This can offer the basis method for optimization design of parameters of hydraulic pulse tools.

hydraulic pulse；outlet pressure；flow rate；speed；pulse frequency

TE921

A

1001-3482（2014）03-0019-04

2013-09-23

左 凯（1979-），男，河北保定人，工程师，主要从事海洋石油钻井、完井、修井井下工具方面的研究，E-mail：zuokai＠cnooc.com.cn。