水力振荡器振动特性的影响因素

余长柏，黎明，刘洋，李红，信石玉

（1.中国石化石油工程机械有限公司研究院，湖北 武汉 430000；2.中国石化石油机械装备重点实验室，湖北 武汉 430000）

水力振荡器振动特性的影响因素

余长柏1，2，黎明1，2，刘洋1，2，李红1，2，信石玉1，2

（1.中国石化石油工程机械有限公司研究院，湖北 武汉 430000；2.中国石化石油机械装备重点实验室，湖北 武汉 430000）

为了合理分析水力振荡器的振动特性影响因素，文中根据水力振荡器在井下的实际工况，通过条件假设、模型简化，建立了关于水力振荡器井下工具组合的振动分析模型，选取合适的钻井参数，分析得到水力振荡器在静阀板中心孔直径不同、相对钻头的安放位置不同时的振动特性。通过室内实验与下井试验，进一步分析这2个重要参数对工具振动特性的影响。研究表明：随着静阀板中心孔直径的增大，水力振荡器的振动位移和振动速度均逐渐减小；随着安放位置与钻头距离的增大，水力振荡器的振动位移和振动速度均逐渐增大。研究结果对下井工艺的应用具有重要指导意义。

水力振荡器；振动分析；中心孔直径；安放位置；减摩降阻

0 引言

定向井、水平井和大位移井技术是有效开发复杂油气藏、海洋油气资源的重要手段［1-3］。在定向井、水平井和大位移井的实际钻探过程中，其斜井段和水平段的钻柱与井壁直接接触，导致摩阻成为钻井过程中的一个关键问题，国内外围绕钻井减阻问题进行了大量研究。蔡伟伟［4］用实验方法验证了化学减阻方法能够减小井壁摩阻；李博［5］通过水力振荡器在某井中的实际应用，有效地降低水平井摩阻；董学成等［6］用数值模拟分析的方法，研究了不同参数对水力振荡器破岩效率的影响；Franklin等［7］通过分析不同的应用案例，验证了水力振荡器对页岩气开采具有很大帮助；田家林等［8］从理论上分析钻井振荡器工作的振动特性，并通过台架实验，验证了钻井振荡器的工作效果。

上述主要针对现场试验研究，并未进行水力振荡器井下振动特性的理论分析和井下工作模型的建立。因此，为进一步深入分析水力振荡器的工作特性，建立了井下工具组合的振动分析模型，分析了水力振荡器轴向振动特性的影响因素，为井下工具组合的优化设计提供理论依据，并为钻井工具提速增效提供新思路。

1 振荡器结构及原理

水力振荡器主要由轴向振动短节、动力短节、阀门系统3部分组成，如图1所示。其中，动力短节主要由螺杆组成，阀门系统主要由振荡阀盘和定阀盘组成［9］。

图1 水力振荡器结构示意

轴向振动短节主要由心轴、外管、活塞、碟簧组组成，如图2所示。

图2 轴向振动短节结构示意

由图1和图2可知，水力振荡器是通过一对阀门周期性的相对运动，把流经动力部分的流体能量转化为压力脉冲，将该压力脉冲传递给振动短节，由振动短节带动钻具在轴线方向上进行往复运动，使钻具在井底的静摩擦变成动摩擦。这样既有效地降低了钻具摩阻，又达到了改善钻压传递效果的目的，且不影响MWD、螺杆钻具的使用［10］。

2 分析模型

为建立水力振荡器在水平井中的振动模型，假设：1）水力振荡器处于水平井的水平段，井眼轨迹为直线，忽略钻柱正弦屈曲或螺旋屈曲对振动的影响；2）忽略接头和加重钻杆以及其他工具引起的截面变化，将钻杆整个看成均匀变化的圆环面；3）忽略钻井液的影响，包括钻井液携带的岩屑对井底钻柱振动的影响；4）忽略钻头与岩石，以及钻柱与井壁的相互作用以及大钩荷载变化的影响。建立的振动模型如图3所示。

图3 水力振荡器在水平井中的振动模型

将水力振荡器简化为具有一定刚度和质量的一段钻柱，并且有一个周期性变化的作用力作用在该段钻杆上。水力振荡器以下部分简化为质量均匀变化、内外壁直径不变的一个钻柱串，并且质量按照该段钻柱串相应的质量进行计算，即考虑接头和加重钻杆的质量。钻柱和水力振荡器为弹性变形，并且钻柱横截面为圆环形，轴线为水平方向，钻头可看作刚体，不产生弹性变形。左侧为上部钻井系统，其质量远大于减震器和振荡器组合的质量，为了简化计算模型，忽略碟簧组的弹性力对上部钻井系统的影响。

根据牛顿第二定律得到每个节点的振动方程，利用有限单元法考虑所有节点，可得到水力振荡器以下的整个钻柱系统的振动方程为

式中：x为节点位移，m；x˙为速度，m/s-1；x¨为加速度，m/ s2；M，C，K分别为整体质量矩阵、整体阻尼矩阵、整体刚度矩阵；Fa为系统在截断位置受到的由于钻柱重力产生的轴向力，N；F为水力振荡器受到的轴向力，N；Ffric为井下钻柱系统与井壁之间的摩擦力，N；Fb为岩石对钻头的作用力，N，与钻头受到的钻压大小相等、方向相反。

节点的刚度k计算公式为

式中：E为材料的弹性模量，GPa；A为节点的截面面积，m2；l为节点的长度，m。

对于钻柱的整体阻尼矩阵，可以用它的整体质量矩阵和整体刚度矩阵近似表示，即：

其中，α=0.1，β=0.001。

水力振荡器受到的轴向力F可近似看作正余弦函数［8］，其大小与工具内部结构和工况相关：

式中：F0为水力振荡器静轴向力，kN；F1为水力振荡器轴向力幅值，kN；f为水力振荡器工作频率，Hz；t为水力振荡器工作时间，s；δ为水力振荡器轴向力相位，（°）。

由于水力振荡器的作用会使整个钻柱产生振动，钻柱受到的井壁摩擦力会随节点的速度方向变化而变化，可表示为

式中：μ为钻柱与井壁之间的摩擦因数；m为节点的质量，kg；g为重力加速度，m/s2。

岩石对三牙轮钻头的作用力为［11］

式中：Nb为牙轮个数；Nr为钻头的转速，r/min；F2为静钻压，kN。

3 算例分析

3.1 基本参数

考虑到水力振荡器工作的实际情况，水力振荡器和钻井相关参数如表1所示。

表1 基本参数

根据建立的水力振荡器井下振动模型和基本参数，现选取不同的水力振荡器静阀板中心孔直径和相对于钻头的安放位置这2个影响因素，对比分析水力振荡井下振动特性的变化。

3.2 静阀孔直径的影响

现仅以静阀板中心孔直径作为变量进行振动分析。假设水力振荡器的安放位置距离钻头120m，将水力振荡器看作一个节点，水力振荡器以下部分每12m作为一个节点，共11个节点。输入流量30 L/s，输入泵压为20 MPa。

根据表1和钻柱系统的振动方程（式（1）），计算得到在静阀板中心孔直径为3.048cm时开始振动，并且有一定的波动，振动位移和速度都较大，当达到稳定后，振动位移在0.003 1～0.011 3m波动，振动速度在±0.088m/s间波动，如图4所示。

同理，通过改变静阀板中心孔直径，水力振荡器产生的轴向力F发生改变，即工具的井下振动特性发生改变，可以根据上述计算静阀板中心孔直径为3.048cm时的方法，分析得到水力振荡器在稳定后的振动位移和振动速度见表2。

根据以上分析可知，在水力振荡器距离钻头位置和输入泵压不变的情况下，随着水力振荡器静阀板中心孔直径的增大，水力振荡器的振动位移逐渐减小，同时振动速度也逐渐减小。

图4 静阀板中心孔直径为3.048cm的振动结果

表2 静阀板中心孔直径不同时的振动位移和振动速度

3.3 安放位置的影响

现假设水力振荡器安放在距离钻头150m的位置，水力振荡器产生的轴向力发生改变，工具井下振动特性相应改变，同理代入相应计算公式，求解得出振动结果如图5所示。从图中可以看出，开始振动会有一定的波动，振动位移和速度均较大，当达到稳定状态后，工具振动位移在0.003 2～0.011 9m波动，振动速度在±0.12m/s之间波动。

图5 距离钻头150m的振动结果

通过改变水力振荡器的安放位置，分析得到水力振荡器在稳定后的振动位移和振动速度见表3。

表3 不同安放位置时的振动位移和振动速度

分析可知，在静阀板中心孔直径和输入泵压不变的情况下，随着水力振荡器的安放位置与钻头的距离的增大，水力振荡器的振动位移逐渐增大，振动速度也逐渐增大。

水力振荡器不同的静阀板中心孔直径和安放位置对其振动特性影响较大，因此在实际应用过程中，要根据不同的井身结构和地质工况，选取对应的钻具组合，以最大限度地提高工具的使用效果。

4 实验分析

4.1 室内实验

室内实验所用的设备有实验台架1台、泵2台、水力荡器工具组合1套、压力传感器、位移传感器管汇（包括节流阀、旁通阀、出口总阀、进出水管道等）。实验中通过旁通阀、节流阀进行流量压力控制，泵压和流量可达5 MPa和30 L/s。实验流程如图6所示。

图6 实验流程

室内实验测得数据见表4。由表4分析可得，在泵的输入流量（30 L/s）不变的情况下，随着水力振荡器静阀板中心孔直径的增大，水力振荡器的入口与出口的压差逐渐减小，进而影响其轴向振动，导致工具的振动特性产生变化。

表4 实验数据

室内实验主要是为了模拟水力振荡器的频率、工作压降和振动位移和速度，并将实验测试结果与理论计算结果进行对比。随着静阀孔直径增大，水力振荡器的频率基本不变。由于静阀孔直径增大会使水力振荡器产生的激振力减小，因此会使振动位移和振动速度逐渐减小。这与数值模拟的计算结果基本相符，验证了数值模拟的正确性。

4.2 现场试验

在广华寺组底进行下井试验测试，并验证水力振荡器的提速效果。试验井段为：φ215.9 mm钻头+ φ165.0 mm1.25°单弯动力钻具+回压凡尔+φ127.0 mm无磁承压钻杆9m+MWD（随钻测量仪器）+φ127.0 mmHWDP（加重钻杆）13根+φ165.0 mm水力振荡器+ φ127.0 mm钻杆。工具入井后进行浅层测试，结果表明，加入水力振荡器后MWD信号传输正常到底后定向钻进进尺364m。判断牙轮钻头可能过度磨损或已经损坏起钻。根据距离最近、层位相同、深度相同和钻进参数相同具有可比性原则，选取邻井对比分析，最低提高机械钻速33%，平均提高机械钻速46%。

通过调整水力振荡器在井底的安装位置、流量、动静阀板孔径等重要参数，分析下井试验数据可得，在水力振荡器工作过程中，其上部的钻具组合在井筒内产生的轴向振动特性（位移、速度等）会随着工作条件的变化而变化。根据实际应用的需要，合理选择水力振荡器的输入流量［12］、安装位置和动静阀板孔径等重要影响因素，确保工具振动达到最佳工作状态，更有效地减小钻柱与井壁之间的摩阻，从而提高钻井效率，节约钻井成本。

5 结论

1）在水力振荡器距离钻头位置和输入泵压不变的情况下，随着水力振荡器静阀板中心孔直径的增大，水力振荡器的振动位移和振动速度均逐渐减小。

2）在静阀板中心孔直径和输入泵压不变的情况下，随着水力振荡器安放位置与钻头距离的增大，水力振荡器的振动位移和振动速度均逐渐增大。

3）水力振荡器在工作过程中能够使钻具产生纵向的往复运动，使钻具在井下的静摩擦变成动摩擦，大大降低了摩擦阻力，可以有效地减少因井眼轨迹而产生的钻具托压现象，保证有效钻压。

4）在实际应用过程中，要根据不同的井身结构和地质工况，调整工具水力参数，选取对应的钻具组合，最大限度提高工具的使用效果。

［1］王鹏，倪红坚，王瑞和.调制式振动对大斜度井减摩阻影响规律［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2014，38（4）：93-97.

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［5］李博.水力振荡器的研制与现场试验［J］.石油钻探技术，2014，42（1）：111-113.

［6］董学成，熊继有，王国华，等.振荡冲击器破岩机理数值模拟分析［J］.西南石油大学学报，2014，36（6）：160-167.

［7］FRANKLIN B，STEVE B．Delivering performance in shale gas plays：innovative technology solutions［R］.SPE 140320，2011.

［8］田家林，杨志，杨琳，等.新型钻井振荡器工作原理与振动特性分析［J］.中国机械工程，2015，26（21）：2946-2951.

［9］付加胜，李根生，史怀忠，等.井下振动减摩技术研究进展［J］.石油机械，2012，40（10）：6-11.

［10］许京国，陶瑞东，杨静，等.水力振荡器在大位移井张海29-38L井的应用［J］.断块油气田，2014，21（4）：527-529.

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［12］田家林，李友，余长柏，等.钻井减摩振荡器工作特性研究与试验分析［J］.机械设计，2015，32（11）：68-73.

（编辑 孙薇）

Influence factors on vibration characteristics of hydraulic oscillator

YU Changbai1，2,LI Ming1，2,LIU Yang1，2,LI Hong1，2,XIN Shiyu1，2
(1.Institute of SINOPEC Oilfield Equipment Corporation,Wuhan 430000,China;2.SINOPEC Key Laboratory of Petroleum Equipment,Wuhan 430000,China)

In order to analyze the influencing factors on the vibration characteristics of the hydraulic oscillator,according to the actual working condition of the hydraulic oscillator,the vibration analysis model of downhole tool combination of the hydraulic oscillator is established on the condition assumption and model simplification.By selecting appropriate drilling parameters,the vibration characteristics are analyzed and obtained when the diameter of the static valve plate center hole and the place position of the bit are different.Laboratory and downhole experiments show that,with the diameter increase of the center hole of the valve plate, the vibration displacement and vibration velocity of the hydraulic oscillator are gradually reduced;with the increase of the distance between the position and the drill,the vibration displacement and vibration velocity of the hydraulic oscillator are gradually increased.The research results have important guiding significance for downhole technology applications of hydraulic oscillator.

hydraulic oscillator;vibration analysis;center hole diameter;installation position;friction reduction

中石化集团公司先导科技项目“水力振荡器工具先导性试验”（JPJ11003）

TE921

A

10.6056/dkyqt201606033

2016-03-23；改回日期：2016-09-19。

余长柏，男，1981年生，2009年硕士毕业于西南石油大学，主要从事石油钻采机械、井下工具设计和仿真方面的研究。E-mail：yuchangbai@163.com。

余长柏，黎明，刘洋，等.水力振荡器振动特性的影响因素［J］.断块油气田，2016，23（6）：842-845，850.

YU Changbai，LI Ming，LIU Yang，et al.Influence factors on vibration characteristics of hydraulic oscillator［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（6）：842-845，850.