基于附壁效应的水力振动工具研制

0 引言

随着钻井技术的不断提高，大位移井、长水平段水平井越来越多，其井眼轨迹日益复杂，摩阻越来越大。钻井过程中，常出现托压现象。尤其是滑动钻进时，无法给钻头施加真实有效的钻压，工具面难以控制，钻井效率低。目前，国内外解决该问题的主要方法之一是采用水力振动工具[1-4]，如 National Oilwell Varco 公司的Agitator工具、Tempress公司的Hydropull工具等。此类工具能够产生沿着钻柱轴向或径向的振动，将静摩擦转变为动摩擦，减小钻进过程中的摩阻，从而提高机械钻速。

现有水力振动工具在取得一定提速效果的同时，也暴露出来一些问题。由于存在活动件及橡胶件，工具耐高温和腐蚀性能差，并且成本高、寿命短、工作压降大[5-8]。为了解决这些问题，笔者利用附壁效应和旋流器[9]的工作原理，设计了一种新型水力振动工具——基于附壁效应的水力振动工具。

1 工具结构与工作原理

1.1 工具结构

笔者根据附壁效应及旋流器的工作原理设计了基于附壁效应的水力振动工具，其结构主要由上接头、振荡腔和壳体构成（见图1a），工具最大外径172 mm，总长1.23 m。振荡腔内部的流道结构见图1b。

图1 水力振动工具及其内部流道结构

1.2 工作原理

首先，上部钻杆内的钻井液从入口进入射流流道，形成高速射流。由于涡流的不对称性，产生附壁效应，射流会偏向某一分流流道。进入第1旋流室后，一部分钻井液形成逆时针方向的旋流，并通过第1出口流入下部钻杆内，另一部分钻井液进入第2旋流室，形成顺时针方向的旋流。进入第2旋流室的钻井液，一部分由第2出口排出，另一部分通过下反馈流道到达射流流道出口处。由于旋流场的中心压力低，外围压力高，工具进出口产生压差，随着旋流场强度逐渐增强，进出口压差越来越大，同时反馈调节作用也逐渐增强，迫使射流方向转换，钻井液开始从下分流流道进入上分流流道。由于上分流流道内液流方向与第1旋流室内旋流方向相反，导致旋流强度开始减弱，同时第2旋流室内旋流场强度也开始减弱，直至第2旋流室内旋流消失（见图 2a）。

接着，第1旋流室内，一部分钻井液开始产生顺时针的旋流，并通过第1出口流入下部钻杆内，另一部分钻井液进入第2旋流室，形成逆时针方向的旋流。进入第2旋流室的钻井液，一部分由第2出口排出，另一部分通过上反馈流道到达射流流道出口处。随着旋流场强度逐渐增强，进出口压差越来越大，同时反馈调节作用逐渐增强，迫使射流方向转换，液流开始从上分流流道进入下分流流道。由于下分流流道内液流方向与第1旋流室内旋流方向相反，导致旋流强度开始减弱，同时第2旋流室内旋流场强度也开始减弱，直至第2旋流室内旋流消失（见图2b）。至此，完成一个流体工作周期，随着钻井液的不断流入，上述过程不断重复，工具将产生周期性的压力脉动。

图2 水力振动工具工作原理示意

2 数值模拟

基于附壁效应的水力振动工具内部流道较为复杂，难以直接计算其压力变化规律以及振动频率。为此，采用流体动力学软件进行流场模拟，以揭示其工作特性。

工具内部流体域的网格模型如图3所示。采用六面体网格进行网格划分，经过局部网格加密和无关性检查后，得到的网格数量为173 796个；计算湍流模型采用RNG K-ε模型，压力速度耦合算法采用SIMPLE算法[10]；计算流体介质为水；入口边界条件为速度入口，出口边界条件为压力出口，出口压力为0；其余为壁面边界条件，按无滑移边界条件处理，采用标准壁面函数法处理壁面湍流[11]。

图3 三维网格模型

3 室内实验

室内模拟实验流程见图4。其中，压力传感器及电磁流量传感器位于泵的出口端，压力及流量数据通过数据采集系统传输到计算机，并由相应的终端软件显示。实验介质为清水。

图4 室内实验流程

4 工作特性及其影响因素

4.1 进出口压降变化规律

设计入口流量为30 L/s、介质密度1 000 kg/m3，数值模拟得到的进出口压降变化情况见图5、图6。

如图5所示：进出口压力降变化近似于正弦曲线，进出口压降的变化，使得工具产生周期性振动；室内实验测得的该工况条件下进出口压降值的变化规律与模拟所得的进出口压降变化规律一致。

由图5和图6可知：A—E点为一个进出口压力差变化周期，波峰为进出口压降最大点和射流转换发生点，波谷为进出口压降最小点和旋流消失点；A点（波谷）进出口压降最小，是由于所在时刻第2旋流室内顺时针旋流刚开始出现；B点旋流增强，进出口压降变大；C点（波峰）旋流强度最大并发生射流转换，对应进出口压降达到最大；D点第1旋流室内产生逆时针旋流，导致第2旋流室内旋流强度减弱，进出口压降减小；E点第2旋流室内顺时针旋流消失，开始产生逆时针旋流，因此进出口压降又变为最小。

4.2 流量对工作特性的影响

将图5中1个进出口压降变化周期内波峰与波谷的压力之差称为压降幅值Δp。波峰与波谷之和的一半为进出口平均压降，该参数表征该工具正常工作的压降大小。通过数值模拟，得到介质密度1 000 kg/m3，入口流量分别为 15，20，25，30，35 L/s条件下工具进出口压降的变化曲线。提取每条曲线的波峰值、波谷值以及进出口压降的变化周期，从而得到压降幅值、进出口平均压降与入口流量以及工具振动频率与入口流量的关系（见图 7、图8）。

图5 进出口压降随时间变化

图6 A—E点的速度分布

图7 压降幅值、进出口平均压降与入口流量的关系

图8 振动频率与入口流量的关系

由图7可知：压降幅值及进出口平均压降均随着入口流量的增大而增大，近似线性关系；实验测得压降幅值、进出口平均压降与数值模拟结果较吻合。通过计算， 入口流量分别为 15，20，25，30，35 L/s时的压降幅值，对应的冲击力分别为 21.3，32.7，48.3，62.5 kN。考虑现场应用过程中，冲击力大于30 kN时减阻效果比较明显，且工具压降不易太大，因而推荐工具入口流量为 20～35 L/s。

由图8可知：振动频率随着入口流量的增大而增大；入口流量大于20 L/s时，工具振动频率大于10 Hz，不会影响随钻测量工具正常工作。实验结果与数值模拟所得结果相比，误差均小于5%。

4.3 钻井液密度对工作特性的影响

入口流量为30 L/s时，忽略钻井液黏度的影响，采用上述数值模拟方法，计算出不同钻井液密度条件下压降变化幅值和进出口平均压降，并绘制成曲线（见图9）。由图可知，随着钻井液密度的增大，压降幅值及进出口平均压降均逐渐增大，且近似呈线性关系。

4.4 进出口平均压降数学模型的建立

影响工具进出口平均压降的主要因素是入口流量和钻井液密度。在大量数值仿真计算的基础上，得到了进出口平均压降与入口流量及钻井液密度的关系（见图 10）。

图9 压降幅值、进出口平均压降与钻井液密度的关系

图10 进出口平均压降与入口流量、钻井液密度的关系

由图10可知，入口流量一定的情况下，钻井液密度与进出口平均压降呈线性关系，且入口流量越大，直线的斜率越大。

综合以上数据，采用响应曲面法[12]进行非线性曲面拟合，得到工具进出口平均压降数学模型为

式中：Q 为入口流量，L/s；ρ为钻井液密度，g/cm3。

式（1）拟合度用复决定系数表征[13]，其公式为

式中：A为误差或残差的平方和；B为调整的总和的平方和。

由式（2）和表1求得复决定系数为0.998，并且概率P值小于0.001，表明式（1）进出口平均压降数学模型的拟合度良好。

实验测得了入口流量分别为 16，21，26，30，34 L/s时工具的进出口平均压降（见图11）。实验值与进出口平均压降数学模型计算值对比，误差均小于5%，实验值与模型计算值十分接近。这说明所建立的进出口平均压降数学模型用于预测该工具进出口平均压降是有效的，可为该工具现场应用提供理论指导。其中，入口流量30 L/s时，工具进出口平均压降为2.8 MPa，小于国内常用水力振荡器进出口平均压降（3.0～4.0 MPa）。

表1 拟合方程的方差分析

图11 进出口平均压降数学模型与实验对比

5 现场应用

2018年9 月，基于附壁效应的水力振动工具在胜利油田孤北21-斜34井（井深3 010 m）进行了应用。应用层位为馆陶组至沙河街组，试验井段1 759～3 138 m，井斜角 0°～32°，钻具组合为 φ215.9 mm 钻头+φ171.5 mm单弯动力钻具（弯度1.25°）+止回阀+φ177.8 mm无磁钻铤1根+随钻测斜仪（MWD）+φ127.0 mm无磁承压1根+φ127.0 mm加重钻杆 15根+水力振动工具+φ127.0 mm钻杆。

工具入井前，在井口开泵测试，排量30 L/s，钻井液密度1.1 g/cm3，测得工具压降2.9 MPa，与进出口平均压降数学模型计算值2.6 MPa近似。工具入井后，正常工作143 h，纯钻时间121 h，进尺1 379 m，平均机械钻速11.4 m/h，MWD信号传输正常。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，与孤北21-斜30井（井段1 740～3 169 m，平均机械钻速8.5 m/h）对比，增斜段和稳斜段的平均机械钻速提高了34%。使用基于附壁效应的水力振动工具后，在定向过程中，减少了托压现象，工具面更容易控制，对常规PDC钻头具有良好的适应性，同邻井相比，钻井效率显著提高。

6 结论

1）基于附壁效应的水力振动工具利用特殊流道和钻井液循环产生周期性振动，适用排量为20～35 L/s，冲击力大于30 kN，振动频率大于10 Hz。

2）随着入口流量的增大，基于附壁效应的水力振动工具的进出口压降变化幅值、进出口平均压降以及振动频率均逐渐增大；随着钻井液密度增大，该工具的进出口压降变化幅值和平均压降均逐渐增大。

3）室内实验及现场应用表明：建立的工具进出口平均压降数学模型用于预测该工具压降是有效的，可为该工具的现场应用提供理论指导；基于附壁效应的水力振动工具减少了定向过程中的托压现象，工具面更容易控制，有效提高了钻井效率。