一种自激式水力振荡器特性的研究及应用
水力振荡器的研制及现场试验
水力振荡器的研制及现场试验作者：何阳来源：《科技创新导报》2017年第29期摘要：在采油钻井过程中，如何有效地解决钻柱与井壁之间的摩擦阻力问题，是关系到钻井效果能否得到提升的关键。
基于目前钻井技术的发展现状，水力振荡器作为一种有效的钻井工具，可以有效降低钻柱与井壁之间的摩擦阻力，提高钻井效果。
为此，我们应对水力振荡器的研制及现场试验过程进行全面分析。
关键词：水力振荡器研制现场试验中图分类号：TE921 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（b）-0053-02水力振荡器作为一种特殊的钻井工具，通过振荡的原理降低钻柱与井壁之间的摩擦阻力，使钻井效率得以有效提升。
水力振荡器的出现，解决了采油钻井过程中的钻井效率问题，使钻柱与井壁之间的摩擦阻力得到降低，有利于钻井工作地开展。
所以，我们应认真剖析水力振荡器的研制过程，并对其现场试验结果进行讨论，提高水力振荡器的应用效果，满足直井、水平井和定向井的钻井需要，使钻井过程能够获得更加有利的工具作为支撑，解决钻井中摩擦阻力问题。
1 水力振荡器的研制过程分析1.1 水力振荡器技术思路在水力振荡器的研制过程中，主要的技术思路是在工具内部安装1∶2的马达，通过这一马达向驱动盘阀系统提供水力脉冲，通过水力脉冲驱动工具内部的转子，形成短节的往复运动，并且在工具内部将短节设计成耐磨套和固定阀片组合的结构。
这一结构的优势是连接简单，在工作中配合紧密，流体流过短节部分后会产生周期性的压差变化，最终引起轴向振荡，达到水力振荡的目的。
这种设计方式对内部结构进行了优化，各个配合机构的设计和连接难度较低，在实际的使用过程中可靠性高，不容易受到外部环境的影响。
考虑到钻井过程中钻柱与井壁之间的摩擦阻力较大的特点，通过钻柱的振动，能够降低钻柱与井壁的接触面，进而达到降低摩擦阻力的目的。
因此，这一技术思路是完全可行的。
1.2 水力振荡器的工具结构水力振荡器在研制过程中，确定了技术思路之后，下一步就是设计工具结构提高工具的技术能力。
一种自激式水力振荡器特性的研究及应用
第37卷第5期2009年9月 石 油 钻 探 技 术P ET RO LEU M D RIL LI NG T ECHN IQ U ESVo l 37,N o 5Sep.,2009收稿日期:2009 04 30;改回日期:2009 07 13基金项目:国家高技术研究发展计划( 863 计划) 声波防蜡降粘及解堵增产技术研究 (编号:2006AA09Z342)部分研究成果作者简介:张建国(1954 ),男,山东章丘人,1976年毕业于华东石油学院采油工程专业,教授,硕士生导师,主要从事物理法采油技术的研究。
联系电话:(0546)8391155863 计划专栏一种自激式水力振荡器特性的研究及应用张建国 宋 硕 马继业 王 方(中国石油大学(华东)石油工程学院,山东东营 257061)摘 要:喷注式声波发生器是一种以流体为动力源的自激式水力振荡器,能有效解决油水井生产过程中的地层堵塞问题,提高地层渗透率,恢复油水井正常生产。
但是,喷注式声波发生器工作参数的选择不当,往往是导致作业失败的主要原因。
通过室内模拟试验,研究了喷注式声波发生器的工作特性,得到了振动频率和振幅同喷嘴直径、谐振腔深和喷距等参数的变化规律,并对其工作参数进行了优化。
在孤岛油田进行了现场试验,效果显著,说明该声波发生器在现场施工中具有较好的应用效果及前景。
关键词:声波;解堵;实验室试验;自激振动;参数优选;孤岛油田中图分类号:T E934+ 9 文献标识码:A 文章编号:1001 0890(2009)05 0010 05声波解堵增注是指利用声波发生器在需要处理的地层部位产生机械振动波,通过介质传播到地层中,引起地层内流体和岩石颗粒的振动,以此来解除地层堵塞,疏通流体通道,达到解堵增注的目的[1 3]。
声波解堵增注的成败与否,关键在于声波发生器的工作状态[4 5]。
声波发生器存在三种工作状态:谐振态、准谐振态和非谐振态,其中谐振态是最佳的工作状态。
水力振荡器的研制与应用
： 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋 Ｔ ｈ ｅｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｆｈ ｉ ｈ ｌ ｅ ｖ ｉ ａ ｔ ｅ ｄｗ ｅ ｌ ｌ ｓａ ｎ ｄｈ ｏ ｒ ｉ ｚ ｏ ｎ ｔ ａ ｌｗ ｅ ｌ ｌ ｓｈ ａ ｓｂ ｅ ｃ ｏ ｍ ｅｍ ａ ｇｔ ｇ ｙｏ ｇ ｙｄ ｔ ｕ ｒ ｅ ． Ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄｆ ｏ ｒｃ ｒ ｅ ａ ｔ ｉ ｎ Ｂｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｈｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｅｇ ｒ ａ ｖ ｉ ｔ ｎｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｎ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ＷＯ ｇ ｐ ｐ ｙｉ ｇ ｃ ａ ｎ ｎ ｏ ｔ ｓ ａ ｔ ｉ ｓ ｆ ｔ ｈ ｅｏ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｒ ｅ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ． Ｉ ｎ ｌ ｉ ｈ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍａｋ ｉ ｎ ｄｏ ｆ ｄ ｏ ｗ ｎ ｈ ｏ ｌ ｅ ｔ ｏ ｏ ｌｗ ｈ ｉ ｃ ｈｕ ｙ ｐ ｑ ｇ ， ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ， ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｉ ｃ ａ ｌｐ ａ ｓ ｅ ｓｈ ｉ ｈｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅｌ ｉ ｕ ｉ ｄｆ ｌ ｏ ｗｔ ｏａ ｌ ｘ ｉ ａ ｌｖ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｔ ｈ ｅｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｇ ｇ ｑ ｐ ｐ ｙａ ， ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｉ ｃ ａ ｌｐ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓａ ｎ ｄｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅｔ ｅ ｓ ｔ ｉ ｎ ｆＡ ｉ ｔ ａ ｔ ｏ ｒａ ｒ ｅ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄｉ ｎｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ｉ ｎ ｇ ｇｏ ｇ ｔ ｈ ｉ ｓｐ ａ ｅ ｒ ． Ｔ ｈ ｅｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｌ ｉ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｆ ｔ ｈ ｅｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｈ ａ ｓ ｒ ｅ ａ ｃ ｈ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｒ ｅ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ． Ｔ ｈ ｅ ｐ ｙｏ ｇ ｑ ｖ ｅ ｒ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｉ ｔ ｓ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄａ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎｗ ｅ ｌ ｌ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｈ ｏ ｗ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅｇ ｏ ｏ ｄｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔｏ ｆ ｔ ｈ ｅＡ ｉ ｔ ａ ｔ ｏ ｒ ． ｐ ｐ ｇ ： ； ； ； 犓 犲 狑 狅 狉 犱 狊ｄ ｏ ｗ ｎ ｈ ｏ ｌ ｅ ｔ ｏ ｏ ｌａ ｉ ｔ ａ ｔ ｏ ｒ ＷＯ Ｂｐ ｅ ｎ ｅ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｒ ａ ｔ ｅ ｇ 狔 水平井及水 随着我国各大 油 田 开 发 大 斜 度 井 、 平分支井等复杂结 构 井 的 数 量 增 加 ， 使钻具在水平 钻进过程中向下侧 井 壁 贴 近 ， 造成钻具在钻进过程 严重影响了钻进 ， 甚至造成钻具托压不 中摩擦过大 ， 能加压到钻头 ， 因此靠钻铤自身重力向钻头施加钻 压破岩的方法受到了限制 。 水力 振 荡 器 是 一 种 新 型 的 井 下 工 具， 它能够对 钻柱施加适当的周 期 性 轴 向 振 动 ， 能有效减少钻进 过程中钻具与井壁 之 间 的 摩 擦 力 ， 提高钻井的破岩
水力振荡器
2.1 工具结构
水力振荡器主要由动力短节 、盘阀总成和振荡短节组成，（ 图1）动力短节是一个1∶2的容积 式钻井液马达，盘阀总成主要由 定阀和动阀构成，（图2）振荡短 节主要由反馈活塞、花键心轴和 碟簧等构成。
图1
图2
2.2.1 动力短节
当钻井液通过动力短节时便会驱动 转子旋转，动阀接在转子的底端，动阀 和与其配合的定阀称为盘阀总成。对于 动力短节没有严格的扭矩要求，其作用 就是驱动盘阀总成中的动阀运动，改变 过流面积，产生压力脉冲。
水力振荡器的技术原理
钻具轴向振荡首先可以通过静、动摩擦力转化减阻，而且通过改变摩擦力 的方向，当振荡发生时，管壁上某一点会在一定振幅内来回振荡，如果管柱的叠加 运动速度方向改变，则摩擦力的方向也改变，从而减小了管柱与井壁间的总摩擦力 。
水力脉冲轴向振荡钻井技术适用于所有钻进模式，应用轴向振荡钻井技术滑动 钻进，定向钻进的效率便得到了大幅提高，利用将静摩擦转化为动摩擦这一概念， 极大地减少了与托压、弯曲、工具面控制、卡滑和机械钻速偏低等有关的井下问题 。轴向振荡钻井技术不仅用于滑动钻进，而且也能够提高旋转钻进模式下的机械钻 速，原因是旋转模式的钻柱旋转仅仅能将“旋转”方向（周向）上的静摩擦改变为 动摩擦，轴向振荡钻具组合却能够将轴向方向上静摩擦改变为动摩擦，它比前者多 转化了一个“摩擦方向”上的静摩擦，因此，旋转模式下的机械钻速得到了提高。
2.2.2 盘阀部分
振荡盘阀总成的动阀底端面上有1个水 眼，其与位于下边的固定阀上的水眼形成1 对水眼组合，
固定阀上的水眼轴线与动阀轴线重叠 。转子在定子橡胶空间内往复摆动，带动 与转子连接的动阀在平面做来回运动，与 定阀的中心孔时而重合，时而分开，引起 过流面积的变化，从而产生压力脉冲。当 钻井液受到周期性的限制（绝对不能完全 阻断液流）时，就会产生沿钻柱上传的压 力脉冲，这些压力脉冲反馈作用到振荡短 节的活塞面上使花键心轴产生轴向振荡。
自激振动的原理与应用
自激振动的原理与应用1. 引言自激振动是一种自然界中普遍存在的现象，广泛应用于各个领域。
本文将详细介绍自激振动的原理、特点以及其在各个领域的应用。
2. 自激振动的定义自激振动是指一个系统在外界激励的作用下，由于某种非线性机制的存在，系统会产生自身增强的振动。
这种振动在系统内部消耗能量，并不再依赖外界能量源。
3. 自激振动的原理自激振动的原理可以归结为以下几个方面：3.1 非线性机制自激振动的关键在于系统中的非线性元件或非线性机制。
非线性元件具有输出并不与输入成正比的特性，例如齿轮传动、气体压力变化等。
当系统中存在这样的非线性元件时，外界激励将导致系统内的非线性机制产生自我激励，进而引发自激振动。
3.2 能量耗散自激振动的原理还在于系统内部的能量耗散。
在非线性机制的作用下，系统内部会产生能量耗散的现象，即能量从系统中流失，从而维持振动的稳定性。
3.3 正反馈效应自激振动的另一个关键原理是正反馈效应。
正反馈效应是指振动的幅度随时间的增长而增大，形成一个自我增强的循环。
这种循环导致系统产生不断增大的振幅，最终进入自激振动状态。
4. 自激振动的特点自激振动具有以下几个特点：•非周期性：自激振动的振动周期并不稳定，振幅和频率都会随时间变化。
•非线性：自激振动是在非线性系统中产生的，具有非线性的特性。
•能量耗散：自激振动是通过能量耗散来维持振动的稳定性，而不依赖外界能量源。
•自激增强：自激振动的振幅会随时间的增长而增大，形成一个自我增强的循环。
5. 自激振动的应用自激振动在各个领域都有广泛的应用。
下面列举了几个典型的应用案例：5.1 古筝音乐古筝是一种典型的自激系统。
演奏古筝时，运用指法和琴弦之间的摩擦等非线性机制，产生自身增强的振动，发出美妙的音乐。
5.2 发电机发电机中的震荡器件常采用带有非线性特性的电子元器件，如二极管。
通过信号的正反馈作用，使振荡器件不依赖外界电源，自行产生电能。
5.3 建筑结构控制在建筑结构中，通过施加一定的外部力，引发结构内部的非线性机制，从而使结构发生自激振动。
国内外水力振荡器的研究现状及展望
国内外水力振荡器的研究现状及展望明瑞卿;张时中;王海涛;洪毅;姜书龙【摘要】针对目前定向井段和水平段钻进过程中为提高机械钻速使用水力振荡器出现的问题,分析了水力振荡器的研究现状与现场应用状况.首先介绍了国内外不同水力振荡器的结构,分析了其优缺点;然后结合现场资料,通过实例对比了水力振荡器和旋转导向钻井工具的提速效果;最后针对水力振荡器在应用时出现的一系列问题给出了相关建议.现场应用效果统计资料表明,水力振荡器能降低摩阻,提高机械钻速,缩短钻井周期,降低钻井成本,与旋转导向工具相比,机械钻速可提高29.8％,钻井成本可降低38万元.但存在实际工作排量达不到设计要求、安放位置不合理、自身压耗高、损坏MWD等精密仪器和耐冲蚀性偏差等问题,严重影响了水力振荡器的应用.为解决这些问题,需要对水力振荡器进行持续完善和改进.【期刊名称】《石油钻探技术》【年(卷),期】2015(043)005【总页数】7页(P116-122)【关键词】水力振荡器;机械钻速;摩檫损失;排量;研究现状;发展建议【作者】明瑞卿;张时中;王海涛;洪毅;姜书龙【作者单位】长江大学石油工程学院,湖北武汉430100;中石化河南石油工程有限公司,河南郑州450018;中国石油塔里木油田分公司,新疆库尔勒841000;东北煤田地质局,辽宁沈阳110013;长江大学石油工程学院,湖北武汉430100【正文语种】中文【中图分类】TE921自20世纪80年代以来，井下动力钻具由于具有提高机械钻速、增加单只钻头进尺、实现井眼轨迹定向控制等诸多优点,在定向井中的应用越来越多。
随着各大油田开发的逐渐深入，大斜度井、水平井、多分支水平井等复杂结构井数量越来越多，如何实现快速钻进和提高水平段长度成为关注的焦点。
然而,由于井斜角较大造成钻柱和井壁之间的摩阻较大，钻压传递效率低，严重限制了钻进速度。
自2000年以来，国内外各大研究机构研制了各种样式的水力振荡器，并广泛应用于国内外各大油田的定向井段和水平段钻井施工中，在取得一定提速效果的同时，也暴露出该工具的诸多问题。
自激振荡的应用分析
自激振荡的应用分析( 安庆师范学院物理与电气工程学院安徽安庆246011)摘要：自激振荡电路广泛应用于信号产生电路中，有关它的应用和消除方法是电子电路中的热门话题。
本文从自激振荡的工作原理出发，详细分析了自激振荡在RC振荡电路和LC振荡电路中的工作原理，最后讨论了自激振荡的抑制方法。
关键词：自激振荡，RC自激振荡，LC自激振荡，自激振荡的消除1引言自激振荡常用于正弦波发生器、交流控制信号等。
自激振荡的应用于许多电路，如正弦波振荡器广泛用于各种电子设备中，在模拟电子技术中属于必不可少的一种元件。
它是一种不需要输入信号控制就能自动地将直流能量转换为特定频率和振幅的正弦交变能量的电路。
常见的自激振荡电路如RC振荡电路和LC振荡电路。
RC振荡电路中，RC网络既是选频网络又是正反馈电路中的一部分。
该电路特点是电路简单，经济但稳定性不高。
相比之下还有LC振荡电路，LC振荡器的选频网络是LC谐振回路，它们的振荡频率都比较高，LC振荡电路的特点是频率范围宽，容易起振，但频率稳定性不高。
本文从自激振荡的产生原理入手，进而讨论其抑制方法及应用。
正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正弦交流信号。
它的频率范围很广，可以从一赫兹以下到几百兆赫兹以上；输出功率可以从几毫瓦到几十千瓦；输出的交流电能是从电源的直流电能转换而来的。
2自激振荡的概念和形成条件以及自激振荡的稳定自激振荡就是电路中有一部分信号从输出端反馈到输入端，反馈回的信号加强了电路的振荡。
下面以常见的负反馈放大电路和正反馈放大电路为例解释一下自激振荡[1]。
Xo图1负反馈放大电路Xo图2正反馈放大电路比较图1和图2就可以明显地看出负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区别了。
由于振荡电路的X =0，所以i X =f X 。
由于正、负号的改变，有反馈的放大倍数为：输入信号iFA A A 1f 正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。
正弦波发生电路组成有：放大电路、正反馈电路、选频网络、稳幅电路。
浅谈水力振荡器的原理与应用
浅谈水力振荡器的原理与应用在斜井钻进中，钻具基于重力影响会自然贴合下井壁，并与井壁产生静摩阻，滑动钻进中则进一步演变为托压现象，常导致工具面摆置困难、机械钻速降低、单趟钻进尺减少等问题;若活动钻具不及时，则有可能引发钻具粘卡事故，严重时可致单井报废。
因此，降低摩阻、减缓托压已然成为安全钻井的重要环节。
摩阻大小由钻柱自重在井眼轨迹法线方向上的分力和静摩擦系数来决定。
在滑动钻进中，技术人员往往通过向泥浆中添加润滑剂或进行短起下（目的为修整井壁）等方式来降低静摩擦系数，从而达到降低摩阻、减缓托压的目的。
由经典物理可知静摩阻大于滑动摩阻，因此，可以通过把静摩阻转化为动摩阻来减缓托压。
标签：摩擦阻力;扭矩;水力振荡器;托压0前言钻井过程中，钻具贴合下井壁会产生摩擦阻力，摩擦阻力贯穿于整个钻井作业中。
其中旋转钻进中摩擦阻力会让钻柱所承受的扭矩是所有工况下的最大值，甚至会出现钻柱强度不够而导致钻具断裂。
而滑动钻进会产生轴向摩阻，一旦轴向摩阻大到完全平衡掉上部钻柱重力在轴向上的分量，钻头便难以得到钻压，钻头无钻压将无法钻进，产生“托压”现象。
这样不但会严重影响了水平井的钻井效率，也容易引起压差卡钻等井下故障。
为此相关研究人员做了多种尝试。
其中优化井眼轨迹、在钻井液中加入润滑剂和使用滚动扶正器等方法可以有效地降低摩擦阻力，同样的使用水力振荡器，利用机械振动将钻具与井壁之间的静摩擦力转化为动摩擦力以降低摩擦阻力，为我们水平钻进提供了一个新思路。
1结构与原理1.1 结构水力振荡器主要由动力部分（定子和转子）、阀轴系统（动阀和定阀等）和振荡短节部分（心轴和碟簧等）等组成。
其中，花键心轴用于传递扭矩，碟簧通过压缩或者拉伸释放能量，产生轴向振动，钻井液驱动转子旋转，在定子末端进行平面往复摆动，定阀与动阀做相对运动，使过流面积发生变化。
1.2 工作原理动力部分将钻井液动能通过转子转换为旋转的机械能，使动阀旋转，并使其工作时产生的流量呈周期性变化（尽可能为正弦波），使压力产生水击现象，水击作用于阀座上产生的温和振荡力通过钻具传递给钻头，形成周期性连续柔和变化的钻压。
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第37卷第5期2009年9月 石 油 钻 探 技 术P ET RO LEU M D RIL LI NG T ECHN IQ U ESVo l 37,N o 5Sep.,2009收稿日期:2009 04 30;改回日期:2009 07 13基金项目:国家高技术研究发展计划( 863 计划) 声波防蜡降粘及解堵增产技术研究 (编号:2006AA09Z342)部分研究成果作者简介:张建国(1954 ),男,山东章丘人,1976年毕业于华东石油学院采油工程专业,教授,硕士生导师,主要从事物理法采油技术的研究。
联系电话:(0546)8391155863 计划专栏一种自激式水力振荡器特性的研究及应用张建国 宋 硕 马继业 王 方(中国石油大学(华东)石油工程学院,山东东营 257061)摘 要:喷注式声波发生器是一种以流体为动力源的自激式水力振荡器,能有效解决油水井生产过程中的地层堵塞问题,提高地层渗透率,恢复油水井正常生产。
但是,喷注式声波发生器工作参数的选择不当,往往是导致作业失败的主要原因。
通过室内模拟试验,研究了喷注式声波发生器的工作特性,得到了振动频率和振幅同喷嘴直径、谐振腔深和喷距等参数的变化规律,并对其工作参数进行了优化。
在孤岛油田进行了现场试验,效果显著,说明该声波发生器在现场施工中具有较好的应用效果及前景。
关键词:声波;解堵;实验室试验;自激振动;参数优选;孤岛油田中图分类号:T E934+ 9 文献标识码:A 文章编号:1001 0890(2009)05 0010 05声波解堵增注是指利用声波发生器在需要处理的地层部位产生机械振动波,通过介质传播到地层中,引起地层内流体和岩石颗粒的振动,以此来解除地层堵塞,疏通流体通道,达到解堵增注的目的[1 3]。
声波解堵增注的成败与否,关键在于声波发生器的工作状态[4 5]。
声波发生器存在三种工作状态:谐振态、准谐振态和非谐振态,其中谐振态是最佳的工作状态。
谐振态和准谐振态波形成正弦分布,波形幅值较大,声波频率稳定;非谐振态的波形呈现出无规律的杂波,波形幅值较小,是工作需要避免的区域[6 7]。
喷注式声波发生器是根据流体动力声学原理设计的,主要应用于油井解堵和水井增注。
确定合理的结构尺寸(喷嘴直径、谐振腔直径、喷距大小和谐振腔深度),掌握喷注式声波发生器的工作特点,优选发生器的参数,对指导现场工作、减少应用的盲目性具有现实意义。
1 机械结构及工作原理1 1 机械结构喷注式声波发生器是以高速流体作为动力源,在机械装置中产生振动激发声波的一种声波发生装置,主要由圆形喷腔和谐振腔两部分组成,圆形喷腔和谐振腔保持同轴线。
圆形喷腔末端带有一个圆形的收缩喷口,与谐振腔正对。
喷腔是流体激发源,属于激发系统。
谐振腔是一种机械式的共振腔,用来反射高速流体,达到与来流相碰撞的目的,属于能量反馈系统[8]。
喷注式声波发生器的结构示意图见图1。
图1 喷注式声波发生器结构示意1 2 工作原理圆形喷腔和谐振腔是喷注式声波发生器的基本振动单元,流体进入喷腔后从喷口高速射出,喷出的流体在喷口前形成一个扩散区域,该区域可以分为流体压力变化区域、流体碰撞区域和流体反冲区域。
由于该区域内流体压力呈周期性变化,若在压力的不稳定区内放置一个谐振腔,则形成一个谐振系统,当压力呈周期性变化的流体进入谐振腔后,会使谐振腔的压力逐渐升高并最终反馈出来,形成声波振荡[9 10]。
试验研究表明,当喷腔的射流频率与谐振腔的本征频率一致时,就会发生共振,产生高强度的声波或超声波。
2 室内试验2 1 试验装置及仪器采用的试验装置及仪器为:电动机、螺杆泵、电机调频仪、喷注式声波发生器、H P 数字存储示波器、信号和图像采集系统、压力传感器、流量计、压力表、循环水箱和游标卡尺。
试验系统示意图见图2。
1 信号和图像采集系统;2 数字存储示波器;3 压力传感器;4 喷注式声波发生器;5 循环水箱;6 螺杆泵;7 电动机;8 压力表;9 流量计图2 试验系统示意2 2 试验方法与步骤试验方法 该试验利用流体(自来水)激发喷注式声波发生器产生振动,改变射流速度、喷嘴直径(3 0、4 0、5 0和6 0mm )、谐振腔深(4 0、6 0、10 0、15 0和19 0mm )和喷距(2 6、5 0、10 0、15 0、20 0和25 0mm )等参数,将其设计成不同的组合,每一种组合测量数次,最后通过压力传感器、示波器和信号采集系统传输至计算机上并记录下来。
试验步骤 a 按图2所示连接好装置及仪器;b 将循环水箱中的水位调至适当位置;c 检查各接箍处连接是否紧密,有无漏水现象;d 打开电源,进行试验;e 调节电机调频仪(10~50H z);f 测量振动频率和幅值;g 将示波器调至最佳状态;h 采集信号并记录数据。
2 3 试验结果及讨论2 3 1 频率特性分析1)喷距S 对谐振频率f 的影响选取 6 0mm 喷嘴,保持谐振腔深h 和喷嘴流速v 不变,喷距S 的变化范围为2 6、5 0、10 0、15 0、20 0和25 0mm 。
S -f 关系曲线见图3。
图3 谐振频率随喷距的变化规律由图3可知,在不同的喷嘴流速和谐振腔深条件下,任一型号的声波发生器都存在某一固定的喷距范围,在该范围内谐振频率达到最大值,但每种型号发生器产生共振频率的喷距范围不同, 6 0mm 喷嘴的喷距范围为5~10m m 。
2)谐振腔深h 对谐振频率f 的影响选取 6 0mm 喷嘴,保持喷距S 和喷嘴流速v不变,谐振腔深h 的变化范围为4、6、10、15和19m m 。
h -f 关系曲线见图4。
图4 谐振频率随腔深的变化规律由图4可知,谐振频率随着谐振腔深的增大而减小,二者呈现反比关系。
在不同喷嘴流速和喷距情况下,谐振频率的递减速率基本相同,基本符合双曲线递减规律。
3)喷嘴直径D 对谐振频率f 的影响喷嘴直径的选择会直接影响喷注式声波发生器工作频率的大小。
保持谐振腔深h 和喷距S 不变,喷嘴直径与谐振频率的关系曲线见图5。
由图5可知,谐振频率随着喷嘴直径的增大而减小。
在不同的腔深、喷距和喷嘴流速条件下,变化规律基本相同,呈现出双曲线递减规律。
4)喷嘴流速v 对谐振频率f 的影响11 第37卷第5期 张建国等:一种自激式水力振荡器特性的研究及应用图5 谐振频率随喷嘴直径的变化规律保持喷距S 和谐振腔深h 不变,喷嘴流速v 变化范围为11 717、9 196和7 060m/s 。
v -f 关系曲线见图6。
图6 谐振频率随流速的变化规律由图6可知,谐振频率随着喷嘴流速的增大而增大,且基本符合线性递增规律。
2 3 2 振幅特性分析1)声波振幅随测点距离的衰减规律声波振幅随着测点位置的改变而改变,以发生器型号D =3 0m m 为例,选取f =1 5、2 5和3 5kH z 三种频率波,其振幅随测量点的变化规律如图7所示。
从图7可以看出,声波在水介质中传播时,其振幅随测点距离的增加而快速减小。
2)不同喷距下声波振幅的衰减规律以发生器型号D =6 0mm 为例,取h =4 0mm,D =6 0m m,在流量为1 19m 3/h 条件下改变喷距来测量振幅随测点距离的变化规律,结果如图8所示。
从图8可以看出,喷距越大其声波振幅值越小,喷距2 6mm 的波振幅值大约是喷距25 0mm 的图7 声波振幅随测点的变化规律图8 不同喷距下振幅的衰减曲线两倍多。
且同一喷距条件下,声波振幅随距离的衰减基本呈指数规律,喷距2 6mm 到喷距25 0mm的振幅衰减平均大于50%。
3)不同腔深下声波振幅的衰减规律以发生器型号D =6 0mm 为例,在流量为1 19m 3/h 的条件下改变腔深来测量振幅随测点距离的变化规律,保持S (2 6m m)不变。
在不同腔深条件下声波振幅的变化规律如图9所示。
图9 不同腔深下振幅的衰减曲线从图9可以看出,不同腔深条件下,声波振幅随着测点距离的增加而减小,基本符合指数递减规律。
腔深越小,其声波振幅越大,声波具有的能量越高,在介质中传播的距离越远。
4)不同喷嘴直径下声波振幅的衰减规律12 石 油 钻 探 技 术 2009年9月图10 不同喷嘴直径下振幅的衰减规律喷嘴直径对声波振幅也有一定的影响(如图10所示),不同喷嘴直径下声波振幅随测点距离存在着指数衰减的规律,并且 3 0m m 发生器的振幅幅值最大, 6 0mm 发生器振幅幅值最小。
由此可以看出,喷嘴直径越小的声波发生器产生的声波振幅越大,其声波能量越高,解堵效果也就越好,但是喷嘴直径太小也受到一定的应用限制。
3 效果评价根据声波解堵频率特性和振幅特性研究,选择几种型号的喷注式声波发生器作为声波解堵工具,解堵效果可以用下式评价。
E =100|K 1-K 2|K 1(1)式中,E 为渗透率恢复率,%;K 1为被污染岩心的渗透率, m 2;K 2为岩心解堵后渗透率, m 2。
首先选择不同的岩心,在测定其渗透率K 0后,用钻井液污染,再测定其污染后的渗透率K 1。
将污染后的岩心在确定的条件下进行解堵试验并测量其解堵后的渗透率K 2,计算解堵效果,对试验结果进行分析,计算污染程度及解堵后的恢复率。
试验结果见表1。
表1 钻井液污染及解堵试验数据岩心号K 0/ m 2K 1/ m 2,%K 2/ m 2E ,% ,%11 10960 202081 20 5394167 051 421 38560 180087 00 4011122 871 130 92110 180591 10 356397 461 341 26340 161487 20 5266248 358 3注: 为污染后相对于原始的伤害程度, 为解堵后相对于原始岩心的伤害程度。
从表1可以看出,利用喷注式声波发生器处理后岩心渗透率相对于污染后均有大幅度的增加,平均增加了158 9%,相对于原始岩心伤害程度平均降低了26 1%,这说明利用喷注式声波发生器处理地层,可有效解除地层堵塞,恢复地层渗透率。
4 现场应用自2006年以来,针对孤岛油田馆1+2单元粉细砂岩低液井的堵塞情况,应用喷注式声波发生器进行了油层解堵。
目前,现场累计应用14口井,成功13口,措施后平均日产液39 19t/d,日产油11 16t/d,与措施前相比平均单井日增液25 75t,日增油10 27t,有效期1a 以上,效果显著。
个别井增液效果不够明显,除与地质因素有关外,还与选井条件和油井作业制度等因素有关。
具体情况见表2。
表2 喷注式声波发生器现场应用效果序号井号措施前措施后产液量/td -1产油量/td -1产液量/td -1产油量/td -1增液量/t d -1增油量/t d -11GD1 X6 125 600 3030 5014 2024 9013 902GD2 N8 087 900 5032 9010 9025 0010 403GD1 13 1013 501 1039 409 2015 908 104GD2 12 51119 701 3047 6011 1027 909 805GD2 3 115 801 4019 7011 6013 9010 206GD1 N7 21113 800 5042 5010 5028 7010 007GD1 N16 20015 200 8044 6010 2029 409 408GD1 17 2138 901 5033 6011 9024 7010 309GD2 16 51515 400 8043 6010 6028 209 8010GD1 K71 4021 701 4055 9011 3034 209 9011GD1 17 8149 800 9035 2011 1025 4010 2012GD1 X7 422 600 4056 1010 8033 5010 4013GD1 5XN34 800 6027 9011 7023 1011 1013 第37卷第5期 张建国等:一种自激式水力振荡器特性的研究及应用典型井例 GD1 X6 12井位于中一区,生产层位44~43,油层井段1272 3~1281 4m,射开厚度6 4m,油层岩性为层状浅色粉细砂岩,粒度中值0 118m m,泥质胶结,平均孔隙度35 1%,平均有效渗透率0 85 m 2。