水力振荡器

第一部分
水力振荡器的技术原理
水力振荡器的技术原理
水力脉冲轴向振荡钻井技术是将钻井液产生压力脉冲的液压能转化为 机械能，通过钻柱的轴向振荡来减小钻柱与井眼之间的静摩擦力，从而改 善钻压传递，钻井液的一系列压力脉冲由水力振荡器的盘阀总成部分产生 。
水力脉冲轴向振荡钻井技术能够减阻的原因主要有2点：①在利用钻 井液马达进行定向滑动钻进时，需要克服钻具组合与井壁间静摩擦阻力， 静摩擦力通常远高于动摩擦力，利用振动可以使滑动钻进或连续管作业时 的静摩擦因数减小到动摩擦因数大小，这样可以大大减小管柱与井壁间摩 擦阻力；②井下管柱送钻下入时的平均速度与管柱振荡时产生的运动叠加 ，根据库伦摩擦力定律管柱与井壁间的总摩擦力大幅度下降。
水力振荡器研制的背景及意义
实践表明，利用水力脉冲产生钻柱轴向振荡，可有效降低滑动钻进钻具 组合与井壁的摩擦力并有效改善钻压传递，进行定向滑动钻进效果明显；还 可减小井下扭转，减轻横向振动并提高机械钻速。应用水力振荡器，定向钻 进效率能够得到大幅度提高，可以钻出更为平滑的井眼，而且单趟钻效率提 高很多。水力振荡器可应用于直井、螺杆钻具导向钻井、旋转导向钻井、大 位移井、页岩气储层钻井等，能够解决托压、卡滑和钻头对工具面控制力差 等问题。目前，国外水力振荡减阻工具已经非常成熟，已经成为国外最常用 的钻井减阻工具，在美国EagleFord页岩气开发中，数口井应用了水力振荡 减阻工具，取得了良好的效果。水力振荡减阻工具在国内苏里格区块、川西 地区的应用中均能有效提高机械钻速。
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。
第三部分
水力振荡器的技术优势
3.1 水力振荡器的技术优势
➢改善井下钻压传递效果
依靠振动来改善钻压传递效果。 井下动力钻具进行定向（滑动）钻进时效果明显 降低滑动钻进时的粘卡趋势，可施加小钻压钻进。 降低了憋停马达等情况 减少了由于难以预测的反扭矩而发生工具面失控的情况。
3.2 水力振荡器的技术优势
➢与各种钻头均配合良好
可同牙轮钻头和PDC钻头一起使用 对钻头牙齿或轴承无冲击损坏 良好的压力传递效果，杜绝顿钻冲击，延长PDC钻头使用寿命
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第二部分
水力振荡器的技术思路
水振荡器的技术思路
水力振荡器具体设想是通过工具动力部分一个1∶2的马达提供驱动盘阀总成产生 水力脉冲，马达转子的下端固定一个阀片（动阀），当流体通过动力部分时，驱动转 子转动，由于1∶2马达的特性，末端在一个平面上往复运动。动力部分连接的是振荡 动盘阀系统，下部短节主要部件是一个固定的阀片，动阀和定阀紧密配合，由于转子 的转动驱使2个阀片位置相错或重合导致流量呈周期性变化，使流体通过盘阀总成时 产生周期性的压差变化，当2个阀片过流孔重合时，流体通过截面积最大，产生的压 降最小；当重合面积最小时，产生压降最大。过流截面积周期性变化使上部振荡短节 的压力产生同步周期性变化，该压力作用在类似减振器反过来使用的活塞面上，产生 轴向周期振荡。在该技术思路中，形成的冲击力对钻头冲击很小，可延长钻头使用寿 命；振荡短节部分借鉴普遍使用的减振器结构，工具结构简单，系统可靠性及安全性 得到提高。
水力振荡器研制的背景及意义
因此，我公司开展了水力振荡器的研制工作。并顺利投产，试验结果表 明，工具原理正确，结构可靠，压力损耗3MPa左右，工作寿命超过100h， 可提高机械钻速20%以上；同时还可改善定向钻进工具面的控制，有效提高 定向能力。水力振荡器对常规PDC钻头及牙轮钻头具有良好的适应性。
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。
振荡动盘阀 固定盘阀
2.2.2 盘阀部分
p：随着盘阀过流面积的变化压降的变化 t ：时间
1、盘阀移动到一个尽头 压降从最小到峰值
2、盘阀移动到中心过流面积 3、盘阀移动到另一个 最大处，压降从峰值到最小 尽头压降从最小到峰值
2.2.3 震荡短节
水力振荡器工作时，水力脉冲转化为机械能，轴向上、下振荡通过振 荡短节来实现。振荡短节连接在动力短节及盘阀总成上部，轴向振荡通过 内部的碟形弹簧吸收及释放冲击能量来实现。振荡短节将水力脉冲能量转 换为轴向振动形式的机械能，当每个脉冲通过振荡短节后，其恢复到原来 的状态。每次脉冲会产生3～9mm振幅和一定的轴向力，足以将静摩擦转 化为动摩擦。因为产生的轴向力和轴向移动距离都不大，水力振荡器在工 作期间不会对其他井下工具产生不利影响。
➢有效提高机械钻速
大大改善钻压传递，无粘卡 配合PDC钻头提高定向能力 使PDC钻头滑动钻进更加容易 显著提高定向钻进和转盘钻进ROP 工具面控制更精确，日进尺明显增加
3.3 水力振荡器的技术优势
➢明显降低摩阻
轻微振动井下钻具组合（BHA），明显降低摩阻，提高钻压传 递果。这就意味着改善钻压传递，减少黏滑现象，尤其适用于井 下动力钻具定向钻进的情况。为常规的井下动力钻具提供了更易 操作的窗口。
水力振荡器
德州联成石油科技有限公司
水力振荡器研制的背景及意义
无论是直井、定向井还是水平井，钻进过程中钻柱与井壁之间的摩阻都 是影响钻速的重要因素。由钻具组合与井壁摩擦所造成的额外扭矩与摩阻导 致机械钻速低、工具面控制困难、单趟钻进尺很少、异常严重的钻柱和钻头 磨损等，当累积摩擦力超过所施加钻压时（或者说管柱自重下推力时）就会 出现托压现象，迫使管柱发生正旋弯曲或螺旋屈曲。对于定向井和水平井而 言，高摩阻还会形成弯曲井眼，从而造成钻机钻达最大深度的能力降低，甚 至会影响到油井产量。
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。
在提高机械钻速的同时，减少起钻换钻头的次数和压差卡钻 的机会，还有助于延伸大位移靶区。
3.4 水力振荡器的技术优势
➢与MWD/LWD兼容
水力振荡器产生的振动是温和的振动，不会损坏MWD/LWD工具或 干扰信号传递 减少横向振动和扭矩波动 位于MWD/LWD上部或下部皆可 对钻头或管串无冲击力
3.5 水力振荡器的技术优势