阀式水力振荡器结构设计与性能参数研究（1）

水力振荡器是近年来应用较为广泛的提速工具，采用水力振荡器可以有效地消除水平井和大位移井钻进过程中的托压效应，提高钻井效率。鉴于此，设计了阀式水力振荡器。在工具结构设计和理论分析的基础上，结合流体力学原理，分析控制阀运动过程中受力特征，建立控制阀运动数学模型。通过算例分析了控制阀的运动特性，研究了波动压力和振荡频率的变化规律。研究表明: 工具的波动压力峰值随钻井液排量和钻井液密度的增加而增大，随节流孔最小高度的增加而减小，而复位弹簧刚度和动阀质量对波动压力峰值影响较小; 工具振荡频率随钻井液排量、钻井液密度、节流孔最小高度和动阀质量增加而减小，随复位弹簧刚度增加而增大。所得结论可为工具的结构设计和现场应用提供技术指导。

随着非常规油气资源的勘探开发，水平井和大位移井的比例越来越高，以提高目标地层的开采效率。然而，在水平井和大位移井钻进过程中，由于井筒与井壁之间的接触面积不断增大，钻柱的摩擦阻力显著增大，易形成托压现象，严重限制了机械钻速的提升。为了解决钻柱摩阻大的问题，常采用加装振动减摩工具、在钻井液中添加润滑剂以及优化井眼轨迹等技术 。水力振荡器是一种能够带动井下钻柱产生周期性轴向振动的机械装置，用于改善钻柱与井壁或套管间的摩擦条件，以提高钻进效率 。该工具已成为世界上最受欢迎的振动式减摩减阻工具之一，并得到了广泛应用与研究。目前，国内外众多研究机构提出了不同结构类型的水力振荡器，具体可分为螺杆驱动式 、叶片驱动式和涡轮驱动式。虽然螺杆等类型的水力振荡器能有效提高钻井效率，但也存在节流阀盘易磨损和压耗偏大等问题，需要进一步改善。为此，笔者提出阀式水力振荡器，在工具结构与工作原理分析的基础上，建立控制阀的运动数学模型，分析控制阀的运动过程，研究了工具性能参数的变化规律，以期为阀式水力振荡器的结构设计、理论研究和现场应用提供借鉴。

结构

阀式水力振荡器主要由振荡短节和阀式控制短节两部分组成，如图 1 所示。其中，振荡短节主要包括振荡心轴、传动短节、碟簧组和承压活塞; 阀式控制短节主要包括启动阀、启动阀调节弹簧、动阀和动阀复位弹簧等。

工作原理

在钻井过程中，振荡短节上端接头连接上部钻柱，阀式控制短节下端接头与下部钻柱相连。工具工作过程中，钻井液经工具、钻头流入井眼环空。启动阀在内外压差力的作用下运动至设定位置，启动阀堵头与动阀侧壁节流孔重合，动阀节流孔高度达到最小值，流道过流面积减小，在动阀上下两端面形成压差。动阀在压差力的推动下向下运动，节流孔过流面积逐渐增大。当动阀向下运动至极限位置后，动阀在复位弹簧弹性力的作用下开始上行复位，节流孔过流面积逐渐减小。动阀沿轴向往复运动，使节流孔过流面积周期性改变，从而在振荡短节承压活塞端面产生周期性波动压力。当波动压力增大时，钻井液压力推动承压活塞和振荡心轴压缩碟簧组，心轴伸出; 当压力减小时，在碟簧组弹性力作用下，心轴复位。在周期性波动压力推动下，振荡心轴往复运动，使钻柱产生周期性轴向振动，减小工具与井壁间的摩擦，减轻托压现象，达到提高钻井效率的目的。