120型射流式水力振荡器结构设计

王建章

（川庆钻探国际工程公司，成都610051）①

120型射流式水力振荡器结构设计

王建章

（川庆钻探国际工程公司，成都610051）①

针对定向钻井中的减摩降扭问题，结合振动减摩技术和射流式冲击回转技术，研制了一种专用的减摩降扭工具——射流式水力振荡器，其结构由上部的轴向振动短节和下部的射流式压力脉冲短节组成，利用脉冲压力产生轴向振动力的基本原理，加入井底钻具组合，改善井内钻柱与井壁或套筒之间的摩擦条件，起到减摩降扭的作用，可提高钻进效率，增强钻压传递能力，促进井眼轨迹的延伸，加大井眼的资源开发能力。

水力振荡器；射流元件；定向钻井；振动减阻

射流式水力振荡器是基于振动减摩技术和射流式冲击回转技术而研制出的一种用于定向钻井领域的新工具。摩擦阻力和转矩是定向钻井过程中不可忽视的问题。随着水平井、大斜度井、大位移井、连续管钻井等复杂井眼数量的增多，世界钻井行业都将减摩降扭作为一项重要课题来研究。射流式冲击回转技术具有耐高背压、结构简单、深井稳定性好等特点，不仅广泛应用到地质勘探领域，而且受到石油钻井领域的青睐［15］。

本文针对水平井、大斜度井、大位移井、连续管钻井等定向钻井用的减摩降扭工具，把射流式冲击器进行改型，设计为一种脉冲压力发生装置，使射流元件入口处产生压力脉冲，驱动上部轴向振动工具带动钻柱产生周期性的轴向振动，改善钻具与井壁或套筒之间的摩擦条件，降低定向钻井过程中的摩擦阻力和转矩，促进井眼内的钻压传递，解决滑动钻井中的托压、粘滑、卡钻等问题，提高定向钻井的机械效率，促进井眼的延伸，降低钻井成本［69］。

1　技术分析

1．1 工作原理

120型射流式水力振荡器由上部的轴向振动短节A和下部的射流式压力脉冲短节B组成，如图1。其工作原理是：上部的轴向振动短节中由心轴、碟簧组、斯特封活塞组成的轴向运动集合体，在斯特封活塞到射流元件入口之间形成一个泵的开放区，类似于缸体的下腔；钻井泥浆经过轴向振动短节A上心轴的中心通孔进入下部的射流式压力脉冲短节B，泥浆通过射流元件喷嘴后形成高速射流，在射流元件内部进行附壁切换过程，驱动下部活塞在缸体内做往复运动，其原理与射流式冲击系统的工作原理类似。同时，活塞的下端在节流盘中心节流锥孔内做往复运动，周期性地改变节流盘的过流断面面积，通过射流元件的附壁切换过程和活塞的往复运动使得射流式压力脉冲短节B入口处产生一定幅度的周期性脉冲压力波；当压力升高时，流体压力作用于斯特封活塞下表面，推动心轴压缩碟簧组向左运动，心轴伸出；当压力降低时，已经压缩的碟簧组释放能量，推动心轴向右运动；这样下部的射流式压力脉冲短节B作为一个脉冲压力波发生器为上部的轴向振动短节A提供动力，驱动其进行往复运动，在井眼钻进中提供主动的振动能量，改善钻压传递和摩擦条件，提高钻进机械效率。

图1　120型射流式水力振荡器结构

1．2 设计参数

工具外径120 mm

输入流量14～16 L／s

工作频率10～15 Hz

射流元件外径（参考值）85～90 mm

活塞行程（参考值）20～30 mm

工具上下接头螺纹3IF

2　轴向振动短节

轴向振动短节结构如图2所示，主要由心轴、上接头、隔套、外管、碟簧组、中接头、心轴中接头、斯特封活塞、心轴下接头、下接头组成。其中，心轴、心轴中接头、碟簧组、斯特封活塞和心轴下接头组成了1个轴向运动集合体，轴向振动是依靠这个集合体的轴向往复运动使碟簧组不断地压缩积蓄能量和释放能量来实现的。

图2　轴向振动短节结构

轴向振动短节的装配顺序是：上接头和外管用螺纹连接好，心轴插入上接头和外管中，将隔套放入外管中，碟簧组穿在心轴上，而后将心轴中接头拧紧对碟簧组进行定位，把斯特封活塞套在心轴中接头上然后拧紧心轴下接头，斯特封活塞被轴向定位，最后拧紧下接头。装配过程中还需要安装一些密封件。

轴向振动短节中设计有一个斯特封活塞结构，如图3所示，该结构由1个O形橡胶圈及聚四氟乙烯圈组成，常用于液压缸的活塞表面密封，这种结构具有低摩擦阻力、良好的动静态密封效果、结构简单、耐高压等特点。斯特封在低摩擦阻力状况下，可以将泄漏量控制到极佳状态，而前后串联2组斯特封几乎可以达到完全密封的程度。

图3　斯特封活塞结构

3　射流式压力脉冲短节

射流式压力脉冲短节结构如图4所示，主要由上接头、调节碟簧、外缸、上压盖、射流元件、缸体、调整锥杆、活塞、圆柱销、缸盖、隔套、节流盘、下接头组成。其工作原理与射流式冲击系统的原理类似，区别在于活塞下端不连接冲锤，且设计了节流盘结构。

图4　射流式压力脉冲短节结构

3．1 碟形弹簧

外缸内部装配的射流元件及缸体、缸盖等核心零部件，其轴向尺寸存在着加工误差，装配时会产生误差积累，消除误差积累的办法是增加1个调整垫圈［10］。传统做法是选择适当厚度的调整垫圈，但工具在入井工作过程中钻具的转矩会发生变化，钻具上的螺纹旋紧程度也会发生变化，致使外缸内装配的各零部件的顶紧力发生变化，缸体变形，活塞运动受阻，甚至卡死。装配过松，产生轴向装配间隙，高压泥浆会发生泄漏，对各零部件的端面产生冲蚀，导致工作寿命不长，工作失效。

加入碟形弹簧组，通过碟簧的变形确保内部各零件间的顶紧和防止缸体过度变形，可从原理上消除此类故障的发生。各系列的射流式液动冲击器已采用了此种结构，简单可靠。在120型射流式压力脉冲短节中，也采用这种零件轴向顶紧机构设计方案，如图5所示。

图5　外缸内部各零件被碟形弹簧组顶紧示意

设计碟形弹簧时，首先要使其工作载荷既满足外缸内部诸零件轴向顶紧定位的需要，又不至于使内缸变形超过许可范围，然后按照常规设计程序逐项进行计算和校核，选择标准规格的产品。根据碟簧的作用进行分析，射流式压力脉冲短节的设计要求为：①拟定碟簧组对内部零件的预载荷为80 k N；②预压缩量5 mm以上时，补偿性能好。

3．2 射流元件

射流元件作为射流式压力脉冲短节的核心部件，主要由2个侧板、底板、盖板及劈尖组成。射流元件的重要几何尺寸包括主喷嘴宽度、导流段长度、位差、控制道宽度、输出道宽度、排空道宽度、劈尖距、劈排距、张角、排空道与侧壁的夹角、排空道与水平面的夹角、凹劈半径等。主喷嘴宽度是基础尺寸，其他尺寸参数都与主喷嘴宽度有一定比例关系［11］，而主喷嘴宽度则根据输入流量和拟喷射流速来计算确定，主喷嘴宽度的大小决定了射流元件整体尺寸的大小。

120型射流式压力脉冲短节上使用的射流元件如图6所示，由于石油钻井中，为了保证强度，管材壁厚较大，而外径一定，则限制了射流元件的外径尺寸及内部参数的几何尺寸，因此该射流元件设计的比较狭长。

图6　射流元件结构

射流元件是一个组合件，装配时需要用圆柱销将2个侧板和劈尖定位在底板上，再安装盖板，最后用内六角螺栓紧固。安装完毕后，需要在射流元件中部加工1个环槽，目的是将2个排空道的流体连通，使缸体上下腔排出的流体排出更加顺畅。试验用射流元件的加工材料可选用35Cr Mo，并在内腔表面渗氮处理，提高表面硬度，而生产用射流元件的加工材料可选用硬质合金或者其他耐磨超硬材料，以提高射流元件的工作寿命。

3．3 缸体及缸盖

缸体和活塞组成射流式压力脉冲短节的执行机构。缸体的结构复杂，钻井泥浆流量巨大，缸体极易发生泄漏，会产生严重冲蚀导致工具失效。因此，缸体设计有2处重要的密封结构：一是射流元件下表面与缸体的配合面；二是缸体下腔的进液通道，该通道裸露到外面与外缸内表面组成了闭合区域，并采用双层密封圈结构，确保密封性能良好［12］。缸体的三维立体结构如图7所示。

图7　缸体的三维结构

缸体采用35Cr Mo材料加工，活塞在缸体内做高频往复运动，要求缸体内表面耐磨性能良好，内孔表面渗氮处理，淬火回火，提高表面硬度、耐磨性和工作寿命。缸盖用于堵住缸体内孔，与缸体配合形成完整封闭腔室，缸盖的中心孔与活塞杆组合成运动副，要求缸盖内孔具有良好的密封性和耐磨性。因此，缸盖内孔设计有螺旋槽，长期的应用实践表明：以前采用铜套导向、YX密封圈的密封形式会磨损失效，而螺旋槽密封是一种可靠合理的密封方式，可以减小活塞杆与缸盖之间的摩擦力，并且简化了密封结构。缸盖内孔进行渗氮处理，以提高其表面硬度及耐磨性。缸盖结构如图8所示。

图8　缸盖结构

3．4 活塞及调整锥杆

如图9所示，活塞上端设计有1个莫氏锥度孔，用于安装调整锥杆，调节活塞的运动行程。活塞粗段表面设计有螺旋槽结构，使活塞在缸体内往复运动时密封性良好。由于活塞粗段表面与缸体内表面配合，因此活塞粗段表面与活塞杆的同轴度要求较高。射流式压力脉冲短节中的活塞设计与射流式冲击系统中的不同，由于没有连接冲锤，因此需要在活塞上设计运动下死点位置，将处于缸体内的活塞杆直径加大，利用缸盖进行行程定位。活塞粗段和活塞杆的表面进行渗氮处理，确保表面具有良好的耐磨性。

图9　活塞结构

调整锥杆的作用是插入活塞上端的锥孔，调节活塞运动行程，如图10所示。设计5个长度不同的调节锥杆，分别对应不同的活塞行程。调整锥杆的上端设计一个螺纹孔，目的是为了方便拆卸和更换调整锥杆。

图10　调整锥杆结构

4　结语

射流式水力振荡器是一种用于水平井、大斜度井、大位移井等定向钻井的专用减摩降扭工具，利用脉冲压力产生轴向振动能量，使钻柱与井壁或套筒之间的静摩擦转变为动摩擦，大幅度地降低滑动钻进中的摩擦阻力和转矩，改善钻压传递，提高钻进效率。本文主要介绍了射流式水力振荡器的工作原理，上部轴向振动短节和下部射流式压力脉冲短节的设计方法，以及一些重要零件的设计要点。

近年来大斜度井、水平井、大位移井等复杂钻井的数量在石油钻井领域不断增多，但是绝大多数井的钻井技术基本上采用滑动导向钻井技术，在钻井过程中会遇到很多问题，如摩阻转矩大、钻压传递不畅、机械钻速低等问题。针对这些棘手的问题，在井眼内钻具组合中添加脉冲振动工具的方法可以改善钻具与井壁或套筒之间的摩擦条件，达到减摩降扭、延伸井眼、提高钻速的目的。这类脉冲振动减摩降扭工具绝大多数都是国外钻井公司研发，从国外购置或租用国外的技术服务，价格非常昂贵。因此，国内若想在钻井工具技术方面有较大突破，必须加强技术创新开发力度，研制出具有自主知识产权的专用钻井工具，才能从根本上解决钻井问题，降低成本，提高钻井综合效益。

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Structure Design of120 Type Liquid Jet Oscillation Tool

WANG Jianzhang
（International Engineering Company，CCDC，Chengdu 610051，China）

In order to reduce friction and torque，combining the vibration reduction with jet percussion rotary technology，a special friction and torque reduction tool was developed．It consists of upper axial vibration sub and lower jetting pressure pulse sub，making use of axial vibration produced by pulse pressure，and connected downhole assembly，to improve friction condition between drilling column and well bore，and improve drilling efficiency as well to increase the drilling efficiency and promote extension of the well trajectory，and enlarging the hole of resource development capabilities．

liquid oscillation tool；fluidic element；directional drilling；vibration damping

TE921．2

B

10．3969／j．issn．1001－3842．2015．09．017

1001－3482（2015）09－0068－05

①2015－04－13

王建章（1970－），男，四川资阳人，工程师，从事石油钻井工程的技术及管理工作。

①2015－03－30

“十二五”国家科技重大专项“胜利油田特高含水期提高采收率技术”（2011ZX05011）

朱骏蒙（1980－），男，四川岳池人，高级工程师，硕士，主要从事浅海注采工艺技术研究，E－mail：zhujunmeng．slyt ＠sinopec．com。