前期研制出的自激式水力振荡器利用特殊流道和钻井液循环产生周期性振动，无运动件和橡胶件，耐高温、耐腐蚀、可靠性高、成本低，有效地解决了页岩气井长水平段滑动钻进托压的问题，但该工具压降较大、易导致泥浆泵过载，限制了其在页岩气水平井中的推广应用。为此，提出了一种优化上述自激式水力振荡器的方法 ：利用Plackett-Burman设计方法筛选出影响工具平均压降和压降幅值的显著因子；基于Taguchi方法建立正交实验表优化显著影响因子，通过均值分析和方差分析逐步确定了最优参数组合；最后采用数值模拟及室内实验的方法对比评价了优化前、后工具的性能。研究结果表明：(1)在数值模拟的条件下，排量为30 L/s时，优化后工具的平均压降由3.6 MPa降低到了2.9 MPa、压降幅值由4.0 MPa降低到了3.5 MPa；(2)在室内试验的条件下，优化后工具的平均压降由3.7 MPa减小为3.0 MPa、冲击力由44.5 kN减小为41.3 kN，达到了优化目标。结论认为，采用Plackett-Burman设计与Taguchi方法相结合的方式优化工具流道结构参数，可以在保证冲击力较大的同时降低工具压降。

目前，开发页岩气在钻井技术方面仍面临着许多挑战，如长水平段水平井摩阻高、扭矩大，托压严重，轨迹难控制等。在北美页岩气水平井开发中，多采用旋转导向工具，有效地解决了上述问题[1,2,3]。由于国产旋转导向工具目前尚不成熟，为了控制成本多采用“优化井眼轨迹+常规导向动力钻具+水力振荡器”的方式[4]。水力振荡器产生的振动能将钻具与井壁间的静摩擦转变为动摩擦，降低摩阻，进而解决托压问题[5,6,7]。但现有水力振荡器普遍存在运动件和橡胶件，因而耐高温和腐蚀性能较差，且压耗较大、成本较高[8,9,10]。这些问题也制约了水力振荡器在页岩气水平井中的推广应用。为此，笔者基于附壁效应研制出了一种新型水力振荡器——自激式水力振荡器。该工具利用特殊流道和钻井液循环产生周期性振动，无运动件和橡胶件，耐高温、耐腐蚀、可靠性高、成本低。前期3口井的现场试验表明，该工具能够有效解决滑动钻进托压问题，工具面更容易控制，同时显著提高了钻井效率。但是该工具压降较大、易导致泥浆泵过载，限制了其推广应用。因此，需要优化工具内部流道结构参数、降低工具压降。但在工具压降降低的同时，冲击力也会减小。如何合理地设计流道结构参数，在保证较大冲击力的同时降低压降，是该工具研制的难点之一。目前，与此相关的研究尚未见报道。为此，笔者提出采用Plackett-Burman设计和Taguchi方法相结合的方式来优化工具流道结构参数，并通过数值模拟和室内实验验证了所选优化方法的有效性。

1 结构及工作原理

自激式水力振荡器的结构示意图如图1所示，主要包括上接头、下接头和流道体三部分。其中，流道体内部的流道结构主要由入口、射流流道、上分流流道、上反馈控制流道、第一旋流腔、第一出口、下分流流道、下反馈控制流道、第二旋流腔以及第二出口组成。工具适用于Ø215.9 mm井眼。自激式水力振荡器的工作原理如图2所示。

钻井液从上接头进入工具内部，由入口进入射流流道，形成高速射流；由于附壁效应，高速射流会偏向上分流流道（图2-a），进入第一旋流腔；一部分钻井液在第一旋流腔内形成顺时针方向的涡流（图2-a），并由第一出口流出，经下接头右端进入下部钻具内，另一部分钻井液进入第二旋流腔，形成逆时针方向的涡流（图2-a）；进入该旋流腔的钻井液，一部分通过第二出口排出至下部钻具内，另一部分由上反馈控制流道到达射流流道的出口端；由于涡流场的外围压力高，中心压力低，工具进出口产生一定的压差；随着涡流场的强度逐渐增强，进出口压差不断变大；同时反馈调节作用也逐渐增强，迫使射流方向转换，钻井液开始由上分流流道进入下分流流道；由于下分流流道内液流的方向与第一旋流腔内涡流的方向相反，导致涡流场的强度开始降低，同时第二旋流腔内涡流场的强度也开始降低，直至第二旋流腔内涡流消失；然后，第一旋流腔内，一部分钻井液开始产生逆时针方向的涡流（图2-b），并由第一出口流入下部钻具内，另一部分钻井液进入第二旋流腔，形成顺时针方向的涡流（图2-b）；进入第二旋流腔的钻井液，一部分通过第二出口排出至下部钻具内，另一部分由下反馈控制流道到达射流流道的出口端；随着涡流场强度的增强，进出口压差越来越大；同时反馈调节作用不断增强，迫使射流方向转换，即液流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的方向与第一旋流腔内涡流方向相反，导致涡流强度开始降低，同时第二旋流腔内涡流场强度也开始降低，直至第二旋流腔内涡流消失；至此，完成一个工作周期。随着钻井液的不断循环，上述过程不断重复，工具产生周期性的振动。