一種立閥結構水力振蕩器的研制與分析

沈楠

(中石油長慶油田分公司第十一采油廠方山作業區，甘肅 慶陽 745000)

錢利勤，馮定，呂加華

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

在大斜度井、水平井鉆井過程中，由于鉆柱的自重很容易產生托壓現象，不僅嚴重影響鉆井速度，更會增加鉆井風險[1～4]。為此，國內外專家采取各種措施解決這一問題，Kjellinge等[5]的雙作用液壓缸的減摩器，通過短距離的往復運動產生振動，減小了摩擦阻力。Rasheed等[6～8]分別在文獻中介紹了軸向振蕩減摩器在連續管鉆井中的應用，實踐表明油田現場應用效果良好。在國內，劉志堅等[9]分析了水力振蕩器具有的功能及技術優勢，可以有效解決鉆井過程中的托壓問題。呂加華等[10]設計了一種三維水力振蕩器，實現軸向以及徑向的周期振蕩，對水力振蕩器作用區間進行了理論分析。現有水力振蕩器大多使用閥盤單一，在使用過程中動閥盤和定閥盤之間相接觸，在使用過程中出現磨損嚴重現象。為此設計了一種立閥結構水力振蕩器，采用立閥結構，立閥中動閥和定閥之間具有一定間隙，相互之間不會出現摩擦現象，利用閥盤過流面積交錯變化產生壓力脈沖，實現鉆具與井壁或套管靜摩擦變為動摩擦，從而達到降摩減阻效果。

1 方案設計

1.1 工作原理

圖1為立閥結構水力振蕩器結構示意圖。在水平井鉆井過程中，由渦輪部分提供動力帶動渦輪軸轉動，渦輪軸上有3個流道口，呈均勻分布，流道的寬度略大于擋流盤的寬度，從而使擋流盤與渦輪軸上的流道形成動定閥關系。當渦輪軸轉動，擋流盤與流道的位置發生交錯重合，使過流面積周期性改變，在水擊壓力的作用下產生周期性壓力脈沖，在振動短節作用下使振蕩短節外殼產生周期性軸向振動。

圖1 立閥結構水力振蕩器結構示意圖

1.2 結構性能參數

立閥結構水力振蕩器基本參數：工具外徑為165mm，水力振蕩器總長為4230mm，主軸半徑為35mm，流量為20～30L/s，流道口長80mm。

2 壓力脈沖關系分析

立閥結構提速工具在工作過程中，閥口部位產生的壓力脈沖幅值越大，其軸向力越大。而軸向力越大則軸向振動效果越好，因此有必要分析閥口前后的壓力脈沖關系。

2.1 有限元模型

利用solidworks建立立閥結構水力振蕩器閥口部分的流道有限元模型，在閥口部分采用滑移網格，并設置旋轉區域和數據交換面(見圖2)。分別設置兩端為進口和出口，壁面處理為邊界層網格，并對閥口部分采取局部細化以得到更準確的模擬結果，其中節點數為59054，單元數為92716。

2.2 邊界條件的設定

在立閥前段施加入口邊界為速度入口，流體為清水，入口速度為4m/s，出口為outflow，設置滑移網格旋轉區域的轉速為44rad/s，設置interface為旋轉區域與閥孔流道的交界面。為提高計算的準確性，動量、動能、湍流動能和湍流耗散率的離散均采用二階迎風格式，采用simple算法進行壓力速度耦合。

3 數值仿真結果分析

當渦輪軸轉動時，擋流盤與流道的位置發生交錯重合；當閥口位置重合時，過流面積最小。該情況下有最大壓差，值為3.33MPa。有限元仿真結果如圖3所示。

計算得到不同閥口交錯狀態下立閥結構水力振蕩器的壓差，穩定后立閥結構水力振蕩器壓降隨時間之間的變化關系曲線(圖4)。

圖3 有限元仿真結果 圖4 壓降隨時間變化曲線

從圖4可以看出，立閥結構水力振蕩器壓降隨時間變化呈現周期性的改變，呈現先減小后增大的趨勢。可以看出其中最大壓降為3.5MPa，隨著過流面積的增加，壓降逐漸減小，當過流面積最大時壓降最小，為0.001MPa。立閥結構水力振蕩器可以形成0.001～3.5MPa的壓降，從而軸向具有較好的降摩減阻效果。

4 關鍵參數對立閥結構水力振蕩器性能的影響

結合現場應用情況，對工作過程中流量、流道口長度等參數對立閥結構水力振蕩器壓降影響規律進行了研究。在單一變量原則下，仿真過程中分別改變入口流量和流道口長度，得到壓降隨時間變化曲線(見圖5、6)。

從圖6可以看出，增大入口流量，立閥結構水力振蕩器的最小壓降基本相同。這是因為當閥口完全打開時，流體全部流過流道口，該時閥門全開，無水擊現象。最大壓降隨著流量的增加急劇增大，這是因為當閥門全關時，流道口基本無流體流入，產生水擊現象。根據水力學理論，流量的增大會使水擊壓力明顯增大，故該時最大壓降隨著流量的增大而明顯增大。同時可以看出，隨著流量的增大其變化周期縮短。這是因為增大流量會使渦輪轉速加快，導致流道口流動周期縮短，擋流塊和流道口組成的閥門周期性開合頻率加快，壓降變化周期相應就縮短了。從圖7可以看出，隨著流道口長度的減小，最大壓降呈現增大趨勢，并且增幅明顯。主要是由于隨著流道口長度的減小，過流面積變小，導致水擊壓力變大，使得壓降也隨之增大。

圖5 不同流量下壓降隨時間變化曲線 圖6 不同流道口長度下壓降隨時間變化曲線

5 結論

1)與動定平閥相比，該設計采用立閥結構，立閥相互之間無接觸摩擦，能夠有效延長閥盤使用壽命，實現軸向振蕩，有效釋放井下摩阻，提高鉆井效率降低鉆井成本。

2)對立閥結構水力振蕩器關鍵部位閥口進行了研究，利用流體仿真軟件fluent，采用滑移網格技術對閥口部位進行了有限元仿真，得到壓降隨時間的變化規律。計算表明立閥結構水力振蕩器可以形成0.001～3.5MPa的壓降。

3)根據現場實際應用情況，對工作過程中流量、流道口長度等參數對立閥結構水力振蕩器壓降影響規律的研究表明，隨著流量的增大和流道口長度的減小，最大壓降呈現明顯增大趨勢，最小過流面積基本不變。

[參考文獻]

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[10] 呂加華,劉先明,錢利勤,等. 三維水力振蕩器性能影響因素研究[J].石油機械,2016,44(9):27～30.