非周期耦合式連續(xù)管減阻器設計*

張瑞萍，陳 強，竇益華，于 洋，鄭 杰

（西安石油大學機械工程學院，西安 710000）

0 引言

連續(xù)管在水平井鉆進過程中剛度小、易屈曲、不旋轉(zhuǎn)，引起摩阻過大甚至“鎖死”。連續(xù)管技術在水平井內(nèi)的作業(yè)優(yōu)勢明顯，用處愈來愈廣泛[1]。但由于連續(xù)管的尺寸小、柔性大、不易旋轉(zhuǎn)和加壓困難，與井壁間的摩擦阻力過大，導致鉆頭鉆壓不足[2－3]。連續(xù)管在注入壓力和井壁摩阻的作用下入井時，容易產(chǎn)生連續(xù)管屈曲現(xiàn)象，無法突破連續(xù)管的“鎖死點”，因此限制了連續(xù)管在水平井中的應用[4－7]。為克服上述難點，可配制連續(xù)管減阻器，使連續(xù)管與井壁間的摩擦力明顯減小，機械鉆速提高，作業(yè)周期縮短，連續(xù)管鉆井效率提高，延長連續(xù)管在水平井的鉆進位移[8]。

按照振動源是否為周期性振動，將連續(xù)管減阻器分為周期性振動減阻器和非周期性振動減阻器。周期性振動減阻器一般為機械式減阻器，其利用井內(nèi)流體或者其他動力驅(qū)動機械裝置，輸出周期性振動或沖擊力。RF－Rogaland Research公司研發(fā)的一種機械式減阻器，其工作原理為鉆井液流入液缸，迫使振蕩部分發(fā)生軸向位移，到達極限位置后，液缸泄壓使振蕩部分回到初始位置，不斷循環(huán)上述運動減阻器產(chǎn)生周期性軸向振動[9]。Thru Tubing Solutions公司和Ander Gauge公司研發(fā)的機械式減阻器，其工作原理主要由閥、心軸和碟形彈簧協(xié)作產(chǎn)生壓差，實現(xiàn)減阻器周期性的軸向振動[10－11]。覃光芬[12]介紹了一種新型機械式減阻器，主要由渦輪、凸輪和振動短節(jié)等組成，流體驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)動，由聯(lián)軸器把動能傳遞給凸輪，凸輪驅(qū)動振動短節(jié)做周期性振動。周期性振動減阻器的機械結構比較復雜，且受流體性質(zhì)限制，研究人員提出用井內(nèi)流體誘發(fā)結構振動的非周期性振動減阻器。

非周期性減阻器一般又稱為水力式減阻器，其依據(jù)流體力學原理，設計一種可改變流體壓力的特殊通道，激發(fā)流體在通道內(nèi)振動。National Oilwell Varco公司研發(fā)的E－line Agitator水力式減阻器，其工作原理為流體驅(qū)動動力短節(jié)，通過改變盤閥短節(jié)內(nèi)流道截面積，產(chǎn)生壓力脈沖，驅(qū)動激振體產(chǎn)生非周期振動[13]。國內(nèi)研發(fā)的一種水力振蕩器，其中變流閥和動力部分構成徑向振動器，產(chǎn)生液壓脈動作用于軸向振動器（活塞、碟簧和心軸），使得該水力振蕩器能夠發(fā)生徑向、軸向的非周期振動[14－15]。經(jīng)大量實驗和研究表明：周期性振動減阻器工作時連續(xù)管內(nèi)流體必須達到閥值，否則無法驅(qū)動機械結構工作，而非周期性振動減阻器靠特殊流道誘發(fā)流體與結構發(fā)生振動而達到減阻目的，具有易發(fā)生和工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

本設計基于流體力學中附壁效應、卡門渦街效應，設計了兩種結構簡單、振動原理可靠的非周期流體振動腔室，即附壁振動腔室和渦街振動腔室。附壁振動腔室設計中采用了仿生“蝸殼”設計方案，渦街振動腔室設計中采用了非均布、多列繞流柱體設計。周期機械振動模塊產(chǎn)生的軸向振動與非周期流體振動模塊產(chǎn)生的軸向振動發(fā)生耦合，提供減阻器減阻的主要動力；非周期流體振動模塊中附壁振動腔室與渦街振動腔室各自激發(fā)的徑向振動耦合，提供了減阻器減阻的輔助動力；減阻器軸向振動與徑向振動的耦合效應，提高了減阻器綜合減阻效果。

1 非周期耦合式連續(xù)管減阻器方案

“非周期耦合式連續(xù)管減阻器”主要利用“周期機械振動模塊”和“非周期流體振動模塊”各自激發(fā)的振動進行減阻，當各組之間的振動在某些時間節(jié)點耦合時，產(chǎn)生足夠大的瞬時沖擊力，將連續(xù)管與井壁間的靜摩擦變成滑動摩擦，甚至使其突破“鎖死點”，達到減阻的目的。“非周期耦合式連續(xù)管減阻器”的設計思路如圖1所示。

圖1 非周期耦合式連續(xù)管減阻器設計思路

非周期，是指減阻器中2個非周期流體振動腔室皆可產(chǎn)生非周期軸向、徑向振動。耦合式，是指周期機械振動組產(chǎn)生的軸向振動源和非周期流體振動組產(chǎn)生的軸向振動源振動耦合，非周期流體振動組在兩個腔室產(chǎn)生的徑向振動源振動耦合，減阻器自身產(chǎn)生的軸向、徑向振動兩者進行耦合。

其中，周期性機械振動模塊工作時，流體驅(qū)動液壓缸產(chǎn)生軸向沖擊力，撞擊閥桿震擊振動體，控壓閥周期性的泄壓產(chǎn)生壓差，從而產(chǎn)生軸向壓力脈動，實現(xiàn)周期性機械振動。本文周期機械振動模塊只產(chǎn)生軸向振動，作為主振動源，而流體振動腔室產(chǎn)生弱形式的徑向振動，更有利于連續(xù)管克服摩阻；非周期流體振動模塊“附壁振動腔室”和“渦街振動腔室”，分別采用仿生“蝸殼”和多列非均布擾流柱體的設計方案，使得流體所誘發(fā)的結構振動更為顯著，增強減阻效果。

2 非周期流體振動模塊

非周期流體振動模塊是為本減阻器提供輔助振動源的模塊，主要依據(jù)附壁效應和卡門—渦街效應進行結構設計，在流體作用下合理的結構設計使振動效果更為顯著。

2.1 附壁振動腔室

附壁振動腔室主要依據(jù)流體力學中附壁效應原理設計，由于流體流經(jīng)所設計的附壁效應振動腔室時，貼附于腔室表面流動，流經(jīng)腔室的表面曲率在一直變化，流體速度和方向就會一直變化，從而誘發(fā)持續(xù)的振動；另外，附壁振動腔室設計中仿生“蝸殼”錐形結構，導致腔室壓力也會發(fā)生變化，促進附壁效應產(chǎn)生的振動更加強烈。

在許多一般規(guī)模的工程中，流道流體一般用定常伯努利方程來表達。附壁腔室內(nèi)的流動雖屬于油管道內(nèi)流動，但減阻器工作時振動強烈，用定常伯努利方程特性無法滿足，所以本設計采用非定常伯努利方程。一條流道上由點A到點B的非定常伯努利方程的表達如下[16]：

式中：pl為管內(nèi)均壓；ξ與η為流阻系數(shù)；u0為管內(nèi)平均流速；為非定常項（具有慣性的流體因速度的劇烈變化而引起的能量損耗）。

根據(jù)非定常項的流動能量損失式（2）和非定常伯努利方程式（1），推導出管內(nèi)流體實際流動的能量方程如下：

利用式（3）嘗試對附壁振動腔室內(nèi)的流體流動進行描述，則有：

式中：uc為管內(nèi)截面平均流速；pc為管內(nèi)平均壓力；uout為出口平均流速；pb為出口平均壓力。

基于附壁射流理論，借助三維造型軟件Autodesk In?ventor，初步設計的渦街振動腔室如圖2所示。附壁振動腔室設計時，未采用傳統(tǒng)的圓柱—壁面模型，而是采用仿生“蝸殼”的設計方案。仿生“蝸殼”設計的附壁振動腔室，一方面，仿生蝸殼結構由于曲率一直按照螺旋路徑變化，且曲率變化緩慢，這樣的結構有利于附壁效應的誘發(fā)；另一方面，仿生蝸殼結構采用橡膠材料，留有內(nèi)部流道，因此，當井內(nèi)流體進入附壁振動腔室后，可以沿著內(nèi)、外2個流道流動，這樣的流道設計，有利于流體誘發(fā)結構在某些時間節(jié)點發(fā)生振動耦合。

圖2 附壁振動腔室三維模型

2.2 渦街振動腔室

渦街振動腔室結構設計主要依據(jù)流體力學中渦街效應，井內(nèi)流體繞過渦街誘發(fā)柱體時，誘發(fā)柱體兩邊會間接產(chǎn)生排列規(guī)則、旋轉(zhuǎn)方向相反的漩渦，產(chǎn)生渦街振動效應。“渦街振動腔室”采用了多列非均布擾流柱體的設計方案，使得卡門渦街所誘發(fā)的振動更為顯著，增強了減阻效果。流體流經(jīng)渦街誘發(fā)柱體時，非周期性地產(chǎn)生漩渦、漩渦脫落，便會激發(fā)非周期性的軸向振動，將振動傳遞到減阻器殼體上，達到減阻的目的。渦街振動腔室中三柱繞流問題屬于流固耦合問題，其數(shù)值模擬可參考基于嵌入式迭代的浸入邊界法[17]，方程如下：

當管內(nèi)流體流經(jīng)渦街誘發(fā)柱體時，可用下述運動方程來表示：

式中：t為流經(jīng)該柱體時間；u為管內(nèi)流體速度；?為流體梯度；p為管內(nèi)液體壓強；v為液體黏性系數(shù)；f為流體附加體積力；m為柱體質(zhì)量；y為邊界條件；c為柱體材料阻尼；k為彈簧剛度系數(shù)；F為柱體承受的軸向流體力。

基于流固耦合問題理論，借助三維造型軟件Au?todesk Inventor，初步設計的渦街振動腔室如圖3所示。渦街振動腔室設計時，未采用傳統(tǒng)的單柱繞流，而是采用了更為復雜的三柱繞流模型，在三柱繞流的基礎上，進一步細化模型，將繞流柱體分成3層，每層設置非均布柱體4個，相鄰兩個繞流柱體間在相位上相差π/2。非均布、3列繞流柱體的設計，在一定程度上極大地利用了卡門渦街的振動特性，預期可以取得較好的流體振動頻率，以增強減阻器的減阻效果。

圖3 渦街振動腔室三維模型

3 非周期耦合式連續(xù)管減阻器結構

本文設計的非周期性耦合水力誘振式連續(xù)管減阻器三維模型如圖4所示，主要由上接頭、周期機械振動組、非周期流體振動組和下接頭4個部分組成。流體流入周期機械振動組液壓缸內(nèi)，流體壓力推動活塞桿上行，儲能彈簧被壓縮，當流體壓力達到閾值時，控壓閥開啟，瞬間泄掉液壓缸內(nèi)的流體壓力，儲能彈簧釋放動能，使撞擊閥桿撞擊震擊殼體，壓力泄掉之后，控壓閥關閉，循環(huán)上述震擊過程，產(chǎn)生周期性軸向振動。

圖4 非周期耦合式連續(xù)管減阻器

流體流入非周期性流體振動模塊，首先進入渦街振動腔室，流體流經(jīng)渦街誘發(fā)柱體時，非周期性地產(chǎn)生漩渦、漩渦脫落，便會激發(fā)非周期性的軸向、徑向振動，改振動傳遞到減阻器殼體上，達到減阻的目的。流體進入附壁振動腔室貼附于腔室表面流動，流經(jīng)曲率變化處時，流體速度大小和方向便會發(fā)生變化，腔室表面曲率在一直變化，流體速度便會一直變化，誘發(fā)持續(xù)的振動。

4 非周期流體振動組工作過程

為了確保所設計的仿生“蝸殼”錐形結構和非均布多列繞流柱體結構能產(chǎn)生附壁效應和渦街效應，并可以誘發(fā)結構振動，因此本設計對附壁振動腔室和渦街振動腔室進行流體動力學仿真分析，主要監(jiān)測2個腔室在工作過程中的渦量變化。

4.1 附壁振動腔室流體仿真

附壁振動腔室的仿真采用基于大渦模擬理論的無網(wǎng)格軟件X－Flow，該流體仿真軟件的特點是不需要網(wǎng)格劃分，且能模擬井下單、雙相流環(huán)境。考慮到附壁振動腔室所建立的模型在幾何上具有較高的非線性，而使用三維流體仿真會極大地增加流體仿真建模難度，并對計算機內(nèi)存利用要求較高，耗時耗力。于是，對附壁振動腔室的模型進行結構簡化，用二維簡化模型代替原來的三維非線性幾何模型，簡化建模結果如圖5所示。監(jiān)測附壁振動腔室工作過程中渦量變化圖，如圖6所示。由圖可知，所設計的仿真蝸殼結構在每圈蝸殼的周圍及其過渡處，渦量最大，在仿生蝸殼的上端部及下端部處，渦量變化最為顯著，并可以看到明顯的漩渦形成、堆積、脫落現(xiàn)象。綜上所述，仿生蝸殼結構能夠誘發(fā)持續(xù)、強烈的附壁效應，可以產(chǎn)生減阻器所需頻率的振動，設計合理。

圖5 附壁振動腔室簡化模型

圖6 附壁振動腔室渦量分布

4.2 渦街振動腔室流體仿真

由于所設計的渦街振動腔室中的多列繞流柱體具備對稱性，因此將計算模型簡化為二維模型進行仿真計算。按照簡化計算模型，在Ansys Workbench的DM模塊建立計算模型，建立完成渦街振動腔室的仿真計算模型如圖7所示。

圖7 渦街振動腔室流體仿真計算模型

設置入口邊界條件為質(zhì)量流邊界3 kg/s，設置3個繞流柱體為固定約束，其余邊界均為壁面。對設置好邊界條件的計算模型，進行求解，得到其渦量分布如圖8所示。

圖8 渦街振動腔室流體仿真渦量分布

圖8 表明，柱體A和B上的層間均生成旋渦，且在柱體C下方形成平行旋渦，但是兩側(cè)旋渦不穩(wěn)定，在腔室下方發(fā)生耦合，得到復雜的旋渦形狀。由于柱體A與柱體B脫落旋渦運動方向一致，通過漩渦疊加使得柱體B的產(chǎn)生更大的漩渦，同樣，柱體B產(chǎn)生的旋渦也會使柱體C產(chǎn)生更大漩渦，從而產(chǎn)生顯著的振動。另外，圓柱A、B、C處的渦量均比較大，即卡門渦街效應較為顯著，說明渦街振動腔室可以誘發(fā)流體振動，該設計合理。

5 結束語

本文通過利用附壁效應、卡門渦街效應和振動耦合效應等流體振動原理，設計了一種新型連續(xù)管減阻器，利用X Flow和ANSYS Fluent軟件對減阻器進行流體仿真分析，得到以下結論。

（1）周期機械振動組產(chǎn)生較大的周期性軸向振動，作為減阻器主振動源，減阻器整體采用“弱形式徑向振動”，更有利于減阻效果。

（2）非周期流體振動組采用附壁效應和渦街效應原理，設計了仿生“蝸殼”錐形結構和非均布多列繞流柱體結構，有利于產(chǎn)生非周期振動，設計2個振動腔室，有利于兩個效應振動的耦合。

（3）該設計利用ANSYS Fluent和X Flow軟件進行仿真，以驗證非周期流體振動腔室結構設計是否合理，仿真結果表明：附壁振動腔室和渦街振動腔室的渦量變化顯著，可以誘發(fā)流體結構振動，設計合理。