一種滑閥式水力振蕩器設(shè)計(jì)及脈沖壓力波形分析

黃新宇 陳維

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2010-5640-7927

摘? 要：水力振蕩器是解決托壓?jiǎn)栴}的主要方法之一。傳統(tǒng)的水力振蕩器由于其動(dòng)閥與定閥盤(pán)是端面接觸，導(dǎo)致磨損現(xiàn)象嚴(yán)重，是導(dǎo)致水力振蕩器壽命低的主要原因之一。本文基于一種滑閥結(jié)構(gòu)提出了一種新型滑閥式水力振蕩器結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行脈沖壓力波形進(jìn)行分析，得到該水力振蕩器的脈沖范圍為0.237～6.93MPa，具有較為良好的降摩減阻效果。

關(guān)鍵詞：水力振蕩器? 滑閥? 脈沖壓力波形? 降摩減阻

中圖分類(lèi)號(hào)：TE921? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）01（c）-0042-05

Design of a Slide Valve Hydraulic Oscillator and Analysis of Pulse Pressure Waveform

HUANG Xinyu? CHEN Wei

（School of Mechanical Engineering Yangtze University， Jingzhou， Hubei Province， 434000 China）

Abstract： Hydraulic oscillator is one of the main methods to solve the problem of supporting pressure. The traditional hydraulic oscillator is one of the main reasons for the low life of the hydraulic oscillator due to the serious wear phenomenon caused by the contact between the moving valve and the fixed valve plate .In this paper， a new type of slide valve hydraulic oscillator is proposed， and its pulse pressure waveform is analyzed. The pulse range of the hydraulic oscillator is 0.237 ～ 6.93mpa， which has good effect of reducing friction and drag.

Key Words： Hydraulic oscillator; Slide valve; Pulse pressure waveform; Drop the drag reduction

隨著淺層賦存較好的油氣資源逐漸枯竭，經(jīng)濟(jì)發(fā)展又使得人們對(duì)油氣資源的需求不斷增加，進(jìn)而使得石油鉆井逐漸向深井、水平井和大位移井方向發(fā)展 [1-4]。在這樣的井眼中鉆井時(shí)鉆桿柱不可避免與井壁接觸，產(chǎn)生較大的摩擦阻力，出現(xiàn)“托壓”現(xiàn)象，使傳遞到鉆頭上的鉆壓顯著減小，使鉆壓傳遞效率下降，造成機(jī)械鉆速低，建井周期增長(zhǎng)，鉆井成本上升[5-6]。嚴(yán)重時(shí)造成鉆頭空轉(zhuǎn)影響鉆井速度，更會(huì)增加鉆井風(fēng)險(xiǎn)[7-9]。

因此，為了提高鉆井效率、節(jié)約鉆井成本，深井、水平井和大位移井的減摩降阻技術(shù)已成為廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)。在現(xiàn)有的減摩降阻技術(shù)中，廣泛應(yīng)用水力振蕩器來(lái)克服托壓[10-12]。目前，傳統(tǒng)水力振蕩器的脈沖單元主要采用盤(pán)閥結(jié)構(gòu)，例如NOV水力振蕩器[13]，盤(pán)閥的靜閥座與動(dòng)閥盤(pán)端面接觸，受端面接觸壓力和動(dòng)閥盤(pán)旋轉(zhuǎn)的影響，閥盤(pán)磨損非常嚴(yán)重，極大地降低了水力振蕩器的工作壽命[14]。針對(duì)閥盤(pán)磨損非常嚴(yán)重的問(wèn)題，基于一種滑動(dòng)柱塞式壓力脈沖閥提出一種滑閥式水力振蕩器的解決方案，由于其閥組相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向與軸向力方向一致，因此閥組受到的摩擦力會(huì)降低，由此帶來(lái)的磨損現(xiàn)象可以得到緩解。

1? 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 滑閥組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為滑閥組結(jié)構(gòu)示意圖。定閥上開(kāi)有均與分布流道，滑閥動(dòng)閥與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，作軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)動(dòng)閥由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，進(jìn)行下行運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)使定閥上流道的過(guò)流面積減小，從而導(dǎo)致壓力增大;當(dāng)動(dòng)閥由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，進(jìn)行上行運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)使定閥上流道的過(guò)流面積增大，從而導(dǎo)致壓力增小。當(dāng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滑閥動(dòng)閥作周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)使，會(huì)導(dǎo)致定閥上流道的過(guò)流面積發(fā)生周期性改變，進(jìn)而產(chǎn)生壓力脈沖。

1.2 滑閥式水力振蕩器結(jié)構(gòu)及工作原理

圖2為滑閥式水力振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖。在鉆井過(guò)程中由渦輪部分提供動(dòng)力帶動(dòng)渦輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪軸下端上有特定軌跡的軌道槽，在軌道槽的約束作用下，銷(xiāo)釘可以沿著軌道槽作軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)套筒通過(guò)銷(xiāo)釘與渦輪軸連接，而滑閥動(dòng)閥通過(guò)螺紋連接與傳動(dòng)套筒連接，當(dāng)銷(xiāo)釘作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)傳動(dòng)套筒產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)滑閥動(dòng)閥作軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)滑閥動(dòng)閥作軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，與滑閥定閥之間的位置發(fā)生周期性改變，從而導(dǎo)致定閥上流道的過(guò)流面積發(fā)生周期性變化，進(jìn)而產(chǎn)生周期性壓力脈沖。周期性的壓力脈沖使振蕩短節(jié)產(chǎn)生周期性軸向振動(dòng)，達(dá)到降摩減阻的效果。

1.3 軌道槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)滑閥式水力振蕩器工作原理可以知道，滑閥組動(dòng)閥的運(yùn)動(dòng)是一種軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此當(dāng)其運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變時(shí)，其速度為0，及此時(shí)軌道槽曲線(xiàn)的導(dǎo)數(shù)y'=0，根據(jù)這些曲線(xiàn)特性，可以得到，渦輪軸上的軌跡槽設(shè)計(jì)成正弦曲線(xiàn)時(shí)是可以滿(mǎn)足要求的，曲線(xiàn)表達(dá)式為：

式中：y——滑閥動(dòng)閥位移，mm;

H——滑閥動(dòng)閥最大行程，mm;

t——運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s。

將渦輪軸展開(kāi)成平面圖，其軸軌跡槽示意圖如圖3所示。

2? 壓力脈沖波形分析

2.1 過(guò)流面積的變化

將滑閥組定閥柱面展開(kāi)成平面，如圖4所示。滑閥定閥上開(kāi)有3個(gè)均勻分布的矩形流道口，其中流道口的寬為D，高為L(zhǎng)。滑閥動(dòng)閥軸向方向行程示意圖為圖5所示，最大行程為H，上極限位置與流道口距離為h。

得到動(dòng)閥組在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，過(guò)流面積在一個(gè)周期內(nèi)的變化表達(dá)式，如下：

2.2 閥前閥后瞬時(shí)壓差計(jì)算公式

閥前閥后的瞬時(shí)壓差計(jì)算公式[15]：

式中：ρ——泥漿密度，kg/m3;

S——過(guò)流面積，m2;

Cd——為流量系數(shù)，一般Cd= 0.6～0.8;

?P——為瞬時(shí)壓差，MPa。

2.3 CFD數(shù)值模擬

使用三維建模軟件SolidWorks建立了該閥系的流道模型。采用Fluent專(zhuān)用前處理軟件mesh對(duì)流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在動(dòng)閥邊界設(shè)置動(dòng)網(wǎng)格，使用UDF定義動(dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并在閥口處使用interface設(shè)置交界面;分別設(shè)置兩端為進(jìn)口和出口。閥系流道網(wǎng)格模型如圖6所示。

將mesh生成的網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent軟件中，在Fluent中定義了流動(dòng)介質(zhì)為水，并選擇計(jì)算模型為2階標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型;設(shè)置進(jìn)口為流量進(jìn)口，為30L/s;設(shè)置出口為壓力出口，為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng);流體介質(zhì)為水;設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)和步數(shù)，對(duì)該閥系模型進(jìn)行一個(gè)周期的仿真分析，得到該閥系一個(gè)周期內(nèi)的脈沖壓力規(guī)律，其中最小脈沖壓力云圖如圖7（a）所示，最大脈沖壓力云圖如圖7（b）所示。

根據(jù)仿真得到的脈沖壓力云圖可以繪制一個(gè)周期內(nèi)脈沖壓力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖8所示。

由圖7、圖8可知，當(dāng)滑閥動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)到下極限位置，即過(guò)流面積最小時(shí)，有最大壓降6.93MPa;當(dāng)滑閥動(dòng)閥未對(duì)過(guò)流面積產(chǎn)生影響，即過(guò)流面積最大時(shí)，有最小壓降0.237MPa。可以得到該滑閥式水力振蕩器的脈沖壓力范圍為0.237～6.93MPa，具有較為良好的降摩減阻的效果。

3? 結(jié)論

（1）提出一種新型滑閥式水力振蕩器。滑閥式水力振蕩器不同于傳統(tǒng)的盤(pán)閥式水力振蕩器，采用滑閥設(shè)計(jì)的這種水力振蕩器，由于其閥組相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向與軸向力方向一致，因此閥組受到的摩擦力會(huì)降低，由此帶來(lái)的磨損現(xiàn)象可能會(huì)緩解;

（2）對(duì)這種滑閥式水力振蕩器進(jìn)行了脈沖壓力波形分析。得到該滑閥式水力振蕩器的脈沖壓力范圍為0.237～6.93MPa，具有較為良好的降摩減阻的效果。

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