回流式自激振蕩器脈沖流動特性數值研究*

2022-02-13 02:22:26張景躍王宗明于振興周耀東李文飛夏文安

石油機械 2022年12期

張景躍王宗明于振興周耀東李文飛夏文安

(1.中國石油大學(華東)新能源學院 2.國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心 3.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院)

0 引言

在石油鉆井中，鉆柱貼附井壁會造成鉆柱整體摩阻加大，影響鉆壓的傳遞，使驅動扭矩加大，降低鉆進速度[1]。而且鉆井井底壓持效應[2]的存在容易造成鉆屑堆積井底，堵塞裂縫，形成巖屑重復破碎，也會影響鉆頭壽命和機械鉆速。無論是鉆柱摩阻還是井底的壓持效應，都可以通過使用自激振蕩器來抑制。一方面，自激振蕩器產生的脈動射流會對鉆柱起到激勵振動作用，將鉆柱與井壁的靜摩擦轉化為動摩擦，實現動態減阻[3]；另一方面，自激振蕩器產生的脈動壓力在一定程度上可以克服井下巖屑的壓持效應，并且脈動射流的駐點壓力最大值是普通連續射流的4～10倍[4-6]，能夠增強鉆頭的破巖效果。

目前，產生自激振蕩脈動射流的裝置主要是基于赫姆霍茲式和風琴管式自激振蕩噴嘴[7-9]。赫姆霍茲式自激振蕩噴嘴依靠振蕩波在振蕩腔內的傳播與反饋來產生脈動射流，振蕩波在流體中傳播速度較大，導致脈動頻率過高，達到102、103甚至更高的數量級。而且依靠空化原理形成自激脈動射流的自激空化裝置，不適用于鉆井高圍壓的工況[10]。

國內外學者對自激振蕩脈動射流產生的機理以及自激振蕩裝置進行了較多研究。P.A.LUSH[11]對附壁射流振蕩器中射流產生偏轉的機理進行理論和試驗探究，研究結果表明，射流的偏轉其實是主射流受附著壁之間漩渦影響的結果。V.TESAR等[12]提出了一種新型的自激振蕩器，這種射流振蕩器特點是在結構中加入了一個赫姆霍茲共振腔，通過振蕩波在振蕩腔內的來回傳播發展，進而引發射流的振蕩，可以滿足大多數高頻振動應用場合，但不滿足低頻振動應用場合。雷純兵[13]創新性地設計了一種高圍壓條件下的脈動射流噴嘴，設計了附著壁及回流通道，可在一定程度上降低脈動射流的頻率。

對于井下作業高圍壓、大流量工況，為使自激振蕩器所產生的脈動射流頻率進一步降低，筆者在前人研究的基礎上，結合附壁射流效應、渦激振動效應以及流體反饋作用，提出了高圍壓低頻回流式自激振蕩器，并利用CFD方法分析了振蕩器內部脈沖流動特性。所得結果可為振蕩器脈動頻率調節及新型自激振蕩器開發提供參考。

1 計算模型及參數確定

1.1 結構設計與網格劃分

新型回流式自激振蕩器結構如圖1所示。該回流式自激振蕩器主要包括本體、楔形整流塊及圓柱形整流塊等部件。本體左端為連接外螺紋，右端為連接內螺紋。楔形整流塊和圓柱形整流塊安裝于本體中部，在本體內依次形成射流入口、振蕩腔、回流通道、射流出口以及后振蕩壁、附著壁和前振蕩壁。

1—后振蕩壁；2—前振蕩壁；3—連接內螺紋；4—圓柱形整流塊；5—附著壁；6—楔形整流塊；7—本體；8—連接外螺紋。

使用GAMBIT軟件對回流式自激振蕩器計算區域進行網格劃分。由于振蕩腔內部結構較為復雜，需要對計算區域進行split分塊。近壁區域采用邊界層網格，網格層數為5層。對整個計算區域采用cooper方式進行六面體結構化網格劃分，計算模型網格劃分如圖2所示，綠色部分為邊界層網格。

圖2 計算模型網格劃分

1.2 計算條件與邊界設置

應用Fluent軟件、采用RNGk-ε湍流模型，對振蕩器振動本體內部流場進行數值模擬。計算條件及邊界設置如下：

(1)根據現場數據，選取鉆井液密度為1 300 kg/m3，動力黏度相應設置為0.015 Pa·s。

(2)入口采用壓力入口條件，壓力為15.5 MPa；出口采用壓力出口條件，壓力為14.5 MPa。

(3)固體壁面設為靜止壁面。

1.3 網格無關性與結果正確性驗證

計算發現，當網格數超過60萬時，脈動頻率趨于一個穩定值，繼續增加網格數量到100萬，計算結果與60萬時的頻率變化幅度相差不足1%。為了得到較為精確的解，最終選取的計算模型網格數量為643 230。

王暉[14]利用測力傳感器、高速攝像機等信息采集裝置，配合射流裝置組合成試驗系統。該試驗系統中自振噴頭的主要參數為：上噴嘴直徑d1=0.8 mm，下噴嘴直徑d2=1.2 mm，振蕩腔長度LC=3.5 mm，振蕩腔寬度DC=8 mm。采用上述數學模型進行數值模擬，圖3為數值模擬結果與王暉的試驗結果對比圖。由圖3可見，模擬結果與試驗結果較為接近，誤差在10%以內，驗證了模型的可用性和結果的正確性。

圖3 試驗頻率與模擬頻率對比圖

2 振蕩器脈沖流動特性

2.1 內部流場特性

圖4為自激振蕩器內部流場的典型流動過程。由圖4可見，流場中存在流體反饋、渦漩推動作用以及附壁效應。

圖4 自激振蕩器內部流動過程圖

由圖4a可見，在t=1.839 95 s時，主射流由于上附著壁與主射流間的渦漩作用被推至下附著壁上，然后經過圓柱形整流塊的繞流后主射流向上彎曲，大部分流體直接從出口流出，少部分流體由于彎曲幅度較大直接從上回流通道入口流入，繼續增強上附著壁與主射流間的渦漩作用。另外，還有部分緊貼下附著壁的流體未經圓柱形整流塊繞流直接進入下回流通道，開始形成回流。此時大部分主射流流體直接流出出口。

由圖4b可見，在t=1.854 95 s時，隨著上部漩渦的增大，越來越多的緊貼于下附著壁的流體流入下回流通道，導致在下回流通道的出口形成了一個初生渦漩。該初生渦漩會逐漸增大并向下游移動，將下回流通道出口附近原本緊貼在下附著壁的主射流推開一段距離。雖然大部分主射流仍然還貼在下附著壁上面，但是進入上回流通道的流體大大減少。

由圖4c可見，在t=1.879 95 s時，初生渦漩增大到一定規模，會使主射流完全偏離下附著壁，并貼附在上附著壁上，大部分主射流從圓柱形整流塊的上方通過了；但由于繞流作用的存在，主射流的下半部分會向下偏轉，這就使得一部分流體流入下回流通道實現回流，另一部分則直接從出口流出。

由圖4d可見，在t=1.884 80 s時，主射流的主體已經被推至上附著壁面，發育完成，向下游移動的渦漩也已經達到最大值并充滿下游區域。下游部分向下彎曲的流體大部分還是直接從出口流出，少部分流體由于彎曲幅度較大進入下回流通道，還有部分緊貼上附著壁的經前振蕩壁的反饋流入上回流通道形成回流，該狀態即圖4a所示狀態的對稱狀態，僅僅是上下切換而已。隨著上回流通道回流量的增多，上回流通道出口處的初生渦漩將會產生，繼續重復圖4b～圖4c的過程。

回流式自激振蕩器內部主射流完成一次偏轉的過程，也是主射流在2個附著壁之間來回擺動1次所需時間的。主射流之所以可以來回偏轉，就是由于經前振蕩壁反饋的回流流體產生的渦漩增大并向下游移動、推動附壁流動偏離壁面、結合圓柱繞流的結果。

2.2 出口脈沖射流特性

圖5為振蕩器出口的速度頻譜圖和壓力頻譜圖。由圖5可知，兩張頻譜圖變化規律相似，振蕩器計算區域的出口處所形成的脈動射流頻率為24.178 Hz，相比于傳統自激振蕩器產生的102數量級射流頻率，有較大幅度下降，為其適用于低頻工況打下堅實的基礎。

圖5 振蕩器出口頻譜圖

3 結構參數對脈動特性的影響

由于井下自激振蕩工具1階固有振動頻率一般較低，而且自激振蕩工具的響應頻率受工具長度和徑向尺寸影響較大。下面應用數值模擬方法，探究圓柱形整流塊半徑、回流通道寬度、振蕩腔長度及前振蕩壁夾角等4個振蕩器結構參數對脈動射流頻率的影響規律[15]。

使用控制變量法探究單一結構參數與脈動射流頻率的變化關系，控制其他結構參數不變。根據前期計算結果，選取基準參考組合：前振蕩壁夾角α=120°，后振蕩壁外圓角半徑R=42 mm,振蕩器振蕩腔長度L=190 mm，回流通道寬度d=15 mm，圓柱形整流塊半徑r=12 mm，圓形整流塊距定位尺寸為m=50 mm，具體結構如圖6所示。

圖6 結構參數示意圖

3.1 圓柱形整流塊半徑的影響

回流式自激振蕩器引入圓柱形整流塊，強化了繞流效應。在此取圓柱形整流塊半徑在10～20 mm范圍，每隔2 mm變化1次，其他參數值與參考組合保持一致，進行數值模擬，射流頻率隨圓柱形整流塊半徑的變化趨勢如圖7所示。由圖7可知，隨著圓柱形整流塊半徑的增大，脈動射流頻率整體上呈現先增大后減小的趨勢，可根據不同的需求選擇合適的圓柱形整流塊半徑。

圖7 脈動射流頻率隨圓柱形整流塊半徑變化趨勢

3.2 回流通道寬度的影響

回流式自激振蕩器將楔形整流塊邊緣處設計為小段圓弧過渡，回流通道寬度在10～25 mm范圍，其他結構參數值與參考組合保持一致，最終選擇7組結構參數進行模擬研究。圖8為脈動射流頻率隨回流通道寬度變化關系。由圖8可知，脈動射流頻率在d=13 mm處達到最大值，之后的流動頻率受回流通道寬度的影響不大，在24 Hz上下變化。

圖8 脈動射流頻率隨回流通道寬度變化趨勢

3.3 振蕩腔長度的影響

圖9為脈動射流頻率隨腔長的變化趨勢。由圖9可見，脈動射流頻率隨振蕩腔長度的增大而減小，二者呈二次曲線型分布。曲線的擬合公式為：y=0.000 723 795x2-0.432 03x+80.379 45

圖9 脈動射流頻率隨腔長變化趨勢

(1)

式中：自變量x為振蕩腔長度，mm；因變量y為脈動射流頻率，Hz。

因為振蕩腔長度越長，對應的附著壁長度以及回流通道長度就越長，射流振蕩過程中附著在上、下附著壁以及通過回流通道所需時間也相應延長，故振蕩1次的周期得到延長，振蕩頻率也會隨著腔長的增長而降低。

式(1)可用于其他結構參數不變時，通過腔長的改變來控制脈動射流頻率，使其適合自激振蕩工具的固有振動頻率，達到強化激勵的作用。

3.4 前振蕩壁夾角的影響

取前振蕩壁夾角在80°～180°范圍，每隔20°均勻變化，其他參數值與參考組合保持一致，計算得到脈動射流頻率隨前振蕩壁夾角的變化趨勢，如圖10所示。由圖10可知，隨著前振蕩壁夾角α的增大，脈動射流頻率隨前振蕩壁夾角α的增大呈現出先減小后增大的趨勢，且在α=120°處最小。在回流式自激振蕩器設計中，推薦前振蕩壁夾角α取120°。