旋轉導向鉆井系統三肋流道轉換器設計研究

摘 " 要：旋轉導向鉆井系統是目前廣泛應用的定向鉆井工藝技術系統，流道轉換器是該系統的關鍵機械零件，具有儀器內流道轉換、電氣連接等功能。針對流道轉換器的功能需求，設計了一種三肋形式的流道轉換器結構，并采用CFD方法對其進行全三維數值模擬，分析了流道轉換器內流場情況，依據分析結果對流道設計進行了改進。研究發現：流道轉換器出口總壓分布均勻，但流體流線較亂，且流經流道轉換器的液體壓力損失仍較大，在優化倒角后壓力損失有所降低。通過結構設計與仿真分析，完成三肋流道轉換器的選材及結構定型，最終完成三肋流道轉換器的研制。

關鍵詞：旋轉導向；流道轉換器；流體仿真；數值模擬；優化設計

中圖分類號：TE921.2 " " " " 文獻標志碼：A " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.06.009

Design and Research of Three-ribbed Channel Converter for Rotary Steerable Drilling System

YANG Hengcan1，ZHANG Yulin1，LIN Haoyu1，JIAN Zhijun1，BAO Dongsheng1，HUANG Yue2

（ 1.China Oilfield Services Co.， Ltd.， Langfang 065201， China;2.School of Aerospace Engineering， Xiamen University， Xiamen 361102， China）

Abstract：Rotary Steerable Drilling System is a directional drilling technology system which is widely used at present. The flow channel converter is the key mechanical part of the system， which has the functions of flow channel conversion and electrical connection in the instrument. According to the functional requirements of the flow channel converter， a three-rib structure of the flow channel converter was designed， and the flow field inside the flow channel converter was analyzed by CFD method. It is found that the total pressure distribution at the outlet of the flow channel converter is uniform， but the fluid flow line is chaotic， and the fluid pressure loss through the flow channel converter is still large， and the pressure loss is reduced after the optimization of the chamfer. Through structural design and simulation analysis， the material selection and structure adjustment of the three-ribbed flow channel converter were completed， and the development of the three-ribbed flow channel converter was finally completed.

Key words：rotary steering; channel converter; fluid simulation; numerical simulation; optimal design

隨著我國油氣勘探開發向著深水、深層及非常規油氣進軍與水平井、大位移井的廣泛應用，旋轉導向鉆井技術得以蓬勃發展，該技術能夠在旋轉鉆井過程中，控制鉆井軌跡，精確導向進入油層的最佳位置，是當今世界上實現定向鉆井的高端系統，可極大提升油氣開發效率和開發能力［1-5］。

在鉆井過程中，需要一直循環鉆井液，從鉆桿及鉆井工具內孔流入，通過鉆頭后經鉆井工具、鉆桿的外徑與井眼形成的環空，攜帶巖屑返回上去［6］。由于旋轉導向鉆井系統結構復雜，儀器內部鉆井液流道，需要根據鉆井工藝需求隨時調節，即環空流道與中心流道相互轉換［7］。流道轉換器可以實現儀器流道變化，是旋轉導向鉆井系統關鍵零部件。

同時，旋轉導向系統采用高壓泥漿驅動渦輪，帶動發電機為井下儀器供電［8］。整個系統由流道轉換器、渦輪、發電機及連接機構組成，流道轉換器作為關鍵部件，其性能優劣將直接影響旋轉導向系統的發電供電能力。因此設計一款適用于旋轉導向系統的流道轉換器對提高系統性能及應用可靠性十分重要。

目前，國內外針對旋轉導向鉆井系統流道轉換器等部件的設計研究較少。藥曉江等［9］對某型隨鉆測井儀流道轉換器進行了優化設計，并對4種設計方案進行了模擬和對比，認為影響流道轉換器流場性能的主要因素是擴張角和內流道截面積的連續性。李杰等［10］對流道轉換接頭內部鉆井液流動進行數值模擬，發現流道轉換接頭的截面變化處與流道內表面最容易被沖蝕，提出了新型流道轉換接頭結構和加工工藝，以延長使用壽命。Ivan Okhotnikov等［11-13］設計了一種旋轉液壓流量控制閥，提出了閥芯驅動器和輔助機構的選型標準，推導了計量特性和穩流力矩的解析表達式，并應用計算流體動力學評估了閥門的水力性能。

已知文獻研究內容均未針對流道轉換器進行對比分析與強度計算，沒有基于特定儀器的功能進行設計，也沒有根據仿真結果進行針對性優化，對影響鉆井過程中鉆井液循環能力的流體壓力分析較少。因此，本文采用計算流體力學方法，基于流道轉換器功能進行設計，運用三維數值模擬［14-15］，計算了流經流道轉換器的流體壓力損失，確定了壓力損失較大的區域，并根據分析結果對模型進行了改進，最終完成了流道轉換器的設計優化。

1 流道轉換器設計計算

流道轉換器的設計極其復雜，在滿足功能需求、機械強度的基礎上還要符合流體力學規律。根據功能需求與工作環境，完成了流道轉換器的初始結構設計與材料選擇，并通過有限元軟件進行了初步仿真模擬，確定了設計的合理性。

1.1 結構設計

該流道轉換器的功能主要包括三項：①環空流道轉換為中心流道，確定流道轉換器流道結構如圖1a所示；②提供線束通過孔道并承壓，確定流道轉換器走線結構如圖1b所示；③上下部件的機械連接、承壓密封［12］，確定流道轉換器結構特征，如圖1c所示。

參照結構設計構思，通過三維設計軟件完成結構模型設計如圖2所示。模型總長度355 mm，環形流道最小直徑？準101.5 mm，中心流道為錐形，大端直徑？準128.9 mm，小端直徑？準50.8 mm。

流道轉換器密封及走線如圖3所示，虛線框1部分為密封部分，采用高溫O形密封圈的形式；較大的

槽為扶正結構，保證流道轉換器在鉆鋌內的居中；虛線框2內是沿圓周均布的3個走線孔，用以貫連電路結構；虛線框3內是連接特征，采用螺紋連接將其上下端固定。

1.2 材料選擇與參數設計

流道轉換器屬于承壓件，需要承受高壓、彎曲等復雜載荷，內部流道與泥漿直接接觸并經受常溫至150 ℃富氯離子泥漿介質的腐蝕。由于流道的變換，流道轉換器被沖蝕失效的風險很大，要求材料具有高強韌、耐腐蝕的性能。同時由于流道轉換器與磁力計安裝較近，為提高測量精度，要求材料的磁導率較低。綜合上述條件，選擇鎳基合金作為流道轉換器材料，具體材料屬性，如表1所示。

流道轉換器有限元分析如圖4所示。確定材料后，采用靜力學方法對流道轉換器進行仿真計算，旋轉導向儀器設計指標為承壓140 MPa，因此在流道區域施加140 MPa均質載荷。靜力學分析的最大應力值為1 324 MPa，而常規鎳基合金的屈服極限通常為1 100～1 200 MPa。基于分析結果，最終選擇超高強韌鎳基合金作為流道轉換器材料，即在常規材料基礎上通過優化合金成分設計、高純凈低偏析冶金技術、時效強化調控技術等方法，來提高材料的屈服極限［13］，該超高強韌鎳基合金屈服強度應不小于1 400 MPa。

基于實際工況，選擇流經流道轉換器內部流道的泥漿配比為1.0，流體入口壓力10 MPa，體積流量1.0 m3/min，該配比的具體參數，如表2所示。

1.3 流道模型提取及網格劃分

在采用CFD方法對流道轉換器進行計算之前，需要先獲得模型內流體流道結構，通過對流道轉換器幾何模型進行處理修補，提取出的流道模型，如圖5所示。

流道模型網格劃分結果，如圖6所示。采用全六面體非結構網格對流道轉換器進行網格劃分，總體網格數量為156萬。壁面、附面層，第一層網格尺寸均為0.01 mm。

1.4 仿真分析

應用壓力基求解器，該求解器建立在完全耦合隱式全馬赫方法的基礎上，以良好的精度表現出了高達兩個數量級的高度魯棒性收斂和加速，湍流模型采用k-omega sst，能夠很好地捕捉流場細節。

流道轉換器總體壓力云圖如圖7所示，出口總壓分布基本均勻，各處壓力值變化不大，整體總壓無突變位置，證明流道轉換器長度適中。模型出口壓力最小處的值約為9.997 MPa，通過計算進出口平均總壓算得流體在流經流道轉換器后壓力損失約為2 158 Pa，壓力損失略大，需要進行設計優化。

2 流道轉換器設計優化

2.1 結構優化

提取計算的流線和切面壓力云圖進行分析。原始流道轉換器流線結果如圖8所示，模型內流體流線較為紊亂，在肋的前緣部分、靠近根部和頂部部分均有較大的分離。

切面靜壓云圖如圖9所示，原始三肋流道轉換器在軸向中部位置有明顯的局部低壓區，出現了明顯的流場分析現象。

原始流道轉換器切面總壓云圖如圖10所示，在流道轉換器的后部，同樣出現了較為明顯低總壓局部區域，因此需要針對該區域進行相應優化。基于流體力學理論，考慮減小三個部位的倒圓角，保證從進口到出口的流線更為光順，繼而減小總壓損失。

2.2 仿真分析

對流道轉換器進行優化調整，重新提取流體計算域如圖11所示。采用與優化前的三肋流道轉換器相同的網格拓撲對流道轉換器進行網格劃分，總體網格數量為217萬。網格劃分如圖12所示。

為了排除不同工況的影響，采用修改前和修改后的兩個模型分別對不同泥漿配比與體積流量下的壓力損失進行計算，流體進口壓力同樣取10 MPa，泥漿采用1.0、2.4兩種不同配比，流量采用1.0、1.4、1.8、2.2 m3/min。

采用與仿真分析相同流道轉換器流線，優化后的流道轉換器流線較為均勻，沒有出現明顯的分離，如圖13所示。優化后的切面靜壓云圖與總壓云圖，如圖14～15所示，與優化前相比，優化后的三肋流道轉換器消除了低壓區，流體在流經流道尺寸變化區域時壓力變化更為平順。多種工況下優化前后總壓損失對比情況，如表3所示，通過對比可以看出，在泥漿配比為1.0時，優化后流道轉換器總壓損失可以減少30%以上，在泥漿配比為2.4時，優化后流道轉換器總壓損失也有至少16%的減小，因此認為對流道轉換器的結構優化有效。

在旋轉導向儀器中，流道轉換器上端連接裝有加速度計、磁通門、陀螺儀的7軸方向探管與發電組件，下端連接裝有測量控制電路的骨架，如圖16所示。因7軸方向探管在儀器中需要居中放置測量，受限于電路板的尺寸，電路板需要安裝在骨架外部，所以需要將泥漿通道由環空區域變為中心區域。同時為了向下端電路板供電及傳輸姿態測量數據，需要在流道轉換器中開通線路槽，三肋流道轉換器在支撐肋中開過線孔，既保證了流道完整性，又滿足過線及承壓要求。三肋的形狀及流道尺寸成為設計流道轉換器的重點，設計不合理會造成高壓降及沖蝕破壞，進而導致儀器失效。經過流道轉換器流體仿真，完成三肋以及流道結構尺寸優化，加工出優化后的流道轉換器，經過水循環測試，壓降損失情況與仿真結果差異較小，效果良好。儀器通過實鉆驗證，拆卸檢查流道轉換器結構完整，如圖17所示，無沖蝕損傷。

3 結論

1） 流道轉換器是旋轉導向鉆井系統關鍵機械零件，根據其功能完成了一款三肋流道轉換器的結構設計，并基于其工況選擇屈服強度大于1 400 MPa的超高強韌鎳基合金作為材料。

2） 基于實際工況，對流經流道轉換器的流體壓力損失進行了仿真計算，結果表明該流道轉換器出口總壓分布均勻，但壓力損失仍較大，分析發現在支撐肋的前緣、根部和頂部位置流線出現紊亂，有局部低壓現象。

3） 通過對局部低壓區域的倒角進行優化，來保證內部流線的光順，可以有效降低液體流經流道轉換器的壓力損失，優化后總壓損失最多可減少34%。

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