渦輪鉆具水力設(shè)計與分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀研究

姚堅毅，劉寶林，王 瑜

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地質(zhì)超深鉆探技術(shù)國家專業(yè)實驗室，北京100083） ＊

渦輪鉆具水力設(shè)計與分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀研究

姚堅毅，劉寶林，王 瑜

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地質(zhì)超深鉆探技術(shù)國家專業(yè)實驗室，北京100083）＊

渦輪鉆具是一種重要的鉆井工具，渦輪葉型線特征是其水力性能設(shè)計與分析的關(guān)鍵因素。在分析渦輪鉆具水力工作原理的基礎(chǔ)上，研究了渦輪鉆具水力性能設(shè)計研究現(xiàn)狀，詳細比較分析了渦輪鉆具水力性能設(shè)計的理論方法、計算機建模與仿真及水力性能試驗分析方面的研究現(xiàn)狀與發(fā)展水平，提出了計算機輔助設(shè)計及理論分析。與試驗修正相結(jié)合的綜合研究方法是渦輪鉆具水力性能設(shè)計與分析的重要方法，對渦輪鉆具水力部件的主要問題與發(fā)展趨勢進行了展望，為渦輪鉆具的水力設(shè)計提供參考。

鉆井；渦輪鉆具；水力性能；計算機模擬；發(fā)展趨勢

渦輪鉆具是一種重要的井下動力鉆具，其最大優(yōu)點是不含橡膠件、耐高溫（工作溫度可達250～300℃）［1］，適用于深井、超深井和高溫高壓井的鉆井作業(yè)。隨著我國油氣勘探、地球深部探測向深井、超深井方向發(fā)展，渦輪鉆具具有良好的應(yīng)用前景。渦輪鉆具中的主要部件是由定子和轉(zhuǎn)子組成的渦輪副，其水力性能決定了渦輪鉆具的輸出特性。因此，渦輪葉柵葉型設(shè)計是渦輪鉆具水力設(shè)計和開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)［2］，通過流場的優(yōu)化設(shè)計，以達到渦輪葉片水力效率的最大化。

1 渦輪鉆具葉型理論研究現(xiàn)狀

“七五”期間，為適應(yīng)石油勘探開發(fā)的需要，我國開始重點研究開發(fā)適用深井直井、定向井和叢式井鉆井技術(shù)所需要的渦輪鉆具，以及應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計理論和計算機輔助設(shè)計等方法，解決新型渦輪鉆具產(chǎn)品在開發(fā)設(shè)計中的技術(shù)難題［3］。近20a來，渦輪鉆具在我國的發(fā)展十分迅速，尤其在影響渦輪鉆具整體效率的水力設(shè)計與分析方法上取得了豐富的研究成果。

1.1 建模一般原則

在進行葉片造型時，首先根據(jù)渦輪鉆具設(shè)計參數(shù)和葉輪機械工作理論計算確定流動參數(shù)［4］，依據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)和公式確定葉片的幾何參數(shù)［5－6］，然后選擇適合的型線和構(gòu)造方法設(shè)計葉片吸力面和壓力面。其葉片型線主要通過影響葉片表面附近的速度和壓力分布來改變跨葉片流道內(nèi)流場，希望葉片表面的速度和壓力分布平滑變化，相應(yīng)要求沿葉片表面具有連續(xù)的曲率導(dǎo)數(shù)［7］。

1.2 建模新方法

1.2.1 四階樣條和高階多項式構(gòu)造線型

在構(gòu)造渦輪鉆具滿足幾何參數(shù)要求的葉片型線時，四階樣條和高階多項式是主要選擇對象。四階樣條和高階多項式構(gòu)造線型的最大優(yōu)點是葉片表面具有連續(xù)曲率導(dǎo)數(shù)，葉片壓力面和吸力面型線為單型線而不是組合型線，保證了渦輪葉片的水力效率和渦輪性能，減少相應(yīng)的水力損失。

馮進［8］通過分析渦輪葉片型線對液流流動參數(shù)的影響以及葉片型線幾何參數(shù)的關(guān)系，認為葉片型線上存在不連續(xù)的曲率是影響渦輪性能的主要因素；得出葉片壓力面和吸力面型線應(yīng)為單型線且具有連續(xù)三階導(dǎo)數(shù)的結(jié)論；提出用五次多項式構(gòu)造葉片型線，給出了葉片型線與幾何參數(shù)的關(guān)系、定量求解方法和葉片型線檢驗要求；并通過?165mm渦輪鉆具設(shè)計應(yīng)用實踐，表明采用這種新方法設(shè)計渦輪可優(yōu)化渦輪葉片形狀、改進渦輪性能、提高設(shè)計質(zhì)量和總效率。林元華［9］則具體提出了當液體的速度梯度和壓力梯度不平穩(wěn)時會導(dǎo)致流體的能量損失增加，葉片表面的速度和壓力分布應(yīng)平穩(wěn)變化的結(jié)論；利用三次多項式構(gòu)造葉型，應(yīng)用Pro／E對渦輪鉆具葉片進行了參數(shù)化特征建模，編制了渦輪鉆具葉片實體的自動設(shè)計軟件進行計算機輔助設(shè)計；并通過?240mm渦輪鉆具設(shè)計實例，表明該軟件能較好地應(yīng)用于工程實踐。

1.2.2 利用逼近為基礎(chǔ)的參數(shù)曲線造型

葉片造型設(shè)計必須滿足幾何參數(shù)要求。在渦輪鉆具葉片型線設(shè)計中，葉片斷面形狀的設(shè)計最重要，不同葉片型線具有不同水力性能，對渦輪鉆具性能影響很大。由于葉片設(shè)計通常都是給定了進、出口角度，這就相應(yīng)地要求所選用的線條要保證在起始點和末端的一階導(dǎo)數(shù)。Bezier曲線很好地滿足了這個要求。長江大學(xué)的忽曉東等［10］利用Bezier曲線對某型號的渦輪葉片進行設(shè)計，并采用計算機編程作圖；分析發(fā)現(xiàn)，這種曲線葉片滿足一些渦輪葉片設(shè)計經(jīng)驗公式，并且該型線曲率變化連續(xù)，未出現(xiàn)曲率突變的情況，證明了此理論方法的可靠性，具有一定實用價值。

1.2.3 采用三元流動進行計算分析和改進設(shè)計

三元流動理論是近10a來在國內(nèi)迅速發(fā)展起來的一種三元流場計算方法，被廣泛引入到水輪機、水泵等水力機械設(shè)計中［11］。這種計算方法突破了以前采用的二元坐標模擬手段，采用三維坐標系模擬質(zhì)點運動軌跡隨時間的變化規(guī)律，考慮了液體在流動時因流速的不同和液體的粘滯性產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力；采用射流尾跡三元流動理論，把葉輪內(nèi)部無限分割，通過對葉輪流道內(nèi)各工作點的分析，建立起完整、真實的葉輪數(shù)學(xué)模型；這一方法可以把葉輪做得更準確，不僅反映了流體的流態(tài)，流速也更接近實際［12］。曹朝霞等［13］根據(jù)葉輪機械三元流動的普遍理論和渦輪鉆具葉輪具體邊界問題，建立了三元流動計算的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出了適用于葉輪機械三元流動計算的流函數(shù)方程，將三元流動計算流函數(shù)法成功運用于渦輪鉆具葉柵的數(shù)值計算；通過計算機編程對幾種渦輪鉆具實例進行了數(shù)值計算和流動分析，指出其中的缺陷和不足，并由相關(guān)試驗得以證明。

2 計算機建模與仿真優(yōu)化設(shè)計現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算機技術(shù)得到不斷完善，已越來越廣泛地應(yīng)用于流體力學(xué)問題的計算機模擬。鑒于傳統(tǒng)的手工作圖法提供的坐標精度低、工作量大、設(shè)計周期長的特點，建立渦輪葉片造型的計算機輔助設(shè)計方法，優(yōu)選葉片造型，提高渦輪葉片設(shè)計質(zhì)量成為渦輪鉆具研究的趨勢。

2.1 優(yōu)勢

渦輪葉柵內(nèi)流體流動為紊流流動，紊流是一種高度復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)流動，具有很強的隨機性、非恒定性，并且無一例外都是三維問題。傳統(tǒng)的渦輪葉型設(shè)計采用束流理論，即將紊流問題簡化為一維或二維流動，只能反映流體作用的宏觀效果（例如力矩、能耗等），而不能正確反映影響這種宏觀效果的微觀原因（例如，流道中速度分布、壓力分布等）。因此，按這種理論設(shè)計出來的葉型存在葉片脫流嚴重、流動損失大的問題，葉柵效率不高，達不到預(yù)期的性能指標［11，14］。

計算機建模與仿真優(yōu)化的應(yīng)用則改變了傳統(tǒng)的設(shè)計過程，將傳統(tǒng)設(shè)計的大循環(huán)過程轉(zhuǎn)變?yōu)榉桨冈O(shè)計帶有預(yù)測性質(zhì)的校驗循環(huán)，在很大程度上替代了耗資巨大的流體動力學(xué)試驗設(shè)備。當設(shè)計已基本達到設(shè)計要求時再轉(zhuǎn)入通常的詳細設(shè)計，可以顯著縮短設(shè)計周期并降低費用。目前普遍使用的有CFD技術(shù)、CFX－BladeGen設(shè)計軟件以及自行編制的軟件等。

2.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

2.2.1 CFD技術(shù)輔助設(shè)計

CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體力學(xué)）技術(shù)作為流體力學(xué)研究中的一門新興分支，是近代流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物［15－17］。CFD技術(shù)采用實體建模、CFD前置處理器等工具真實、準確地建立渦輪定、轉(zhuǎn)子的單周期跨葉片流道計算模型，對其內(nèi)流場進行CFD仿真模擬；根據(jù)速度場分布情況進行葉型優(yōu)化，同時模擬出優(yōu)化設(shè)計后的渦輪在不同轉(zhuǎn)速下的輸出特性。劉孝光等［18］采用CFD技術(shù)對?115mm渦輪鉆具渦輪內(nèi)流場進行仿真模擬，并根據(jù)速度場分布規(guī)律進行葉型優(yōu)化，將優(yōu)化后的渦輪輸出特性參數(shù)與試驗數(shù)據(jù)進行對比；模擬特性曲線變化趨勢與試驗結(jié)果基本一致，證明了應(yīng)用CFD技術(shù)對渦輪葉片葉型優(yōu)化設(shè)計的正確性和實用性。

2.2.2 CFX－BladeGen葉片設(shè)計軟件

CFX－BladeGen是交互式渦輪機械葉片設(shè)計軟件，主要由BladeGen和BladeGenPlus兩大模塊組成。BladeGen實現(xiàn)渦輪葉片的交互式設(shè)計；Blade－GenPlus實現(xiàn)網(wǎng)格劃分和CFD分析求解、輸出葉片設(shè)計和水力分析報告，并且能夠快速、有效地生成光滑的葉片型線，同時很方便地得到足夠精確的流場分布，能較準確地預(yù)估其性能。此外，通過統(tǒng)計單個參數(shù)對葉型性能的影響規(guī)律，進而進行優(yōu)化設(shè)計，可以節(jié)約大量的試驗成本，以較小代價設(shè)計出性能優(yōu)良的渦輪機械葉片。長江大學(xué)的丁凌云等［15］利用此軟件以WZ－115型渦輪鉆具渦輪為例，對渦輪葉片進行造型設(shè)計，并進行三維流場分析；通過渦輪葉片造型和CFD計算結(jié)果分析，指出其水力損失的原因，對葉片局部進行了修改，改善了水力性能；并與試驗結(jié)果進行對比，在扭矩和流速方面吻合得比較好，最終證明其具有較好的實用性。

2.2.3 利用解析造型方法CAD優(yōu)化設(shè)計

石油大學(xué)的胡澤明等［19］將葉柵解析造型的方法應(yīng)用于渦輪鉆具葉柵造型設(shè)計，成功開發(fā)了葉柵進出口角優(yōu)化設(shè)計、葉柵解析造型、葉柵通道收斂梯度檢驗與葉型修改軟件包；并在此基礎(chǔ)上，利用此軟件包重新設(shè)計渦輪葉柵，用新設(shè)計的葉柵制成渦輪試件，并進行對比試驗，使其效率提高2%～3%，表明所開發(fā)的渦輪葉柵CAD優(yōu)化設(shè)計軟件包具有應(yīng)用方便、靈活、高效、實用等優(yōu)點。

2.2.4 其他自行編制軟件

劉艷［20］通過對渦輪葉片型線設(shè)計進行理論分析，將渦輪葉片設(shè)計過程分為數(shù)據(jù)選取、中間計算、結(jié)果輸出3部分，并自主開發(fā)了一套主要適用于中間計算過程的葉片造型軟件。該軟件將計算結(jié)果采用離散數(shù)據(jù)的形式存儲到文件中，增強了數(shù)據(jù)的交互性。實例表明，此軟件具有一定應(yīng)用價值。

3 渦輪鉆具水力性能試驗方法與應(yīng)用現(xiàn)狀

3.2 測試方法

渦輪鉆具在設(shè)計時已預(yù)估出所設(shè)計渦輪鉆具的性能，因理論計算與液體流動有差異，且計算機模擬仿真所使用的三維流體軟件為了封閉湍流方程組會引入一系列假設(shè)，這些假設(shè)會降低計算結(jié)果的可信度，加上葉柵葉型加工誤差等因素，渦輪鉆具的實際性能最終仍需由水力性能試驗確定［21－24］。目前，渦輪鉆具水力性能的主流測試技術(shù)有2種：測試渦輪鉆具整機性能的10級臺架試驗和測試渦輪葉片內(nèi)部流場的PIV測試技術(shù)。

3.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

渦輪鉆具水力性能試驗臺架是模擬實際鉆井條件，對渦輪鉆具整機進行室內(nèi)試驗的設(shè)備［22］。試驗臺采取經(jīng)過循環(huán)流量自動控制、采用壓力穩(wěn)流柵、運用更換襯套等方式不斷提高系統(tǒng)的測試精度，可以準確、可靠地測量渦輪鉆具工作特性和動態(tài)機理，為渦輪鉆具的理論研究提供試驗數(shù)據(jù)，同時可用于指導(dǎo)實際井下應(yīng)用［25］。目前，長江大學(xué)、中國石油大學(xué)（北京）等單位均有類似的試驗臺，但目前國內(nèi)的試驗臺普遍采用離心泵作為動力，容易造成流體脈動；同時，一般采用磁粉制動器作為渦輪鉆具的加載裝置，而磁粉制動器在低速下的制動線性度差，影響了測試的效果。未來渦輪鉆具水力性能試驗臺的開發(fā)將主要是通過更換往復(fù)泵，采用電力測功機作為加載裝置，以及精確控制分流水量等方法，提高測試的精度和可靠性。

PIV技術(shù)是隨著計算機技術(shù)的進步發(fā)展而成的一種新的流速測量技術(shù)，利用粒子成像技術(shù)對整個或局部流場同時記錄測量，從而獲得流場的瞬時動力學(xué)流動狀態(tài)，具有全流場測試、直觀、不干擾流場等優(yōu)點，是進行各種流場流動規(guī)律研究的有力工具。該技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于各類流場的測試［26］，其突出特點是能在不干擾流場流動的情況下，同時定量獲得全流場的流動信息，即空間的連續(xù)信息。戴靜君等［27］在對3種高環(huán)流系數(shù)葉片葉型和5種相對節(jié)距的渦輪葉柵進行內(nèi)流場試驗研究中，采用PIV技術(shù)測試了葉柵內(nèi)部的速度分布規(guī)律；測試結(jié)果對比臺架試驗表明，其研究成果可為渦輪葉型的設(shè)計提供有價值的參考。

4 結(jié)論

隨著國家地球深部探測計劃的實施，高溫高壓井不斷增多，渦輪鉆具越來越受到鉆探與鉆井工作者的重視，其水力性能的研究將隨著計算機和新型測試技術(shù)的發(fā)展不斷深入。我國渦輪鉆具水力性能研究取得了一定的成果，正逐漸成熟，三元流理論的應(yīng)用將進一步提高國內(nèi)渦輪鉆具研究水平。未來渦輪鉆具水力性能的發(fā)展將引進面向?qū)ο蟮慕７椒ê蛣討B(tài)的設(shè)計方法，使水力性能理論研究更加精確、更加接近實際工況，必將推動渦輪鉆具性能和可靠性的進一步提高。

［1］ 成 海，鄭衛(wèi)建，夏 彬，等.國內(nèi)外渦輪鉆具鉆井技術(shù)及其發(fā)展趨勢［J］.石油礦場機械，2008，37（4）：28－31.

［2］ 徐福東，符達良.帶同步減速器渦輪鉆具特性預(yù)測數(shù)學(xué)模型及其計算機模擬［J］.石油礦場機械，1997，26（1）：44－47.

［3］ 符彥惟，馮 進，符達良.渦輪鉆井技術(shù)與新型渦輪鉆具的產(chǎn)業(yè)化［J］.石油礦場機械，2001，30（1）：1－5.

［4］ 華東石油學(xué)院礦機教研室.石油鉆采機械：下冊 ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1980：138－159.

［5］ 蘇士甑，朱 力，柯玄齡，等.葉輪機械原理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1991：39－54.

［6］ 柯別列夫.航空發(fā)動機渦輪計算［M］.施永立，譯.北京：國防工業(yè)出版社，1978.

［7］ 馮 進，張慢來，張先勇.井下水動力軸流渦輪設(shè)計與試驗研究［J］.石油礦場機械，2010，39（12）：51－53.

［8］ 馮 進，符達良.渦輪鉆具渦輪葉片造型設(shè)計新方法［J］.石油機械，2000，28（11）：9－12.

［9］ 林元華，曾德智，等.渦輪鉆具新型葉片型線研究及其計算機輔助設(shè)計［J］.重慶大學(xué)學(xué)報，2004，27（2）：24－27.

［10］ 忽曉東，劉 強，劉亞磊，等.Bezier曲線在渦輪葉片設(shè)計中的應(yīng)用［J］.石油礦場機械，2007，36（2）：1－3.

［11］ 孟慶昆，謝正凱.三元流動計算在渦輪鉆具葉柵設(shè)計中的應(yīng)用［J］.石油礦場機械，1996，25（1）：22－33.

［12］ 張亞生，張麗莎.水泵葉輪三元流技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.給水排水，2008（S1）：305－307.

［13］ 曹朝霞，孟慶昆.渦輪鉆具內(nèi)部流場的三元流計算與研究［J］.石油機械，1997，25（10）：35－38.

［14］ 萬邦烈，李繼志.石油礦場水力機械［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1993，150－159.

［15］ 丁凌云，馮 進，劉孝光，等.CFX－BladeGen在渦輪葉片造型中的應(yīng)用［J］.工程設(shè)計學(xué)報，2005，12（2）：109－112.

［16］ 魏培靜，嚴小妮，田鳳仙.基于CFD的旋流器油水分離仿真研究［J］.石油礦場機械，2011，40（2）：24－27.

［17］ 胡志堅，馬青芳，邵 強.連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)壓力腔流場數(shù)值模擬分析［J］.石油礦場機械，2011，40（9）：13－18.

［18］ 劉孝光，潘培道，胡昌軍.渦輪鉆具葉柵水力性能仿真優(yōu)化技術(shù)研究［J］.冶金設(shè)備，2007（1）：21－28.

［19］ 胡澤明，劉志洲.渦輪鉆具渦輪葉柵的CAD優(yōu)化設(shè)計［J］.石油學(xué)報，1993，14（1）：109－115.

［20］ 劉 艷，劉 強.渦輪葉片造型設(shè)計軟件的開發(fā)［J］.石油礦場機械，2007，36（5）：37－39.

［21］ 張 強，李 良.渦輪鉆具葉柵性能測試系統(tǒng)的研制［J］.石油機械，1999，27（8）：13－15.

［22］ 江漢石油學(xué)院井下工具研究室.5 000N·m井下動力鉆具試驗臺架［J］.石油機械，1994，22（2）：32－36.

［23］ 韓 培，張師帥.井下泥漿渦輪發(fā)電系統(tǒng)水力性能試驗研究［J］.石油礦場機械，2010，39（3）：59－61.

［24］ 張師帥，仇生生，韓 培.井下泥漿渦輪設(shè)計及性能分析［J］.石油礦場機械，2009，38（11）：31－33.

［25］ 許福東，鐘守炎，符達良.一種新型十級渦輪特性測試裝置系統(tǒng)［J］.江漢石油學(xué)院學(xué)報，1998，20（3）：78－80.

［26］ 歷玉英，劉 揚.應(yīng)用PIV技術(shù)測量冪律流體在環(huán)空管道內(nèi)的流場［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報，2006，30（5）：42－45.

［27］ 戴靜君，姜義忠，董守平.PIV技術(shù)在渦輪葉柵內(nèi)流場試驗中的應(yīng)用［J］.流體力學(xué)實驗與測量，2003，17（4）：68－83.

Application and Development of the Hydrodynamic Performance for Turbine Drill

YAO Jian－yi，LIU Bao－lin，WANG Yu
（China National Lab on Geological Super－deep Well Drilling，China University of Geosciences（Beijing），Beijing100083，China）

Turbine drill is a key drilling tool to development the super－deep well and HTHP well.The feature of turbine blade profile is a key factor on the design and analysis of hydrodynamic performances.The development status of hydrodynamic performance on turbine drill was studied in the paper.The design theoretical methods，model，computer simulation，and experimental methods were also analyzed and compared deeply.The combination of theoretical analysis，computer－aided design and experimental testify was an effective methods to study the hydrodynamic performance of turbine drill.The main problem and development trend of the hydrodynamic components of turbine drill were also discussed.

drilling；turbine drill；hydrodynamic performance；computer simulation；development trend

1001－3482（2012）03－0004－04

TE921.2

A

2011－09－23

國家國際合作項目“萬米深孔高溫高壓取心渦輪鉆具及其應(yīng)用技術(shù)”（2010DFR70920）；國家深部探測專項課題“科學(xué)超深井鉆探技術(shù)方案預(yù)研究”（201011063）

姚堅毅（1988－），男，安徽黃山人，碩士研究生，主要從事鉆探、鉆井工具研究。