水力脈沖工具流場模擬及應(yīng)用

孔學(xué)云，馬認琦，劉傳剛，魏剛，左凱

（中海油能源發(fā)展監(jiān)督監(jiān)理技術(shù)公司，天津 300452）＊

隨著海洋石油勘探不斷往深處發(fā)展，深井和超深井開發(fā)也越來越多，鉆井過程中遇到復(fù)雜問題也隨之增加，例如地層巖石破碎困難、巖屑壓持效應(yīng)增加、鉆井速度降低等。常規(guī)的復(fù)合鉆井技術(shù)“動力鉆具＋轉(zhuǎn)盤鉆井工藝”盡管可很好的破巖，但在這種連續(xù)射流下產(chǎn)生的大量巖石無法及時返出清除，巖屑就會反復(fù)被切削，降低鉆井效率。

本文通過流場模擬證明水力脈沖工具可以改變井底流場，并改變井底巖石受力狀態(tài)，有助于改善巖石破碎效果，提高井底清除巖石效率，避免重復(fù)切削，提高機械鉆速。

1 水力脈沖工具結(jié)構(gòu)［1－3］

水力脈沖工具主要由殼體、導(dǎo)流罩、葉輪、噴嘴和葉輪座等主要部件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該工具結(jié)構(gòu)可分為3部分。

1）提供葉輪旋轉(zhuǎn)動力部分該部分主要部件是導(dǎo)流罩，它置于殼體內(nèi)腔頂部，可改變鉆井液的流動方向和速度，對葉輪的葉片產(chǎn)生切向力促使葉輪連續(xù)不斷的高速旋轉(zhuǎn)。

2）產(chǎn)生脈沖擾動部分該部分主要部件是葉輪，葉輪的高速旋轉(zhuǎn)可連續(xù)改變流道面積，產(chǎn)生脈沖擾動。

3）脈沖放大部分該部分主要部件是噴嘴。葉輪總成產(chǎn)生的水力脈沖相對于噴嘴腔室入口為有源脈沖，位于工具最底部的噴嘴上部腔室對水力脈沖信號放大并產(chǎn)生流體諧振，進而產(chǎn)生壓力波動。

實現(xiàn)3種功能：

1）水力脈沖改善井底流場，提高凈化和清巖效率，減少壓持和重復(fù)破巖。

2）空化沖蝕輔助破巖，提高破巖效率。

3）瞬時負壓在井底產(chǎn)生瞬時負壓脈沖，使局部瞬時欠平衡，改變井底巖面應(yīng)力狀態(tài)。

圖1 水力脈沖工具結(jié)構(gòu)

1.1 噴嘴結(jié)構(gòu)

噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計是水力脈沖工具設(shè)計的難點和關(guān)鍵點，它是基于瞬態(tài)流理論和水聲學(xué)原理設(shè)計的。當穩(wěn)定流體流過噴嘴腔室的出口收縮斷面時，產(chǎn)生自激壓力激動，這種壓力激動反饋回噴嘴腔室形成反饋壓力振蕩。控制噴嘴腔室尺寸和流體的馬赫數(shù)及Strouhal數(shù)，使反饋壓力振蕩的頻率與噴嘴腔室的固有頻率相匹配，從而在噴嘴腔室內(nèi)形成聲諧共振，使噴嘴出口射流變成斷續(xù)渦環(huán)流。

目前，噴嘴腔室的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要有風(fēng)琴管和Helmholtz諧振腔2種。根據(jù)前人研究，基于風(fēng)琴管諧振腔振蕩模型設(shè)計的噴嘴可以產(chǎn)生具有良好破巖效果的自振空化射流［1］，本文中噴嘴腔室就是基于風(fēng)琴管結(jié)構(gòu)原理設(shè)計的。

1.2 葉輪材料

葉輪是水力脈沖工具中最容易受損的部件，它需要承受高速流體的沖擊，同時，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪與葉輪軸之間不均勻的摩擦，使葉輪和葉輪軸受力不均勻，因此，葉輪和葉輪軸材質(zhì)選擇要考慮耐磨性和抗疲勞性。

2 流體計算數(shù)學(xué)模型

基于水力脈沖工具流場特點和流體性質(zhì)，可假設(shè)流體為不可壓縮，且不考慮重力和溫度影響，采用湍流k－ε模型［4］。

式中：ρ為流體密度；μi為平均速度分量；ε為湍動能耗散率；k為湍動能；t為時間；x為張量形式的空間坐標；υ為流體動力黏度；σk為k 方程的湍流Parandtl常數(shù)，σk＝1；σε為ε方程的湍流Parandtl常數(shù)；σε＝1.3；Gk為速度梯度產(chǎn)生的湍流動能；μt為湍流速度；C1ε、C2ε、Cμ均為模型常數(shù)，C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，Cμ＝0.09。

3 ANSYS FLUENT流場模型

3.1 邊界條件

1）ANSYS FLUENT 銜接的UDF函數(shù)編程

為能夠真實模擬水力脈沖工具現(xiàn)場工況，模擬流體介質(zhì)為鉆井液，密度1.6g／cm3，黏度46s，入口流量為8.6m／s，出口靜壓為3.5 MPa。同時，根據(jù)水力脈沖工具原理，產(chǎn)生脈沖擾動是高速流體驅(qū)動葉輪轉(zhuǎn)動，而ANSYS FLUENT 中的標準界面無法直接實現(xiàn)該功能，本模擬采用ANSYS UDF（UDF是用戶根據(jù)模擬工況，用C 語言編寫的一個函數(shù)，可以和FLUENT 動態(tài)鏈接）來實現(xiàn)流體驅(qū)動葉輪高速旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)水力脈沖工具結(jié)構(gòu)和部件材質(zhì)，提取旋轉(zhuǎn)葉輪的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。

m＝0.41kg；Ixx＝0.000134kg·m2；Iyy＝0.000134kg·m2；Izz＝0.0001kg·m2。因此，與ANSYS FLUENT 銜接的UDF函數(shù)為：

2）收斂設(shè)置為了保證將模擬計算收斂性，本模擬基于壓力求解器殘差設(shè)置為10－6級，入口和出口界面流體凈通量＜1%。

3）步長設(shè)置采用湍流k－ε瞬態(tài)計算模型，時間步長為0.001s，計算步長總數(shù)220。

3.2 流體模型及邊界設(shè)置

根據(jù)水力脈沖工具內(nèi)部腔室尺寸，建立流體模型，并進行網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定。如圖2

圖2 水力脈沖工具網(wǎng)格模型及邊界設(shè)置

與葉輪直接接觸流體區(qū)域采用6面體網(wǎng)格，其余流體采用三角形四面體網(wǎng)格單元，局部網(wǎng)格最小單元尺寸1 mm，整體網(wǎng)格設(shè)置為基于曲率網(wǎng)格。六面體單元節(jié)點為67732個，單元為72466個；四面體單元節(jié)點70767個，單元338009個。

在圖2b中，A為入口流速設(shè)定面，8.6 m／s；B為出口靜壓設(shè)定面，3.5 MPa；C、D、E為壁面條件設(shè)置，主要是為UDF 外部函數(shù)賦予、旋轉(zhuǎn)流體域和不旋轉(zhuǎn)流體域壁面上網(wǎng)格與數(shù)據(jù)傳輸。

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 水力脈沖工具速度和壓力場分析

由圖3a速度場可知，葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域流體出現(xiàn)明顯的脈動現(xiàn)象，最大流速37.66m／s，且出現(xiàn)在脈沖擾動區(qū)域。通過流體速度場動畫可以看出，流體脈動幅度隨徑向距離的增加先逐漸增大，在某一徑向距離處達到最大，隨后又逐漸降低；最大脈動幅度并不出現(xiàn)在射流軸心，而是偏離軸心一段徑向距離處；該工具流場模擬中的流體脈動幅度隨徑向距離變化規(guī)律與文獻［1］中同類工具流體室內(nèi)試驗結(jié)果相吻合，文獻［1］中試驗結(jié)果詳見圖4。由此證明，用ANSYS FLUENT 軟件模擬脈沖工具，能夠真實反映脈沖工具的實際效果。

由圖3b可知，在葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域存在有負壓，最低負壓達－0.493 MPa。

圖3 水力脈沖工具速度和壓力分布

圖4中，s為試驗過程中噴距值；無因次徑向距離是將最優(yōu)噴距與噴嘴出口直徑之比；無因次壓力脈動幅度是最優(yōu)噴距下壓力與不同直徑的噴嘴對應(yīng)壓力比值；最優(yōu)噴距是指在泵壓一定條件下，射流沖擊壓力脈動值在某一合適噴距范圍內(nèi)達到最大，此噴距稱為最優(yōu)噴距［1］。

圖4 風(fēng)琴管噴嘴脈沖工具射流壓力脈動幅度沿徑向分布規(guī)律［1］

4.2 水力脈沖工具壓力脈動頻率分析

由圖5可知，基于流體模型并選取距離模型出口10mm 處的1個截面，可以明顯看出，該截面上存在明顯壓力脈沖波動；該壓力脈沖波動通過ANSYS傅里葉級數(shù)變換得到的脈沖頻率如圖6，可知該脈沖可靠頻率約為100Hz。

圖5 距離出口10mm 截面壓力－時間變化曲線

由ANSYS FlUENT 對水力脈沖工具流場模擬結(jié)果分析可知：水力脈沖工具能夠很好地產(chǎn)生脈沖效應(yīng)，且脈沖頻率基本為100 Hz；流體壓力脈動幅度隨徑向距離增加先增大而后逐漸降低，最大脈動幅度不出現(xiàn)在射流軸心，而是偏離軸心一段徑向距離處；靜壓場中存在有明顯負壓，證明該工具可以產(chǎn)生瞬時負壓和空化效應(yīng)。

圖6 距離出口10mm 截面壓力脈沖頻率

5 現(xiàn)場應(yīng)用

該水力脈沖工具于2010年在CFD18－1N－1井進行現(xiàn)場試驗，試驗井段為2600～2899m。該井地層為東營組三段，巖性以高嶺土質(zhì)粉砂巖、含礫砂巖為主。鉆井參數(shù)：鉆壓為20～50kN，轉(zhuǎn)數(shù)為80～95r／min。泵排量為1500～1900L／min，壓力為13～16 MPa。鉆井液密度為1.28～1.29g／cm3，黏度為50～65s。鉆具組合：8－1／2″PDC－BIT＋7″水力脈沖空化射流發(fā)生器＋X／O＋6－3／4″PDM（0.75°／209mm 螺旋翼扶正器）＋8－1／2″STB＋6－1／2″F／V（RING）＋6－1／2″DC×8＋6－1／2″（F／J＋JAR）＋5″HWDP×14。

在2600～2899m 井段使用水力脈沖工具，而從2900～3006m 未使用水力脈沖工具，實際鉆進過程中監(jiān)測了鉆速和純鉆時間等參數(shù)，如表1所示。

表1 使用水力脈沖工具與未使用水力脈沖工具鉆進參數(shù)對比

使用水力脈沖工具的平均機械鉆速為20.98 m／h，不使用水力脈沖工具平均機械鉆速為13.25 m／h。使用水力脈沖工具后平均機械鉆速提高了58.34%。

由圖7可知，相同地層和巖性井段，使用水力脈沖工具的2600～2899m 井段較未使用水力脈沖工具的2900～3006 m 井段每米鉆進速度明顯提高。

圖7 有無水力脈沖工具鉆進時井深和鉆速關(guān)系

6 結(jié)論

1）采用ANSYS FLUENT 流體分析軟件模擬了水力脈沖工具的流場，流場中壓力脈動幅度隨徑向距離的增大為先增加后降低；流場中產(chǎn)生約100Hz的流體脈沖擾動，最低負壓約－0.493 MPa，證明水力脈沖工具可以產(chǎn)生水力脈沖、瞬時負壓和空化效應(yīng)。

2）在CFD18－1N－1井的高嶺土質(zhì)粉砂巖井段試驗，水力脈沖工具使機械鉆速提高了58.34%。

3）水力脈沖工具中高速旋轉(zhuǎn)的葉輪與葉輪軸容易斷裂，應(yīng)提高材質(zhì)的耐磨性能和抗疲勞性能。

［1］李根生，沈忠厚，周長山，等.自振空化射流研究與應(yīng)用進展［J］.中國工程科學(xué)，2005，7（1）：28－31.

［2］王學(xué)杰，李根生，康延軍，等.利用水力脈沖空化射流復(fù)合鉆井技術(shù)提高鉆速［J］.石油學(xué)報，2009，30（1）：117－119.

［3］李燕.脈沖空化射流鉆井技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.探礦工程，2011，38（3）：29－31.

［4］王尊榮，王森，徐艷，等.基于FLUENT 軟件的噴砂器磨損規(guī)律數(shù)值模擬［J］.石油礦場機械，2012，41（8）：11－13.