一種滑閥式水力振蕩器設(shè)計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問題的主要方法之一。傳統(tǒng)的水力振蕩器由于其動閥與定閥盤是端面接觸，導致磨損現(xiàn)象嚴重，是導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)，對其進行相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并對其進行脈沖壓力波形進行分析，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

中圖分類號：TE921? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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)濟發(fā)展又使得人們對油氣資源的需求不斷增加，進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，造成機械鉆速低，建井周期增長，鉆井成本上升[5-6]。嚴重時造成鉆頭空轉(zhuǎn)影響鉆井速度，更會增加鉆井風險[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。在現(xiàn)有的減摩降阻技術(shù)中，廣泛應(yīng)用水力振蕩器來克服托壓[10-12]。目前，傳統(tǒng)水力振蕩器的脈沖單元主要采用盤閥結(jié)構(gòu)，例如NOV水力振蕩器[13]，盤閥的靜閥座與動閥盤端面接觸，受端面接觸壓力和動閥盤旋轉(zhuǎn)的影響，閥盤磨損非常嚴重，極大地降低了水力振蕩器的工作壽命[14]。針對閥盤磨損非常嚴重的問題，基于一種滑動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，由于其閥組相對運動方向與軸向力方向一致，因此閥組受到的摩擦力會降低，由此帶來的磨損現(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

圖1為滑閥組結(jié)構(gòu)示意圖。定閥上開有均與分布流道，滑閥動閥與傳動機構(gòu)連接，作軸向往復運動。當動閥由傳動機構(gòu)帶動，進行下行運動時，會使定閥上流道的過流面積減小，從而導致壓力增大;當動閥由傳動機構(gòu)帶動，進行上行運動時，會使定閥上流道的過流面積增大，從而導致壓力增小。當傳動機構(gòu)帶動滑閥動閥作周期性往復運動使，會導致定閥上流道的過流面積發(fā)生周期性改變，進而產(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。在鉆井過程中由渦輪部分提供動力帶動渦輪軸轉(zhuǎn)動，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，銷釘可以沿著軌道槽作軸向往復運動，傳動套筒通過銷釘與渦輪軸連接，而滑閥動閥通過螺紋連接與傳動套筒連接，當銷釘作往復運動時，會帶動傳動套筒產(chǎn)生往復運動，從而帶動滑閥動閥作軸向往復運動，當滑閥動閥作軸向往復運動時，與滑閥定閥之間的位置發(fā)生周期性改變，從而導致定閥上流道的過流面積發(fā)生周期性變化，進而產(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，達到降摩減阻的效果。

1.3 軌道槽結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)滑閥式水力振蕩器工作原理可以知道，滑閥組動閥的運動是一種軸向往復運動，因此當其運動方向發(fā)生改變時，其速度為0，及此時軌道槽曲線的導數(shù)y'=0，根據(jù)這些曲線特性，可以得到，渦輪軸上的軌跡槽設(shè)計成正弦曲線時是可以滿足要求的，曲線表達式為：

式中：y——滑閥動閥位移，mm;

H——滑閥動閥最大行程，mm;

t——運動時間，s。

將渦輪軸展開成平面圖，其軸軌跡槽示意圖如圖3所示。

2? 壓力脈沖波形分析

2.1 過流面積的變化

將滑閥組定閥柱面展開成平面，如圖4所示?；y定閥上開有3個均勻分布的矩形流道口，其中流道口的寬為D，高為L?；y動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。

得到動閥組在運動過程中，過流面積在一個周期內(nèi)的變化表達式，如下：

2.2 閥前閥后瞬時壓差計算公式

閥前閥后的瞬時壓差計算公式[15]：

式中：ρ——泥漿密度，kg/m3;

S——過流面積，m2;

Cd——為流量系數(shù)，一般Cd= 0.6～0.8;

?P——為瞬時壓差，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專用前處理軟件mesh對流道模型進行網(wǎng)格劃分，在動閥邊界設(shè)置動網(wǎng)格，使用UDF定義動網(wǎng)格運動規(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)格模型導入Fluent軟件中，在Fluent中定義了流動介質(zhì)為水，并選擇計算模型為2階標準k-epsilon模型;設(shè)置進口為流量進口，為30L/s;設(shè)置出口為壓力出口，為標準大氣壓強;流體介質(zhì)為水;設(shè)置時間步長和步數(shù)，對該閥系模型進行一個周期的仿真分析，得到該閥系一個周期內(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周期內(nèi)脈沖壓力隨時間的變化曲線如圖8所示。

由圖7、圖8可知，當滑閥動閥運動到下極限位置，即過流面積最小時，有最大壓降6.93MPa;當滑閥動閥未對過流面積產(chǎn)生影響，即過流面積最大時，有最小壓降0.237MPa?？梢缘玫皆摶y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?；y式水力振蕩器不同于傳統(tǒng)的盤閥式水力振蕩器，采用滑閥設(shè)計的這種水力振蕩器，由于其閥組相對運動方向與軸向力方向一致，因此閥組受到的摩擦力會降低，由此帶來的磨損現(xiàn)象可能會緩解;

（2）對這種滑閥式水力振蕩器進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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