渦輪式水力振蕩器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及流體仿真

馮超，徐華靜，黃劍，夏成宇*，劉健，錢利勤

(1.長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，荊州 434023；2.勝利油田分公司樁西采油廠，東營 257000)

在大位移長水平井開發(fā)的后期，由于管柱與井壁之間的接觸會產(chǎn)生非常大的摩阻，導(dǎo)致鉆井效率低下，甚至?xí)霈F(xiàn)托壓、自鎖現(xiàn)象，嚴(yán)重限制鉆具向更遠(yuǎn)目標(biāo)的快速鉆進(jìn)，制約了長水平井的開發(fā)[1-3],使鉆井的成本大大增加[4-5]。因此降摩減阻在油井開發(fā)的后期占據(jù)著非常重要的地位，水力振蕩器作為降摩減阻的重要工具被廣泛的應(yīng)用在各大油氣田油井開發(fā)作業(yè)的降摩減阻工作中[6-7]。

為了解決上述難題，從20世紀(jì)90年代開始，國內(nèi)外的許多專家學(xué)者就致力于水力振蕩器的研究。對水力振蕩器進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使水力振蕩器的降摩減阻效果更好。Abdo等[8]通過實(shí)驗(yàn)得到了當(dāng)振動幅度為30 mm時(shí)，水力振蕩器所起的減阻效果最好，鉆壓作用到鉆頭上的效果最好。沈楠等[9]通過對Φ172 mm三維水力振蕩器的實(shí)例分析，得到了當(dāng)脈沖壓力在0.03～2.90 MPa時(shí)，軸向振蕩的效果最佳，并發(fā)現(xiàn)三維水力振蕩器的安裝位置至少需要與導(dǎo)向馬達(dá)距離20 m以上，才能夠確保三維水力振蕩器不影響導(dǎo)向馬達(dá)的運(yùn)行。李漫等[10]將水力振蕩器流道口形狀對閥組脈沖壓力幅值的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流道口的形狀為菱形時(shí)，水力振蕩器的降摩減阻效果最好。倪華峰等[11]利用計(jì)算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)仿真技術(shù)對渦輪水力振蕩器閥芯的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了研究。夏成宇等[12]設(shè)計(jì)了一種渦輪式的三維水力振蕩器。經(jīng)過不斷的研究與發(fā)展，水力振蕩器作為降摩減阻的工具逐漸被完善，已經(jīng)被應(yīng)用在了各種油井的開發(fā)鉆采作業(yè)中[13-14]。趙鈺等[15]運(yùn)用滑移網(wǎng)格與Realizablek-ε湍流模型對水利振蕩器進(jìn)行了流體仿真，對水力振蕩器的閥組參數(shù)設(shè)計(jì)有著重要的理論指導(dǎo)意義。

在現(xiàn)有的渦輪式水力振蕩器的基礎(chǔ)上，現(xiàn)提出一種新的水力振蕩器閥組結(jié)構(gòu)，并結(jié)合理論計(jì)算與FLUENT流體仿真對靜閥與轉(zhuǎn)閥的運(yùn)動規(guī)律以及閥組流道的形狀與壓降之間的關(guān)系進(jìn)行研究，分析正方形流道的尺寸以及流道長度對壓降的影響，并對閥組的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

渦輪式水力振蕩器主要由渦輪定子、渦輪轉(zhuǎn)子、渦輪主軸、外套、分流套、擋流體、轉(zhuǎn)閥、靜閥組成，如圖1所示。鉆井液流向?yàn)榧^所指方向，渦輪將鉆井液的動能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，渦輪轉(zhuǎn)子帶動渦輪主軸旋轉(zhuǎn)，中心桿上端連接渦輪主軸，下端連接轉(zhuǎn)閥。轉(zhuǎn)閥旋轉(zhuǎn)使鉆井液流通面積發(fā)生周期性變化，在閥前與閥后形成壓差。在轉(zhuǎn)閥后連接振蕩短節(jié)，將閥組產(chǎn)生的壓降轉(zhuǎn)換為軸向沖擊力。在軸向沖擊力的作用下，帶動鉆具產(chǎn)生軸向運(yùn)動，從而將鉆具與井壁之間的靜摩擦轉(zhuǎn)化為動摩擦，起到降摩減阻的作用。

1為渦輪定子；2為渦輪轉(zhuǎn)子；3為渦輪主軸；4為外套；5為分流套；6為擋流體；7為中心桿；8為轉(zhuǎn)閥；9為靜閥

轉(zhuǎn)閥與靜閥的結(jié)構(gòu)如圖2所示，可以看出，靜閥與轉(zhuǎn)閥的流道口形狀以及分布均相同，閥組的流道包括中間圓形流道口與正方形外流道口，中間圓形流道口始終處于接觸狀態(tài)。轉(zhuǎn)閥旋轉(zhuǎn)，從而使外流道口之間的連通面積發(fā)生周期性變化，在水擊作用下產(chǎn)生周期性脈沖壓力。

圖2 轉(zhuǎn)閥(A-A)與靜閥(B-B)示意圖

2 理論模型

2.1 閥前與閥后壓降計(jì)算公式

轉(zhuǎn)閥與靜閥流道口之間的相位變化會導(dǎo)致過流面積的周期性變化。閥組一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動規(guī)律如圖3所示。圖3中箭頭所指的是轉(zhuǎn)閥旋轉(zhuǎn)方向，陰影部分為流道的連通面積，取正方形外流道全部連通為初始位置。

L為正方形外流道的邊長；r為中間流道口的半徑；R為正方形流道旋轉(zhuǎn)中心位置所處軌跡圓的半徑；β為轉(zhuǎn)閥的旋轉(zhuǎn)角度

由閥組的運(yùn)動規(guī)律可知，中間圓形流道口始終處于連通狀態(tài)，其面積為

A1=πr2

(1)

式(1)中:r為中間流道口的半徑，mm。

正方形外流道的過流面積為

(2)

式(2)中：L為正方形外流道的邊長，mm；R為正方形流道旋轉(zhuǎn)中心位置所處軌跡圓的半徑，mm；β為轉(zhuǎn)閥的旋轉(zhuǎn)角度，rad。

總過流面積可以表示為

A=A1+A2

(3)

流體流經(jīng)過流通道時(shí)產(chǎn)生的壓降即為閥組的壓降。閥組的過流通道可以認(rèn)定為厚壁短孔，由短孔的流量公式可得流體流經(jīng)過流通道所產(chǎn)生的壓降為

(4)

式(4)中：Δp為壓降，Pa;Q為流量，m3/s；A為過流總面積,m2；ρ為流體密度，kg/m3;Cq為小孔流量系數(shù)，一般取Cq=0.82。

2.2 湍流模型

由于水力振蕩器內(nèi)鉆井液流動狀況較復(fù)雜，處于非穩(wěn)態(tài)過程，因此，采用FLUENT自帶的k-ε模型，能夠很好地用于水力振蕩器內(nèi)流體的流動，得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的輸送方程為

Gb-ρε-YM+Sk

(5)

(6)

式中:Gk為層流速度梯度所產(chǎn)生的湍動能項(xiàng)；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動能項(xiàng)；YM為可壓縮流動中湍流脈動膨脹到全局流程中對耗散率的貢獻(xiàn)值；C1ε、C2ε、C3ε為常量；σk為k方程的湍流Prandtl數(shù)；σε為ε方程的湍流Prandtl數(shù)；Sk為自定義的湍動能項(xiàng)；Sε為自定義的湍流耗散源項(xiàng)；ui為i相流在t時(shí)刻的速度；xi為t時(shí)刻i相流質(zhì)點(diǎn)的空間位置；xj為t時(shí)刻j相流質(zhì)點(diǎn)的空間位置;μ為流體動力黏度；μt為湍流黏性系數(shù)。

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 渦輪式全金屬水力振蕩器閥組有限元模型建立

分別建立正方形外流道口、圓形外流道口、扇形外流道口的閥組有限元模型，保持流道口總面積一致，外流道口的旋轉(zhuǎn)中心位置均處在同一半徑的圓上，如圖4所示。

圖4 三種形狀外流道示意圖

采用六面體網(wǎng)格劃分，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。為了獲得轉(zhuǎn)閥與靜閥中鉆井液作用時(shí)間的精確解，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行瞬態(tài)流場的計(jì)算。網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證曲線如圖5所示。

圖5 壓降隨網(wǎng)格大小變化曲線

可以看出,隨著網(wǎng)格劃分精細(xì)，壓降的變化逐漸趨于平緩，當(dāng)網(wǎng)格大小不大于5 mm時(shí)壓降變化基本處于穩(wěn)定，考慮到計(jì)算的時(shí)間與精度，選擇5 mm的網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)58 031，單元數(shù)67 780。

選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，流體密度為1.0 g/cm3，黏度為20 mPa·s；流量為35 L/s，在邊界條件中設(shè)置入口為速度入口，速度為1.93 m/s；出口為相對壓力出口；轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速為600 r/min。根據(jù)公式計(jì)算出湍流的k值為0.007 7，ε為15.090 6。

3.2 仿真結(jié)果分析

只針對外流道的形狀進(jìn)行分析，利用CFD仿真技術(shù)對三種閥組的有限元模型進(jìn)行對比，測得閥組的壓力分布云圖，并取任意角度平面上的壓力分布如圖6所示。分別測得三種閥組的進(jìn)口壓力與出口壓力，將進(jìn)口壓力與出口壓力相減即為所求的閥組壓降，如圖7所示。

圖6 閥組壓力云圖

從圖7可以看出，進(jìn)口處的壓力明顯大于出口處的壓力，中間流道處流體的壓力分布比較復(fù)雜，主要是因?yàn)樵谥虚g流道處的流通面積突然縮小，導(dǎo)致流體在此處的流速變化較大。流體從轉(zhuǎn)閥流道內(nèi)流出后，在靜閥進(jìn)口端靠近壁面處會產(chǎn)生二次環(huán)流。

圖7 壓降變化規(guī)律

從圖7也可以看出三種流道的壓降變化規(guī)律。扇形外流道口每個(gè)周期的壓降變化不穩(wěn)定，且最小壓降延續(xù)時(shí)間較長，不利于快速產(chǎn)生脈沖壓力；圓形外流道口的最大壓降在下降后出現(xiàn)回升導(dǎo)致周期壓降變化不穩(wěn)定；正方形外流道口的壓降變化最為穩(wěn)定，而且最大壓降與最小壓降的延續(xù)時(shí)間較短，能夠產(chǎn)生比較快速的脈沖壓力，有利于工程實(shí)際中的應(yīng)用。因此采用正方形外流道作為水力振蕩器的閥組流道結(jié)構(gòu)，能夠提供快速有效的周期性脈沖壓力，起到更好的降摩減阻效果。

可以看出，正方形外流道閥組的最小壓降為0.096 MPa，最大壓降為2.96 MPa?？梢蕴峁?.096～2.96 MPa的脈沖壓力。

4 閥組優(yōu)化設(shè)計(jì)

由理論計(jì)算可知，閥組的壓降與流道連通面積以及鉆井液流量有關(guān)，為了適應(yīng)復(fù)雜的井下工作環(huán)境對流道管徑進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到更好的降摩減阻效果，使油井的開發(fā)效率更高。

4.1 中間流道口內(nèi)徑對壓降的影響

圖8所示為閥組流道示意圖。中間流道口為圓形流道，外流道為4個(gè)正方形流道。

圖8 閥組流道示意圖

用上述的仿真方法，對不同內(nèi)徑的中間圓形流道閥組的壓降進(jìn)行求解，在進(jìn)口流量不變的情況下改變中間流道口的內(nèi)徑，測得閥組的壓降?，F(xiàn)以正方形流道邊長為27 mm、流道長度為30 mm的閥組進(jìn)行分析，所得壓降數(shù)據(jù)如表1所示，壓降變化曲線如圖9所示。

表1 轉(zhuǎn)閥與靜閥參數(shù)

圖9 不同中間流道尺寸壓降圖

當(dāng)外流道口全部關(guān)閉只有中間流道口連通，由于中間流道口的流通面積較小，且流量較大，水擊現(xiàn)象較強(qiáng)，出現(xiàn)最大壓降；當(dāng)流道口全部連通，流通面積較大，水擊現(xiàn)象減弱，出現(xiàn)最小壓降。從圖9可以看出，閥組的最小壓降基本不變，最大壓降隨著中間流道口內(nèi)徑的增大而減小，瞬時(shí)壓降增大可以提供更大的脈沖壓力。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際要求，最大壓降不超過3 MPa時(shí)所起到的降摩減阻效果最好，因此選用中間圓形流道口的半徑為14.2 mm。

4.2 正方形外流道尺寸對壓降的影響

改變正方形外流道的邊長，并測得不同邊長外流道的壓降變化曲線。以中間流道口內(nèi)徑為14.2 mm、長度為30 mm的閥組為例，測得正方形外流道尺寸與壓降之間的關(guān)系如表2所示。變化規(guī)律如圖10所示。

由表2與圖10可以看出，正方形外流道的邊長不大于27 mm時(shí)，隨著邊長的變化壓降的變化較小；正方形外流道的邊長大于27 mm時(shí)，隨著邊長增加壓降減小。主要原因是：①當(dāng)正方形外流道邊長大于27 mm后，外流道始終處于連通狀態(tài)，使得流通面積大于邊長為27 mm時(shí)的流通面積。外流道的邊長越長，連通面積越大，壓降越小。②當(dāng)正方形外流道的邊長不大于27 mm時(shí)，閥組的最小連通面積不變，因此閥組的最大壓降變化不大。邊長為27 mm的正方形外流道，外流道口完全沒有接觸的時(shí)間非常短，壓降的變化較快，能夠快速產(chǎn)生比較大的脈沖壓力，因而在復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的開發(fā)中優(yōu)先選用。

表2 壓降數(shù)據(jù)

圖10 不同正方形流道尺寸壓降變化圖

4.3 流道長度對壓降的影響

在確定流道口的形狀與尺寸后，針對流道的長度進(jìn)行分析。選擇流量為35 L/s，中間圓形流道內(nèi)徑為14.2 mm、正方形外流道邊長為27 mm的閥組進(jìn)行分析，測得流道長度與壓降之間的關(guān)系如表3所示。變化規(guī)律如圖11所示。

表3 壓降數(shù)據(jù)

圖11 不同流道長度的壓降曲線圖

由表3與圖11可知，流道的長度越長，閥組產(chǎn)生的壓降越大。壓降增大的主要原因是：當(dāng)閥組的過流通道長度增加后，流體在流道內(nèi)的水力損失就會增加，因而導(dǎo)致流體在流經(jīng)過流通道后的壓力減少幅度增大。根據(jù)實(shí)際操作需要，壓降不超過3 MPa起到的降摩減阻效果最好，因此選取流道長度為30 mm。

4.4 流量與壓降之間的關(guān)系

根據(jù)以上試驗(yàn)得到的結(jié)論，以中間圓形流道半徑為14.2 mm，正方形外流道邊長為27 mm，流道長度為30 mm的閥組為例，最大壓降與最小壓降如表4所示，測得不同流量下壓降的變化曲線如圖12所示。

表4 壓降數(shù)據(jù)

圖12 不同流量下壓降曲線圖

從表4與圖12可以看出，壓降隨著流量的增大而增大。壓降增大的主要原因：流量的增大會導(dǎo)致閥組的鉆井液入口速度增加，鉆井液在經(jīng)過縮管與擴(kuò)管過程中的水力損失也大大增加，因此增大了閥組進(jìn)出口之間的壓降。在工程實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)牧髁?，可以起到更好的降摩減阻效果。

5 結(jié)論

(1)渦輪式水力振蕩器通過轉(zhuǎn)閥與靜閥之間相位的改變將鉆井液的壓力轉(zhuǎn)換為周期性的脈沖壓力，從而給鉆具提供軸向沖擊的機(jī)械能，更好地解決了鉆具工作時(shí)的托壓、自鎖現(xiàn)象。通過對三種不同形狀的外流道進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)正方形外流道閥組的降摩減阻效果要優(yōu)于其他形狀外流道的閥組。

(2)中間圓形流道口內(nèi)徑越大，閥組的壓降越??；正方形外流道的邊長大于27 mm時(shí)，閥組的壓降會隨之減??；隨著流道長度的增加，閥組的壓降減小；閥組的壓降與流量呈正相關(guān)。中間流道半徑為14.2 mm，正方形外流道邊長為27 mm，流道長度為30 mm的閥組結(jié)構(gòu)最為滿足工程實(shí)際的需要，可以提供0.096～2.96 MPa的壓降。