旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)三肋流道轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)研究

摘 " 要：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)是目前廣泛應(yīng)用的定向鉆井工藝技術(shù)系統(tǒng)，流道轉(zhuǎn)換器是該系統(tǒng)的關(guān)鍵機(jī)械零件，具有儀器內(nèi)流道轉(zhuǎn)換、電氣連接等功能。針對(duì)流道轉(zhuǎn)換器的功能需求，設(shè)計(jì)了一種三肋形式的流道轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，并采用CFD方法對(duì)其進(jìn)行全三維數(shù)值模擬，分析了流道轉(zhuǎn)換器內(nèi)流場(chǎng)情況，依據(jù)分析結(jié)果對(duì)流道設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。研究發(fā)現(xiàn)：流道轉(zhuǎn)換器出口總壓分布均勻，但流體流線較亂，且流經(jīng)流道轉(zhuǎn)換器的液體壓力損失仍較大，在優(yōu)化倒角后壓力損失有所降低。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析，完成三肋流道轉(zhuǎn)換器的選材及結(jié)構(gòu)定型，最終完成三肋流道轉(zhuǎn)換器的研制。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向；流道轉(zhuǎn)換器；流體仿真；數(shù)值模擬；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TE921.2 " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)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(guó)油氣勘探開(kāi)發(fā)向著深水、深層及非常規(guī)油氣進(jìn)軍與水平井、大位移井的廣泛應(yīng)用，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)得以蓬勃發(fā)展，該技術(shù)能夠在旋轉(zhuǎn)鉆井過(guò)程中，控制鉆井軌跡，精確導(dǎo)向進(jìn)入油層的最佳位置，是當(dāng)今世界上實(shí)現(xiàn)定向鉆井的高端系統(tǒng)，可極大提升油氣開(kāi)發(fā)效率和開(kāi)發(fā)能力［1-5］。

在鉆井過(guò)程中，需要一直循環(huán)鉆井液，從鉆桿及鉆井工具內(nèi)孔流入，通過(guò)鉆頭后經(jīng)鉆井工具、鉆桿的外徑與井眼形成的環(huán)空，攜帶巖屑返回上去［6］。由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，儀器內(nèi)部鉆井液流道，需要根據(jù)鉆井工藝需求隨時(shí)調(diào)節(jié)，即環(huán)空流道與中心流道相互轉(zhuǎn)換［7］。流道轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)儀器流道變化，是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)關(guān)鍵零部件。

同時(shí)，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)采用高壓泥漿驅(qū)動(dòng)渦輪，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)為井下儀器供電［8］。整個(gè)系統(tǒng)由流道轉(zhuǎn)換器、渦輪、發(fā)電機(jī)及連接機(jī)構(gòu)組成，流道轉(zhuǎn)換器作為關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)劣將直接影響旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的發(fā)電供電能力。因此設(shè)計(jì)一款適用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的流道轉(zhuǎn)換器對(duì)提高系統(tǒng)性能及應(yīng)用可靠性十分重要。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)流道轉(zhuǎn)換器等部件的設(shè)計(jì)研究較少。藥曉江等［9］對(duì)某型隨鉆測(cè)井儀流道轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)4種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了模擬和對(duì)比，認(rèn)為影響流道轉(zhuǎn)換器流場(chǎng)性能的主要因素是擴(kuò)張角和內(nèi)流道截面積的連續(xù)性。李杰等［10］對(duì)流道轉(zhuǎn)換接頭內(nèi)部鉆井液流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)流道轉(zhuǎn)換接頭的截面變化處與流道內(nèi)表面最容易被沖蝕，提出了新型流道轉(zhuǎn)換接頭結(jié)構(gòu)和加工工藝，以延長(zhǎng)使用壽命。Ivan Okhotnikov等［11-13］設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)液壓流量控制閥，提出了閥芯驅(qū)動(dòng)器和輔助機(jī)構(gòu)的選型標(biāo)準(zhǔn)，推導(dǎo)了計(jì)量特性和穩(wěn)流力矩的解析表達(dá)式，并應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)評(píng)估了閥門(mén)的水力性能。

已知文獻(xiàn)研究?jī)?nèi)容均未針對(duì)流道轉(zhuǎn)換器進(jìn)行對(duì)比分析與強(qiáng)度計(jì)算，沒(méi)有基于特定儀器的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，也沒(méi)有根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化，對(duì)影響鉆井過(guò)程中鉆井液循環(huán)能力的流體壓力分析較少。因此，本文采用計(jì)算流體力學(xué)方法，基于流道轉(zhuǎn)換器功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)用三維數(shù)值模擬［14-15］，計(jì)算了流經(jīng)流道轉(zhuǎn)換器的流體壓力損失，確定了壓力損失較大的區(qū)域，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn)，最終完成了流道轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 流道轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)計(jì)算

流道轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)極其復(fù)雜，在滿足功能需求、機(jī)械強(qiáng)度的基礎(chǔ)上還要符合流體力學(xué)規(guī)律。根據(jù)功能需求與工作環(huán)境，完成了流道轉(zhuǎn)換器的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料選擇，并通過(guò)有限元軟件進(jìn)行了初步仿真模擬，確定了設(shè)計(jì)的合理性。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該流道轉(zhuǎn)換器的功能主要包括三項(xiàng)：①環(huán)空流道轉(zhuǎn)換為中心流道，確定流道轉(zhuǎn)換器流道結(jié)構(gòu)如圖1a所示；②提供線束通過(guò)孔道并承壓，確定流道轉(zhuǎn)換器走線結(jié)構(gòu)如圖1b所示；③上下部件的機(jī)械連接、承壓密封［12］，確定流道轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)特征，如圖1c所示。

參照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)思，通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件完成結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)如圖2所示。模型總長(zhǎng)度355 mm，環(huán)形流道最小直徑？準(zhǔn)101.5 mm，中心流道為錐形，大端直徑？準(zhǔn)128.9 mm，小端直徑？準(zhǔn)50.8 mm。

流道轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，保證流道轉(zhuǎn)換器在鉆鋌內(nèi)的居中；虛線框2內(nèi)是沿圓周均布的3個(gè)走線孔，用以貫連電路結(jié)構(gòu)；虛線框3內(nèi)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(shù)設(shè)計(jì)

流道轉(zhuǎn)換器屬于承壓件，需要承受高壓、彎曲等復(fù)雜載荷，內(nèi)部流道與泥漿直接接觸并經(jīng)受常溫至150 ℃富氯離子泥漿介質(zhì)的腐蝕。由于流道的變換，流道轉(zhuǎn)換器被沖蝕失效的風(fēng)險(xiǎn)很大，要求材料具有高強(qiáng)韌、耐腐蝕的性能。同時(shí)由于流道轉(zhuǎn)換器與磁力計(jì)安裝較近，為提高測(cè)量精度，要求材料的磁導(dǎo)率較低。綜合上述條件，選擇鎳基合金作為流道轉(zhuǎn)換器材料，具體材料屬性，如表1所示。

流道轉(zhuǎn)換器有限元分析如圖4所示。確定材料后，采用靜力學(xué)方法對(duì)流道轉(zhuǎn)換器進(jìn)行仿真計(jì)算，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器設(shè)計(jì)指標(biāo)為承壓140 MPa，因此在流道區(qū)域施加140 MPa均質(zhì)載荷。靜力學(xué)分析的最大應(yīng)力值為1 324 MPa，而常規(guī)鎳基合金的屈服極限通常為1 100～1 200 MPa。基于分析結(jié)果，最終選擇超高強(qiáng)韌鎳基合金作為流道轉(zhuǎn)換器材料，即在常規(guī)材料基礎(chǔ)上通過(guò)優(yōu)化合金成分設(shè)計(jì)、高純凈低偏析冶金技術(shù)、時(shí)效強(qiáng)化調(diào)控技術(shù)等方法，來(lái)提高材料的屈服極限［13］，該超高強(qiáng)韌鎳基合金屈服強(qiáng)度應(yīng)不小于1 400 MPa。

基于實(shí)際工況，選擇流經(jīng)流道轉(zhuǎn)換器內(nèi)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(shù)，如表2所示。

1.3 流道模型提取及網(wǎng)格劃分

在采用CFD方法對(duì)流道轉(zhuǎn)換器進(jìn)行計(jì)算之前，需要先獲得模型內(nèi)流體流道結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)流道轉(zhuǎn)換器幾何模型進(jìn)行處理修補(bǔ)，提取出的流道模型，如圖5所示。

流道模型網(wǎng)格劃分結(jié)果，如圖6所示。采用全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)流道轉(zhuǎn)換器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，總體網(wǎng)格數(shù)量為156萬(wàn)。壁面、附面層，第一層網(wǎng)格尺寸均為0.01 mm。

1.4 仿真分析

應(yīng)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(chǔ)上，以良好的精度表現(xiàn)出了高達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)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(chǎng)細(xì)節(jié)。

流道轉(zhuǎn)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(wú)突變位置，證明流道轉(zhuǎn)換器長(zhǎng)度適中。模型出口壓力最小處的值約為9.997 MPa，通過(guò)計(jì)算進(jìn)出口平均總壓算得流體在流經(jīng)流道轉(zhuǎn)換器后壓力損失約為2 158 Pa，壓力損失略大，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2 流道轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

提取計(jì)算的流線和切面壓力云圖進(jìn)行分析。原始流道轉(zhuǎn)換器流線結(jié)果如圖8所示，模型內(nèi)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(zhuǎn)換器在軸向中部位置有明顯的局部低壓區(qū)，出現(xiàn)了明顯的流場(chǎng)分析現(xiàn)象。

原始流道轉(zhuǎn)換器切面總壓云圖如圖10所示，在流道轉(zhuǎn)換器的后部，同樣出現(xiàn)了較為明顯低總壓局部區(qū)域，因此需要針對(duì)該區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化?；诹黧w力學(xué)理論，考慮減小三個(gè)部位的倒圓角，保證從進(jìn)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(duì)流道轉(zhuǎn)換器進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，重新提取流體計(jì)算域如圖11所示。采用與優(yōu)化前的三肋流道轉(zhuǎn)換器相同的網(wǎng)格拓?fù)鋵?duì)流道轉(zhuǎn)換器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，總體網(wǎng)格數(shù)量為217萬(wàn)。網(wǎng)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(gè)模型分別對(duì)不同泥漿配比與體積流量下的壓力損失進(jìn)行計(jì)算，流體進(jìn)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(zhuǎn)換器流線，優(yōu)化后的流道轉(zhuǎn)換器流線較為均勻，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的分離，如圖13所示。優(yōu)化后的切面靜壓云圖與總壓云圖，如圖14～15所示，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后的三肋流道轉(zhuǎn)換器消除了低壓區(qū)，流體在流經(jīng)流道尺寸變化區(qū)域時(shí)壓力變化更為平順。多種工況下優(yōu)化前后總壓損失對(duì)比情況，如表3所示，通過(guò)對(duì)比可以看出，在泥漿配比為1.0時(shí)，優(yōu)化后流道轉(zhuǎn)換器總壓損失可以減少30%以上，在泥漿配比為2.4時(shí)，優(yōu)化后流道轉(zhuǎn)換器總壓損失也有至少16%的減小，因此認(rèn)為對(duì)流道轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化有效。

在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器中，流道轉(zhuǎn)換器上端連接裝有加速度計(jì)、磁通門(mén)、陀螺儀的7軸方向探管與發(fā)電組件，下端連接裝有測(cè)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(cè)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(huán)空區(qū)域變?yōu)橹行膮^(qū)域。同時(shí)為了向下端電路板供電及傳輸姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)，需要在流道轉(zhuǎn)換器中開(kāi)通線路槽，三肋流道轉(zhuǎn)換器在支撐肋中開(kāi)過(guò)線孔，既保證了流道完整性，又滿足過(guò)線及承壓要求。三肋的形狀及流道尺寸成為設(shè)計(jì)流道轉(zhuǎn)換器的重點(diǎn)，設(shè)計(jì)不合理會(huì)造成高壓降及沖蝕破壞，進(jìn)而導(dǎo)致儀器失效。經(jīng)過(guò)流道轉(zhuǎn)換器流體仿真，完成三肋以及流道結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，加工出優(yōu)化后的流道轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過(guò)水循環(huán)測(cè)試，壓降損失情況與仿真結(jié)果差異較小，效果良好。儀器通過(guò)實(shí)鉆驗(yàn)證，拆卸檢查流道轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)完整，如圖17所示，無(wú)沖蝕損傷。

3 結(jié)論

1） 流道轉(zhuǎn)換器是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)關(guān)鍵機(jī)械零件，根據(jù)其功能完成了一款三肋流道轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并基于其工況選擇屈服強(qiáng)度大于1 400 MPa的超高強(qiáng)韌鎳基合金作為材料。

2） 基于實(shí)際工況，對(duì)流經(jīng)流道轉(zhuǎn)換器的流體壓力損失進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果表明該流道轉(zhuǎn)換器出口總壓分布均勻，但壓力損失仍較大，分析發(fā)現(xiàn)在支撐肋的前緣、根部和頂部位置流線出現(xiàn)紊亂，有局部低壓現(xiàn)象。

3） 通過(guò)對(duì)局部低壓區(qū)域的倒角進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)保證內(nèi)部流線的光順，可以有效降低液體流經(jīng)流道轉(zhuǎn)換器的壓力損失，優(yōu)化后總壓損失最多可減少34%。

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