同心驅(qū)水力振蕩器閥盤(pán)優(yōu)化設(shè)計(jì)

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目“組合軸承——轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性耦合振動(dòng)機(jī)理及智能控制分法研究”（52204002）。

大位移井和水平井的井斜角過(guò)大會(huì)使鉆柱和井壁之間產(chǎn)生較大的摩阻，導(dǎo)致鉆進(jìn)速度降低，使用水力振蕩器是解決上述問(wèn)題的有效方法之一。為此，設(shè)計(jì)了一種同心驅(qū)水力振蕩器，并對(duì)其閥盤(pán)系統(tǒng)的沖蝕情況進(jìn)行仿真分析。仿真分析結(jié)果表明：動(dòng)、靜閥盤(pán)的交界處受到鉆井液的沖蝕磨損，特別是動(dòng)、靜閥盤(pán)相對(duì)轉(zhuǎn)角為25°時(shí)受到的沖蝕磨損最為嚴(yán)重。對(duì)動(dòng)、靜閥盤(pán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和模擬試驗(yàn)，從模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)動(dòng)、靜閥盤(pán)的倒角同為20°時(shí)，最大沖蝕率最小，優(yōu)化效果最好。對(duì)優(yōu)化后的同心驅(qū)水力振蕩器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：同心驅(qū)水力振蕩器能大幅提高鉆井效率，相同條件下較常規(guī)水力振蕩器的平均機(jī)械鉆速提高33.62%，工具平均使用壽命延長(zhǎng)27.46%。所得結(jié)論可為水力振蕩器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

水力振蕩器；動(dòng)、靜閥盤(pán)；沖蝕；倒角；數(shù)值模擬；優(yōu)化分析

Optimization Design of Valve Disc for Concentric Drive Hydro-Oscillator

Lei Zhongqing¹ Liu Xin² Huang Yehai³ Yu Chen¹ Li Han⁴ Guo Penggao⁵ Shi Lei⁵

（1.Engineering Research Institute，CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited; 2.Directional Well Service Company，CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited; 3.First Mud Logging Company，CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited; 4.Fourth Drilling Company，CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited; 5.School of Mechanical Engineering，Yangtze University）

The excessive deviation angle of extended reach wells and horizontal wells would create significant friction between the drill string and the sidewall，leading to a decrease in drilling speed. The use of hydro-oscillator is one of the effective methods to solve the above problem. In this paper，a concentric drive hydro-oscillator was designed，and simulation analysis was conducted on the erosion situation of its valve disc system. The simula-tion analysis results show that the interface between the dynamic and static valve discs is subjected to erosion wear of drilling fluid. Especially when the relative turning angle of the dynamic and static valve discs is 25°，the erosion wear is the most severe. Structural optimization and simulation tests were conducted on the dynamic and static valve discs. The simulation results show that when the chamfer of both the dynamic and static valve discs is 20°，the maximum erosion rate is the smallest，and the optimization effect is the best. Field test was conduct on the optimized concentric drive hydro-oscillator. The test results show that the concentric drive hydro-oscillator significantly improves drilling efficiency. Compared with conventional hydro-oscillator，the concentric drive hydro-oscillator helps improve the average rate of penetration by 33.62% and extend the average service life of the tool by 27.46% under the same conditions. The conclusions provide reference for the design and optimization of hydro-oscillators.

hydro-oscillator;dynamic and static valve discs;erosion;chamfer;numerical simulation;optimization analysis

0 引 言

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著油田開(kāi)發(fā)逐漸深入，大斜度井、水平井、多分支水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的數(shù)量越來(lái)越多。然而，由于井斜角較大造成鉆柱和井壁之間的摩阻較大，導(dǎo)致鉆壓傳遞效率低，嚴(yán)重限制了鉆進(jìn)速度。水力振蕩器作為降摩減阻的主要工具在油氣開(kāi)采過(guò)程中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，而閥盤(pán)系統(tǒng)是水力振蕩器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，對(duì)于整個(gè)工具的振蕩頻率及使用效果起決定性作用^［1-3］。

對(duì)于水力振蕩器閥盤(pán)的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。余長(zhǎng)柏等^［4］完成了不同直徑定閥與動(dòng)閥匹配下的入口和出口流體壓力測(cè)試，總結(jié)了閥口變化頻率、壓降隨閥口直徑變化的規(guī)律；趙鈺等^［5］運(yùn)用滑移網(wǎng)格和Realizable k-ε湍流模型對(duì)閥組組合進(jìn)行流體仿真分析，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了仿真結(jié)果的正確性；李漫等^［6］對(duì)矩形流道口、菱形流道口和圓形流道口分別進(jìn)行流道口優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)仿真分析得出，相比于另外2種流道形狀，菱形流道口的降摩減阻效果更優(yōu)；倪華峰等^［7］采用滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)水力振蕩器進(jìn)行流體仿真，研究了閥芯的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及脈沖壓降隨閥芯轉(zhuǎn)角變化的關(guān)系，結(jié)果表明，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)可以真實(shí)地模擬閥系流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化；馮超等^［8］提出一種渦輪式水力振蕩器，分別對(duì)閥盤(pán)的不同流道口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)正方形流道口的降摩減阻效果最好，并通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值仿真方法得到一組最優(yōu)的閥組尺寸；羅朝東等^［9］開(kāi)展了閥盤(pán)參數(shù)對(duì)水力振蕩器性能影響的試驗(yàn)研究，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果可為水力振蕩器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及現(xiàn)場(chǎng)使用提供理論依據(jù)。在實(shí)際鉆井過(guò)程中，鉆井液通常會(huì)對(duì)振蕩器產(chǎn)生沖蝕作用，而動(dòng)、靜閥盤(pán)作為振蕩器系統(tǒng)中調(diào)節(jié)壓力的關(guān)鍵部件，受到更加嚴(yán)重的沖蝕。因此，有必要對(duì)這種工況下的沖蝕行為進(jìn)行研究，并且提出減輕沖蝕的方法，以確保工具的可靠性。然而，現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)未見(jiàn)鉆井液對(duì)閥盤(pán)沖蝕影響的報(bào)道。

為此，筆者設(shè)計(jì)了一種同心驅(qū)水力振蕩器，結(jié)合理論計(jì)算和流體仿真研究了鉆井液對(duì)動(dòng)、靜閥盤(pán)的沖蝕情況，并依據(jù)研究結(jié)果對(duì)動(dòng)、靜閥盤(pán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；同時(shí)，將優(yōu)化后的同心驅(qū)水力振蕩器在油田進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，與常規(guī)水力振蕩器進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證其工作性能。所得結(jié)論可為水力振蕩器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

1 工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 工作原理

所設(shè)計(jì)的同心驅(qū)水力振蕩器主要由振蕩短節(jié)、動(dòng)力短節(jié)及盤(pán)閥系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其工作原理為：鉆井過(guò)程中，鉆井液經(jīng)過(guò)振蕩短節(jié)進(jìn)入動(dòng)力短節(jié)，帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)子做行星運(yùn)動(dòng)，螺桿轉(zhuǎn)子與動(dòng)閥盤(pán)通過(guò)撓軸連接，撓軸將螺桿轉(zhuǎn)子的行星運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為動(dòng)閥盤(pán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)閥盤(pán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使得動(dòng)、靜閥盤(pán)的過(guò)流面積呈周期性變化，從而使閥組兩端產(chǎn)生周期性的脈沖壓力。該脈沖壓力使得振蕩短節(jié)產(chǎn)生軸向的周期性振蕩，該振蕩帶動(dòng)整個(gè)鉆具振蕩，將鉆柱與井壁間的靜摩擦轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩擦，減小了鉆柱與井壁間的摩擦力。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

結(jié)合某油田開(kāi)發(fā)井的井身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同心驅(qū)水力振蕩器的設(shè)計(jì)參數(shù)為：工具外徑165 mm，總長(zhǎng)3 149 mm，適用鉆井液排量30～35 L/s，工具整體壓降2.5 MPa，工具振動(dòng)頻率16～17 Hz，振幅5～8 mm。

2 仿真模擬

2.1 模型建立及邊界條件

為了深入研究動(dòng)、靜閥盤(pán)的沖蝕情況，利用離散相模型模擬鉆井液在同心驅(qū)水力振蕩器中的流動(dòng)。對(duì)整個(gè)盤(pán)閥系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，采用SolidWorks建立同心驅(qū)水力振蕩器動(dòng)、靜閥的簡(jiǎn)化模型，將其轉(zhuǎn)化為.xt格式，導(dǎo)入ANSYS中，在ANSYS中提取盤(pán)閥系統(tǒng)的流道模型，如圖 2a所示。在Hypermesh里采用六面體網(wǎng)格劃分方式對(duì)整個(gè)流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)合網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，最終整個(gè)模型的網(wǎng)格總數(shù)為280 300，總體網(wǎng)格質(zhì)量大于0.7。同心驅(qū)水力振蕩器盤(pán)閥系統(tǒng)的流道模型網(wǎng)格劃分情況如圖 2b所示。

計(jì)算同心驅(qū)水力振蕩器中動(dòng)、靜閥盤(pán)的沖蝕時(shí)，沖蝕介質(zhì)為清水加砂，離散相為支撐顆粒。仿真時(shí)，定義流體的入口截面為inlet，出口截面為outlet，接觸面設(shè)定為interface類型，其他流道模型的表面設(shè)置為 Wall；選擇分析模型為Realizable k-ε湍流模型，將入口條件定義為速度入口（17 m/s），出口條件為outflow邊界類型；將流體密度設(shè)置為1 100 kg/m³ ，運(yùn)動(dòng)黏度為 0.04 kg/（m·s）；顆粒直徑為 0.04 mm，水力直徑為90 mm。

2.2 計(jì)算模型求解

水力振蕩器內(nèi)部的流體流動(dòng)較為復(fù)雜，屬于三維非定常、不可壓縮湍流。Realizable k-ε湍流模型對(duì)平板和圓柱射流的發(fā)散比率有著精確的預(yù)測(cè)，以及對(duì)于旋轉(zhuǎn)流體有著較好的適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)^［10］，為此，將該模型應(yīng)用于盤(pán)閥系統(tǒng)內(nèi)的流體流動(dòng)仿真。

Realizable k-ε湍流模型如下：

式中：ρ為流體密度，kg/m³；k為湍動(dòng)能，m²/s²；在三維平直空間，u_i、u_j為速度矢量u的分量，m/s；x_i、x_j為位移分量，m；μ為分子黏性系數(shù)，Pa·s；μ_t為湍流黏性系數(shù)，kg/（m·s）；σ_k、σ_ε為湍動(dòng)能k和耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)，σ_k=1.0，σ_ε=1.2；G_k為由平均速度梯度所產(chǎn)生的湍動(dòng)能，Pa/s；G_b為由浮力影響所產(chǎn)生的湍動(dòng)能，Pa/s；ε為耗散率，m²/s³；Y_M為可壓縮湍動(dòng)脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響^［11-13］，Pa/s；E為平均速度應(yīng)變率張量，E=12?u_i?x_j+?u_j?x_i；C₁、C₂、C_1ε、C_3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，C₁=1.2，C₂=1.9，C_1ε=1.44，C_3ε=1.9；ν為運(yùn)動(dòng)黏度，m²/s。

采用Fluent模擬鉆井液的沖蝕情況，采用的沖蝕模型如下：

式中：m·_p為粒子的平均質(zhì)量流速，kg/（m²·s）；C（d_p）為顆粒粒徑函數(shù)；α為顆粒路徑與壁面間沖擊角，（°）；f（α）為沖擊角函數(shù)；v為顆粒相對(duì)速度，m/s；b（v）為顆粒相對(duì)速度函數(shù)；A為壁面面積，m²；p為粒子數(shù)。

2.3 模擬結(jié)果分析

由于流道模型結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以可認(rèn)為該結(jié)構(gòu)的速度、顆粒軌跡也都對(duì)稱，所以選取該流道模型的1/4周期進(jìn)行研究分析。圖 3為1/4周期時(shí)動(dòng)閥盤(pán)相對(duì)于靜閥盤(pán)不同轉(zhuǎn)角下整個(gè)流道模型的速度矢量云圖。

由圖 3可以看出，鉆井液在到達(dá)動(dòng)閥盤(pán)之前流速穩(wěn)定；但當(dāng)鉆井液流入動(dòng)閥盤(pán)的流道后流速開(kāi)始增大，在經(jīng)過(guò)動(dòng)靜閥盤(pán)交界處時(shí)速度會(huì)進(jìn)一步增大，同時(shí)顆粒流經(jīng)動(dòng)靜閥盤(pán)交界處流道時(shí)與流道產(chǎn)生碰撞。因此在這一過(guò)程中，動(dòng)靜閥盤(pán)交界面是受沖蝕磨損最嚴(yán)重的地方，并且隨著動(dòng)、靜閥盤(pán)過(guò)流面積減小，固體顆粒的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)增大，當(dāng)動(dòng)、靜閥盤(pán)相對(duì)轉(zhuǎn)角為25°時(shí)速度達(dá)到最大值，此時(shí)鉆井液對(duì)動(dòng)、靜閥盤(pán)的沖蝕磨損最大。

3 閥盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由圖3可知，沖蝕主要產(chǎn)生在動(dòng)閥盤(pán)和靜閥盤(pán)交界處，且當(dāng)轉(zhuǎn)角為25°時(shí)，沖蝕磨損最嚴(yán)重。為了使同心驅(qū)水力振蕩器的降摩減阻效果更好、提高鉆井過(guò)程中的效率，對(duì)動(dòng)、靜閥盤(pán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 在保證沖蝕條件不變的情況下，對(duì)3種倒角情況進(jìn)行分析：動(dòng)閥盤(pán)的閥孔單獨(dú)倒角、靜閥盤(pán)的閥孔單獨(dú)倒角和動(dòng)、靜閥盤(pán)的閥孔同時(shí)倒角。取閥孔的1/3長(zhǎng)度進(jìn)行倒角，通過(guò)改變倒角角度分析鉆井液對(duì)閥盤(pán)的沖蝕影響。在沖蝕模擬過(guò)程中，將倒角角度分別設(shè)置為0°、5°、10°、15°及20°進(jìn)行沖蝕仿真模擬。取動(dòng)閥盤(pán)與靜閥盤(pán)相對(duì)轉(zhuǎn)角為25°時(shí)的情況進(jìn)行考慮，可以得到3種倒角情況下不同倒角角度的最大沖蝕速率云圖，如圖4所示。

為了直觀地觀測(cè)最大沖蝕速率的變化趨勢(shì)，將3種倒角情況下，倒角角度為0°、5°、10°、15°及20°的最大沖蝕速率繪制成折線圖，如圖5所示。

由圖 5可知，隨著倒角角度的增大，顆粒對(duì)閥盤(pán)系統(tǒng)的沖蝕作用不斷減小。這是因?yàn)樵诠滔囝w粒數(shù)量不變的情況下，倒角度數(shù)的增大使得固相顆粒與閥盤(pán)的接觸面積變大，從而導(dǎo)致顆粒對(duì)閥盤(pán)的沖蝕磨損減小。同時(shí)還可以看出，在對(duì)動(dòng)、靜閥盤(pán)同時(shí)進(jìn)行倒角時(shí)，顆粒的最大沖蝕速率明顯低于另外2種倒角情況，這說(shuō)明對(duì)動(dòng)、靜閥盤(pán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以更好地減輕鉆井液的沖蝕作用。因此在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐中，可以對(duì)動(dòng)、靜閥盤(pán)同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使水力振蕩器具有更好的使用效果。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

該同心驅(qū)水力振蕩器于2022年4月15—19日進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市鄂托克前旗城川鎮(zhèn)，二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)。該井結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表1所示。

采用的鉆具組合為：?152.4 mm鉆頭×0.3 m+?127.0 mm馬達(dá)（本體扶正器?148.0 mm×1.25°）×7.67 m+?121.0 mm浮閥×0.5 m+?144.0 mm扶正器×0.57 m+?121.0 mm無(wú)磁鉆鋌×9.04 m+?142.0 mm扶正器×0.57 m+?121.0 mm無(wú)磁鉆鋌×9.22 m+311/DS38接頭+?101.6 mm加重鉆桿×196.93+?101.6 mm鉆桿×67.27 m+?121.0 mm水力振蕩器×6.37 m+鉆桿。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)施工參數(shù)：鉆壓60～80 kN，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速0～60 r/min，鉆井液排量16～20 L/s，泵壓22～24 MPa，含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2％～0.3％，總固相體積分?jǐn)?shù)1％～4％。

試驗(yàn)井段該同心驅(qū)水力振蕩器應(yīng)用井段808～3 152 m，單套工具入井101 h，循環(huán)88 h，進(jìn)尺2 344 m，滑動(dòng)118 m。該井段機(jī)械鉆速34.22 m/h，滑動(dòng)行程鉆速8.68 m/h，單根工具累計(jì)應(yīng)用平均進(jìn)尺13 608 m，平均壽命919 h。

而在同等試驗(yàn)條件下，常規(guī)水力振蕩器工具應(yīng)用井段809～3 191 m，單套工具入井149 h，循環(huán)121 h，進(jìn)尺2 382 m，滑動(dòng)217 m，該井段機(jī)械鉆速25.61 m/h，滑動(dòng)行程鉆速6.61 m/h，單根工具累計(jì)應(yīng)用平均進(jìn)尺9 897 m，平均壽命721 h。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：同心驅(qū)水力振蕩器能夠完全滿足一般環(huán)境下的鉆井技術(shù)要求，并且能大幅提高鉆井效率；相同條件下較常規(guī)水力振蕩器的平均機(jī)械鉆速提高33.62%，工具平均使用壽命延長(zhǎng)27.46%。

5 結(jié)論及建議

（1）在同心驅(qū)水力振蕩器的工作過(guò)程中，鉆井液會(huì)對(duì)閥盤(pán)系統(tǒng)產(chǎn)生沖蝕磨損，尤其是在動(dòng)靜閥盤(pán)的交界處；過(guò)流面積的變化會(huì)對(duì)沖蝕速率產(chǎn)生影響，隨著過(guò)流面積減小鉆井液對(duì)閥盤(pán)系統(tǒng)的沖蝕速度會(huì)逐漸升高。

（2）對(duì)比3種動(dòng)、靜閥盤(pán)的優(yōu)化方式，發(fā)現(xiàn)對(duì)動(dòng)、靜閥盤(pán)同時(shí)進(jìn)行倒角時(shí)，所產(chǎn)生的沖蝕速率最小，優(yōu)化效果最好。

（3）同心驅(qū)水力振蕩器可以滿足一般環(huán)境下的鉆井技術(shù)要求，具有良好的應(yīng)用前景。建議加強(qiáng)同心驅(qū)水力振蕩器的研究并進(jìn)行深入的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，同時(shí)應(yīng)結(jié)合我國(guó)不同區(qū)域油氣田井身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行相應(yīng)尺寸的工具研發(fā)，為我國(guó)油田低成本開(kāi)發(fā)提供技術(shù)參考。

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第一作者簡(jiǎn)介：雷中清，高級(jí)工程師，生于1982年，2012年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油礦場(chǎng)機(jī)械專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事鉆井提速工具及技術(shù)研究工作。地址：（300280）天津市濱海新區(qū)。email：lzqhy@163.com。