一種立閥結(jié)構(gòu)水力振蕩器的研制與分析

沈楠

(中石油長慶油田分公司第十一采油廠方山作業(yè)區(qū)，甘肅 慶陽 745000)

錢利勤，馮定，呂加華

(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

在大斜度井、水平井鉆井過程中，由于鉆柱的自重很容易產(chǎn)生托壓現(xiàn)象，不僅嚴(yán)重影響鉆井速度，更會增加鉆井風(fēng)險[1～4]。為此，國內(nèi)外專家采取各種措施解決這一問題，Kjellinge等[5]的雙作用液壓缸的減摩器，通過短距離的往復(fù)運(yùn)動產(chǎn)生振動，減小了摩擦阻力。Rasheed等[6～8]分別在文獻(xiàn)中介紹了軸向振蕩減摩器在連續(xù)管鉆井中的應(yīng)用，實(shí)踐表明油田現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。在國內(nèi)，劉志堅等[9]分析了水力振蕩器具有的功能及技術(shù)優(yōu)勢，可以有效解決鉆井過程中的托壓問題。呂加華等[10]設(shè)計了一種三維水力振蕩器，實(shí)現(xiàn)軸向以及徑向的周期振蕩，對水力振蕩器作用區(qū)間進(jìn)行了理論分析?，F(xiàn)有水力振蕩器大多使用閥盤單一，在使用過程中動閥盤和定閥盤之間相接觸，在使用過程中出現(xiàn)磨損嚴(yán)重現(xiàn)象。為此設(shè)計了一種立閥結(jié)構(gòu)水力振蕩器，采用立閥結(jié)構(gòu)，立閥中動閥和定閥之間具有一定間隙，相互之間不會出現(xiàn)摩擦現(xiàn)象，利用閥盤過流面積交錯變化產(chǎn)生壓力脈沖，實(shí)現(xiàn)鉆具與井壁或套管靜摩擦變?yōu)閯幽Σ?，從而達(dá)到降摩減阻效果。

1 方案設(shè)計

1.1 工作原理

圖1為立閥結(jié)構(gòu)水力振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖。在水平井鉆井過程中，由渦輪部分提供動力帶動渦輪軸轉(zhuǎn)動，渦輪軸上有3個流道口，呈均勻分布，流道的寬度略大于擋流盤的寬度，從而使擋流盤與渦輪軸上的流道形成動定閥關(guān)系。當(dāng)渦輪軸轉(zhuǎn)動，擋流盤與流道的位置發(fā)生交錯重合，使過流面積周期性改變，在水擊壓力的作用下產(chǎn)生周期性壓力脈沖，在振動短節(jié)作用下使振蕩短節(jié)外殼產(chǎn)生周期性軸向振動。

圖1 立閥結(jié)構(gòu)水力振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 結(jié)構(gòu)性能參數(shù)

立閥結(jié)構(gòu)水力振蕩器基本參數(shù)：工具外徑為165mm，水力振蕩器總長為4230mm，主軸半徑為35mm，流量為20～30L/s，流道口長80mm。

2 壓力脈沖關(guān)系分析

立閥結(jié)構(gòu)提速工具在工作過程中，閥口部位產(chǎn)生的壓力脈沖幅值越大，其軸向力越大。而軸向力越大則軸向振動效果越好，因此有必要分析閥口前后的壓力脈沖關(guān)系。

2.1 有限元模型

利用solidworks建立立閥結(jié)構(gòu)水力振蕩器閥口部分的流道有限元模型，在閥口部分采用滑移網(wǎng)格，并設(shè)置旋轉(zhuǎn)區(qū)域和數(shù)據(jù)交換面(見圖2)。分別設(shè)置兩端為進(jìn)口和出口，壁面處理為邊界層網(wǎng)格，并對閥口部分采取局部細(xì)化以得到更準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，其中節(jié)點(diǎn)數(shù)為59054，單元數(shù)為92716。

2.2 邊界條件的設(shè)定

在立閥前段施加入口邊界為速度入口，流體為清水，入口速度為4m/s，出口為outflow，設(shè)置滑移網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)區(qū)域的轉(zhuǎn)速為44rad/s，設(shè)置interface為旋轉(zhuǎn)區(qū)域與閥孔流道的交界面。為提高計算的準(zhǔn)確性，動量、動能、湍流動能和湍流耗散率的離散均采用二階迎風(fēng)格式，采用simple算法進(jìn)行壓力速度耦合。

3 數(shù)值仿真結(jié)果分析

當(dāng)渦輪軸轉(zhuǎn)動時，擋流盤與流道的位置發(fā)生交錯重合；當(dāng)閥口位置重合時，過流面積最小。該情況下有最大壓差，值為3.33MPa。有限元仿真結(jié)果如圖3所示。

計算得到不同閥口交錯狀態(tài)下立閥結(jié)構(gòu)水力振蕩器的壓差，穩(wěn)定后立閥結(jié)構(gòu)水力振蕩器壓降隨時間之間的變化關(guān)系曲線(圖4)。

圖3 有限元仿真結(jié)果 圖4 壓降隨時間變化曲線

從圖4可以看出，立閥結(jié)構(gòu)水力振蕩器壓降隨時間變化呈現(xiàn)周期性的改變，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢?？梢钥闯銎渲凶畲髩航禐?.5MPa，隨著過流面積的增加，壓降逐漸減小，當(dāng)過流面積最大時壓降最小，為0.001MPa。立閥結(jié)構(gòu)水力振蕩器可以形成0.001～3.5MPa的壓降，從而軸向具有較好的降摩減阻效果。

4 關(guān)鍵參數(shù)對立閥結(jié)構(gòu)水力振蕩器性能的影響

結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用情況，對工作過程中流量、流道口長度等參數(shù)對立閥結(jié)構(gòu)水力振蕩器壓降影響規(guī)律進(jìn)行了研究。在單一變量原則下，仿真過程中分別改變?nèi)肟诹髁亢土鞯揽陂L度，得到壓降隨時間變化曲線(見圖5、6)。

從圖6可以看出，增大入口流量，立閥結(jié)構(gòu)水力振蕩器的最小壓降基本相同。這是因?yàn)楫?dāng)閥口完全打開時，流體全部流過流道口，該時閥門全開，無水擊現(xiàn)象。最大壓降隨著流量的增加急劇增大，這是因?yàn)楫?dāng)閥門全關(guān)時，流道口基本無流體流入，產(chǎn)生水擊現(xiàn)象。根據(jù)水力學(xué)理論，流量的增大會使水擊壓力明顯增大，故該時最大壓降隨著流量的增大而明顯增大。同時可以看出，隨著流量的增大其變化周期縮短。這是因?yàn)樵龃罅髁繒箿u輪轉(zhuǎn)速加快，導(dǎo)致流道口流動周期縮短，擋流塊和流道口組成的閥門周期性開合頻率加快，壓降變化周期相應(yīng)就縮短了。從圖7可以看出，隨著流道口長度的減小，最大壓降呈現(xiàn)增大趨勢，并且增幅明顯。主要是由于隨著流道口長度的減小，過流面積變小，導(dǎo)致水擊壓力變大，使得壓降也隨之增大。

圖5 不同流量下壓降隨時間變化曲線 圖6 不同流道口長度下壓降隨時間變化曲線

5 結(jié)論

1)與動定平閥相比，該設(shè)計采用立閥結(jié)構(gòu)，立閥相互之間無接觸摩擦，能夠有效延長閥盤使用壽命，實(shí)現(xiàn)軸向振蕩，有效釋放井下摩阻，提高鉆井效率降低鉆井成本。

2)對立閥結(jié)構(gòu)水力振蕩器關(guān)鍵部位閥口進(jìn)行了研究，利用流體仿真軟件fluent，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)對閥口部位進(jìn)行了有限元仿真，得到壓降隨時間的變化規(guī)律。計算表明立閥結(jié)構(gòu)水力振蕩器可以形成0.001～3.5MPa的壓降。

3)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用情況，對工作過程中流量、流道口長度等參數(shù)對立閥結(jié)構(gòu)水力振蕩器壓降影響規(guī)律的研究表明，隨著流量的增大和流道口長度的減小，最大壓降呈現(xiàn)明顯增大趨勢，最小過流面積基本不變。

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