一種滑閥式水力振蕩器滑閥分析與優(yōu)化

張志強 梅紅山

摘要：該文針對滑閥式水力振蕩器的滑閥結(jié)構(gòu)進行研究，分別分析了最小過流面積、滑閥流道形狀等方面對振蕩器性能的影響。對現(xiàn)有滑閥組進行結(jié)構(gòu)改進并通過對滑閥組進行CFD模擬分析，在滿足要求的壓降范圍內(nèi)，對滑閥組的閥口形狀、流道口傾斜角度進行分析，確定滑閥運動規(guī)律及行程。該文認為，在標定的工作情況下，在閥口底部開5個直徑為10mm的小孔，側(cè)壁流道口形狀為圓槽形，流道開口傾斜角度為15°時，滑閥運動規(guī)律為正弦函數(shù)，行程為60mm，產(chǎn)生的壓降范圍0.172～4.81MPa，是較為理想的工作狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：水力振蕩器滑閥 ? CFD模擬結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：TE921文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2021）11（c）-0000-00

Abstract： This paper studies the slide valve structure of slide valve hydraulic oscillator， and analyzes the effects of minimum flow area and slide valve channel shape on the performance of the oscillator. The structure of the existing slide valve group is improved， and through the CFD simulation analysis of the slide valve group， within the required pressure drop range， the valve port shape and channel port inclination angle of the slide valve group are analyzed to determine the motion law and stroke of the slide valve. The analysis shows that under the calibrated working condition， five small holes with a diameter of 10mm are opened at the bottom of the valve port structure， the shape of the side wall channel port is circular groove， the inclination angle of the channel is 15 °， and the valve port length is 40mm， the motion law of the slide valve is sinusoidal function， the stroke is 60mm， and the pressure drop range is 0.172 ～ 4.81 MPa， which is an ideal working state.

Key Words： Hydraulic oscillator; Slide valve; CFD simulation; Structural optimization

在對深井、水平井和大位移井鉆井時，鉆桿柱不可避免要與井壁接觸，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。托壓現(xiàn)象不僅影響鉆井速度，嚴重時還會造成鉆頭空轉(zhuǎn)。水力振蕩器是常用的井下振動減阻工具之一，對托壓現(xiàn)象有良好的改善作用。目前，水力振蕩器的脈沖單元主要采用盤閥結(jié)構(gòu)，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[1-2]。

1滑閥式水力振蕩器的工作原理

不同于傳統(tǒng)盤閥水力振蕩器，滑閥式水力振蕩器的閥門系統(tǒng)采用滑閥系統(tǒng)，其裝配圖如圖1所示。

滑閥式水力振蕩器的工作原理是，鉆井液從上接口進入，驅(qū)動螺桿馬達轉(zhuǎn)動，螺桿馬達驅(qū)動軌道軸心桿轉(zhuǎn)動，軌道軸心桿上有軌道槽，能將軌道軸心桿的圓周運動轉(zhuǎn)換為動滑閥的周期性往復運動。動滑閥的周期性運動會使滑閥系統(tǒng)的過流面積周期性改變，從而產(chǎn)生周期性的壓力脈沖。周期性壓力脈沖會反饋到振蕩短節(jié)的活塞，使得振蕩短節(jié)的活塞和碟簧產(chǎn)生周期性的軸向運動，進而形成振蕩[3-4]。

該文研究的滑閥式水力振蕩器的相關(guān)參數(shù)為：外徑為172mm;通入的鉆井液流量為27L/s;鉆井液密度為1100kg/m3;施加的鉆壓為80kN;工作頻率為16Hz;工作壓降為4.5MPa;振幅為4.5mm。

2 滑閥組流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1最小過流面積

相較于普通的盤閥結(jié)構(gòu)，滑閥能有效地避免端面接觸所帶來的端面磨損問題，但滑閥系統(tǒng)的運動靠軌道軸心桿來實現(xiàn)，并且軌道存在運動磨損。這使得動滑閥行程會隨著軌道的磨損發(fā)生改變，進而導致過流面積變化規(guī)律不及預期，在極端情況下會產(chǎn)生憋壓的情況，使得滑閥不能正常產(chǎn)生壓力脈沖。為避免這種情況的發(fā)生，需要對滑閥系統(tǒng)設(shè)定一個最小過流面積。該文通過對定滑閥底部開設(shè)多個直徑為10mm的小孔的方式來保障最小過流面積不受動滑閥運動的影響。

滑閥組的最大壓降、最小壓降是振蕩器振蕩性能主要影響因素。該文為分析最小過流面積對振蕩器工作性能的影響，分別對小孔數(shù)量為3、4、5、6的滑閥閥組的流道模型進行建模，并導入到CFD軟件進行網(wǎng)格劃分，得到網(wǎng)格模型。

由于滑閥組動閥是處在一個持續(xù)運動的狀態(tài)，因此要在動閥邊界設(shè)置動網(wǎng)格來保證網(wǎng)格模型進行迭代。通過UDF定義動網(wǎng)格運動規(guī)律，并在閥口流道與動網(wǎng)格相交面處設(shè)置交界面。設(shè)置瞬態(tài)計算，流動介質(zhì)為水，計算模型為2階標準k-epsilon模型，進口為流量進口，為27L/s;出口為壓力出口，壓強為標準大氣壓強[5]。

通過CFD仿真得到不同小孔數(shù)量下的滑閥組最大壓降、最小壓降以及工作壓降，根據(jù)仿真結(jié)果繪制在一個周期T內(nèi)，不同小孔數(shù)量的閥組結(jié)構(gòu)的壓力脈沖波形圖如圖2所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可以看到，當定閥底部的小孔數(shù)量增加，會導致壓降的降低，并且小孔數(shù)量的改變對滑閥組的最高壓降影響較大，而對滑閥組的最低壓降影響較小。

2.2 定滑閥側(cè)壁開孔口形狀

已知滑閥組的工作壓降為最大壓降與最小壓降的差值，且最大壓降的值基本與側(cè)壁的流道結(jié)構(gòu)無關(guān)，其主要取決于底部小孔的過流面積;而最小壓降值則由底部小孔與側(cè)壁上的流道一同控制。

水力振蕩器的振幅取決于工作壓降的大小，在工作壓降的取值范圍內(nèi)，工作壓降越大，水力振蕩器的振幅越明顯，降摩減阻效果越好，因此可通過提高閥組的最大壓降或降低最小壓降來增加工作壓降。但是當最大壓降值升高時，水力振蕩器的整體最高壓降也會升高，不利于鉆井工作;而降低最小壓降，使水力振蕩器的整體最低壓降減小，基本不會影響鉆井工作。因此，可通過減小最小壓降來增大工作壓降。由于改變最小過流面積會改變滑閥組的最大壓降，因此，主要針對側(cè)壁流道進行優(yōu)化[6]。

現(xiàn)有的立閥式水力振蕩器，流道口形狀為矩形?？紤]到流體流動特性，該文將流道口形狀改為圓槽形，并通過CFD模擬，分析流道口形狀對滑閥組最低壓降的影響。流道口形狀的平面展開圖如圖3所示。原矩形尺寸為L=40mm，H=17.85mm，在閥口面積不變且流道口長度尺寸不變的前提下，則圓槽形流道口尺寸為R=10mm，L=20mm。

基于上文仿真方法，對不同流量下，不同流道口形狀的閥組流道模型進行分析，得到在流量為25L/s、27L/s、30L/s、33L/s、35L/s時，圓槽形和矩形流道口的最小壓降，根據(jù)仿真結(jié)果，可以得到閥組最低壓降與不同流道口形狀之間的規(guī)律，如圖4所示。

可以得出，不同流道口形狀的改進滑閥組結(jié)構(gòu)的最低壓降不同，其中流道口形狀為圓槽形能夠起到降低最小壓降的作用。

3結(jié)語

（1）當定滑閥底部的小孔數(shù)量增加，即最小過流面積增加，會導致工作壓降的降低，并且小孔數(shù)量的改變對滑閥組的最高壓降影響較大，而對滑閥組的最低壓降影響較小。

（2）不同流道口形狀會影響滑閥組最低壓降，其中圓槽形流道口滑閥組相較于矩形流道口滑閥組的最低壓降更小。

參考文獻

[1] 沈楠，錢利勤，馮定，等.一種立閥結(jié)構(gòu)水力振蕩器的研制與分析[J].長江大學學報：自科版，2018，15（11）：64-66，8.

[2] 裴學良，張輝，趙傳偉.水力脈沖軸向振蕩減摩鉆井技術(shù)分析[J].石油礦場機械，2020，49（5）：42-48.

[3] 黃新宇，陳維.一種滑閥式水力振蕩器設(shè)計及脈沖壓力波形分析[J].科技創(chuàng)新導報，2021，18（3）：42-46.

[4] 馬英文，崔國杰，高科超，等.水力振蕩器減阻效果研究[J].石化技術(shù)，2020，27（12）：123-124.

[5] 倪華峰，李國宏.基于滑移網(wǎng)格技術(shù)的振蕩器脈沖壓力數(shù)值模擬[J].石油機械，2020，48（4）：31-36.

[6] 趙傳偉.自激式水力振蕩器的優(yōu)化設(shè)計[J].天然氣工業(yè)，2021，41（2）：132-139.