非周期耦合式連續(xù)管減阻器設(shè)計(jì)*

張瑞萍，陳 強(qiáng)，竇益華，于 洋，鄭 杰

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710000）

0 引言

連續(xù)管在水平井鉆進(jìn)過(guò)程中剛度小、易屈曲、不旋轉(zhuǎn)，引起摩阻過(guò)大甚至“鎖死”。連續(xù)管技術(shù)在水平井內(nèi)的作業(yè)優(yōu)勢(shì)明顯，用處愈來(lái)愈廣泛[1]。但由于連續(xù)管的尺寸小、柔性大、不易旋轉(zhuǎn)和加壓困難，與井壁間的摩擦阻力過(guò)大，導(dǎo)致鉆頭鉆壓不足[2－3]。連續(xù)管在注入壓力和井壁摩阻的作用下入井時(shí)，容易產(chǎn)生連續(xù)管屈曲現(xiàn)象，無(wú)法突破連續(xù)管的“鎖死點(diǎn)”，因此限制了連續(xù)管在水平井中的應(yīng)用[4－7]。為克服上述難點(diǎn)，可配制連續(xù)管減阻器，使連續(xù)管與井壁間的摩擦力明顯減小，機(jī)械鉆速提高，作業(yè)周期縮短，連續(xù)管鉆井效率提高，延長(zhǎng)連續(xù)管在水平井的鉆進(jìn)位移[8]。

按照振動(dòng)源是否為周期性振動(dòng)，將連續(xù)管減阻器分為周期性振動(dòng)減阻器和非周期性振動(dòng)減阻器。周期性振動(dòng)減阻器一般為機(jī)械式減阻器，其利用井內(nèi)流體或者其他動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置，輸出周期性振動(dòng)或沖擊力。RF－Rogaland Research公司研發(fā)的一種機(jī)械式減阻器，其工作原理為鉆井液流入液缸，迫使振蕩部分發(fā)生軸向位移，到達(dá)極限位置后，液缸泄壓使振蕩部分回到初始位置，不斷循環(huán)上述運(yùn)動(dòng)減阻器產(chǎn)生周期性軸向振動(dòng)[9]。Thru Tubing Solutions公司和Ander Gauge公司研發(fā)的機(jī)械式減阻器，其工作原理主要由閥、心軸和碟形彈簧協(xié)作產(chǎn)生壓差，實(shí)現(xiàn)減阻器周期性的軸向振動(dòng)[10－11]。覃光芬[12]介紹了一種新型機(jī)械式減阻器，主要由渦輪、凸輪和振動(dòng)短節(jié)等組成，流體驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由聯(lián)軸器把動(dòng)能傳遞給凸輪，凸輪驅(qū)動(dòng)振動(dòng)短節(jié)做周期性振動(dòng)。周期性振動(dòng)減阻器的機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且受流體性質(zhì)限制，研究人員提出用井內(nèi)流體誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的非周期性振動(dòng)減阻器。

非周期性減阻器一般又稱(chēng)為水力式減阻器，其依據(jù)流體力學(xué)原理，設(shè)計(jì)一種可改變流體壓力的特殊通道，激發(fā)流體在通道內(nèi)振動(dòng)。National Oilwell Varco公司研發(fā)的E－line Agitator水力式減阻器，其工作原理為流體驅(qū)動(dòng)動(dòng)力短節(jié)，通過(guò)改變盤(pán)閥短節(jié)內(nèi)流道截面積，產(chǎn)生壓力脈沖，驅(qū)動(dòng)激振體產(chǎn)生非周期振動(dòng)[13]。國(guó)內(nèi)研發(fā)的一種水力振蕩器，其中變流閥和動(dòng)力部分構(gòu)成徑向振動(dòng)器，產(chǎn)生液壓脈動(dòng)作用于軸向振動(dòng)器（活塞、碟簧和心軸），使得該水力振蕩器能夠發(fā)生徑向、軸向的非周期振動(dòng)[14－15]。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)和研究表明：周期性振動(dòng)減阻器工作時(shí)連續(xù)管內(nèi)流體必須達(dá)到閥值，否則無(wú)法驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)工作，而非周期性振動(dòng)減阻器靠特殊流道誘發(fā)流體與結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)而達(dá)到減阻目的，具有易發(fā)生和工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)基于流體力學(xué)中附壁效應(yīng)、卡門(mén)渦街效應(yīng)，設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、振動(dòng)原理可靠的非周期流體振動(dòng)腔室，即附壁振動(dòng)腔室和渦街振動(dòng)腔室。附壁振動(dòng)腔室設(shè)計(jì)中采用了仿生“蝸殼”設(shè)計(jì)方案，渦街振動(dòng)腔室設(shè)計(jì)中采用了非均布、多列繞流柱體設(shè)計(jì)。周期機(jī)械振動(dòng)模塊產(chǎn)生的軸向振動(dòng)與非周期流體振動(dòng)模塊產(chǎn)生的軸向振動(dòng)發(fā)生耦合，提供減阻器減阻的主要?jiǎng)恿?；非周期流體振動(dòng)模塊中附壁振動(dòng)腔室與渦街振動(dòng)腔室各自激發(fā)的徑向振動(dòng)耦合，提供了減阻器減阻的輔助動(dòng)力；減阻器軸向振動(dòng)與徑向振動(dòng)的耦合效應(yīng)，提高了減阻器綜合減阻效果。

1 非周期耦合式連續(xù)管減阻器方案

“非周期耦合式連續(xù)管減阻器”主要利用“周期機(jī)械振動(dòng)模塊”和“非周期流體振動(dòng)模塊”各自激發(fā)的振動(dòng)進(jìn)行減阻，當(dāng)各組之間的振動(dòng)在某些時(shí)間節(jié)點(diǎn)耦合時(shí)，產(chǎn)生足夠大的瞬時(shí)沖擊力，將連續(xù)管與井壁間的靜摩擦變成滑動(dòng)摩擦，甚至使其突破“鎖死點(diǎn)”，達(dá)到減阻的目的。“非周期耦合式連續(xù)管減阻器”的設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 非周期耦合式連續(xù)管減阻器設(shè)計(jì)思路

非周期，是指減阻器中2個(gè)非周期流體振動(dòng)腔室皆可產(chǎn)生非周期軸向、徑向振動(dòng)。耦合式，是指周期機(jī)械振動(dòng)組產(chǎn)生的軸向振動(dòng)源和非周期流體振動(dòng)組產(chǎn)生的軸向振動(dòng)源振動(dòng)耦合，非周期流體振動(dòng)組在兩個(gè)腔室產(chǎn)生的徑向振動(dòng)源振動(dòng)耦合，減阻器自身產(chǎn)生的軸向、徑向振動(dòng)兩者進(jìn)行耦合。

其中，周期性機(jī)械振動(dòng)模塊工作時(shí)，流體驅(qū)動(dòng)液壓缸產(chǎn)生軸向沖擊力，撞擊閥桿震擊振動(dòng)體，控壓閥周期性的泄壓產(chǎn)生壓差，從而產(chǎn)生軸向壓力脈動(dòng)，實(shí)現(xiàn)周期性機(jī)械振動(dòng)。本文周期機(jī)械振動(dòng)模塊只產(chǎn)生軸向振動(dòng)，作為主振動(dòng)源，而流體振動(dòng)腔室產(chǎn)生弱形式的徑向振動(dòng)，更有利于連續(xù)管克服摩阻；非周期流體振動(dòng)模塊“附壁振動(dòng)腔室”和“渦街振動(dòng)腔室”，分別采用仿生“蝸殼”和多列非均布擾流柱體的設(shè)計(jì)方案，使得流體所誘發(fā)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)更為顯著，增強(qiáng)減阻效果。

2 非周期流體振動(dòng)模塊

非周期流體振動(dòng)模塊是為本減阻器提供輔助振動(dòng)源的模塊，主要依據(jù)附壁效應(yīng)和卡門(mén)—渦街效應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在流體作用下合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使振動(dòng)效果更為顯著。

2.1 附壁振動(dòng)腔室

附壁振動(dòng)腔室主要依據(jù)流體力學(xué)中附壁效應(yīng)原理設(shè)計(jì)，由于流體流經(jīng)所設(shè)計(jì)的附壁效應(yīng)振動(dòng)腔室時(shí)，貼附于腔室表面流動(dòng)，流經(jīng)腔室的表面曲率在一直變化，流體速度和方向就會(huì)一直變化，從而誘發(fā)持續(xù)的振動(dòng)；另外，附壁振動(dòng)腔室設(shè)計(jì)中仿生“蝸殼”錐形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致腔室壓力也會(huì)發(fā)生變化，促進(jìn)附壁效應(yīng)產(chǎn)生的振動(dòng)更加強(qiáng)烈。

在許多一般規(guī)模的工程中，流道流體一般用定常伯努利方程來(lái)表達(dá)。附壁腔室內(nèi)的流動(dòng)雖屬于油管道內(nèi)流動(dòng)，但減阻器工作時(shí)振動(dòng)強(qiáng)烈，用定常伯努利方程特性無(wú)法滿(mǎn)足，所以本設(shè)計(jì)采用非定常伯努利方程。一條流道上由點(diǎn)A到點(diǎn)B的非定常伯努利方程的表達(dá)如下[16]：

式中：pl為管內(nèi)均壓；ξ與η為流阻系數(shù)；u0為管內(nèi)平均流速；為非定常項(xiàng)（具有慣性的流體因速度的劇烈變化而引起的能量損耗）。

根據(jù)非定常項(xiàng)的流動(dòng)能量損失式（2）和非定常伯努利方程式（1），推導(dǎo)出管內(nèi)流體實(shí)際流動(dòng)的能量方程如下：

利用式（3）嘗試對(duì)附壁振動(dòng)腔室內(nèi)的流體流動(dòng)進(jìn)行描述，則有：

式中：uc為管內(nèi)截面平均流速；pc為管內(nèi)平均壓力；uout為出口平均流速；pb為出口平均壓力。

基于附壁射流理論，借助三維造型軟件Autodesk In?ventor，初步設(shè)計(jì)的渦街振動(dòng)腔室如圖2所示。附壁振動(dòng)腔室設(shè)計(jì)時(shí)，未采用傳統(tǒng)的圓柱—壁面模型，而是采用仿生“蝸殼”的設(shè)計(jì)方案。仿生“蝸殼”設(shè)計(jì)的附壁振動(dòng)腔室，一方面，仿生蝸殼結(jié)構(gòu)由于曲率一直按照螺旋路徑變化，且曲率變化緩慢，這樣的結(jié)構(gòu)有利于附壁效應(yīng)的誘發(fā)；另一方面，仿生蝸殼結(jié)構(gòu)采用橡膠材料，留有內(nèi)部流道，因此，當(dāng)井內(nèi)流體進(jìn)入附壁振動(dòng)腔室后，可以沿著內(nèi)、外2個(gè)流道流動(dòng)，這樣的流道設(shè)計(jì)，有利于流體誘發(fā)結(jié)構(gòu)在某些時(shí)間節(jié)點(diǎn)發(fā)生振動(dòng)耦合。

圖2 附壁振動(dòng)腔室三維模型

2.2 渦街振動(dòng)腔室

渦街振動(dòng)腔室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依據(jù)流體力學(xué)中渦街效應(yīng)，井內(nèi)流體繞過(guò)渦街誘發(fā)柱體時(shí)，誘發(fā)柱體兩邊會(huì)間接產(chǎn)生排列規(guī)則、旋轉(zhuǎn)方向相反的漩渦，產(chǎn)生渦街振動(dòng)效應(yīng)?！皽u街振動(dòng)腔室”采用了多列非均布擾流柱體的設(shè)計(jì)方案，使得卡門(mén)渦街所誘發(fā)的振動(dòng)更為顯著，增強(qiáng)了減阻效果。流體流經(jīng)渦街誘發(fā)柱體時(shí)，非周期性地產(chǎn)生漩渦、漩渦脫落，便會(huì)激發(fā)非周期性的軸向振動(dòng)，將振動(dòng)傳遞到減阻器殼體上，達(dá)到減阻的目的。渦街振動(dòng)腔室中三柱繞流問(wèn)題屬于流固耦合問(wèn)題，其數(shù)值模擬可參考基于嵌入式迭代的浸入邊界法[17]，方程如下：

當(dāng)管內(nèi)流體流經(jīng)渦街誘發(fā)柱體時(shí)，可用下述運(yùn)動(dòng)方程來(lái)表示：

式中：t為流經(jīng)該柱體時(shí)間；u為管內(nèi)流體速度；?為流體梯度；p為管內(nèi)液體壓強(qiáng)；v為液體黏性系數(shù)；f為流體附加體積力；m為柱體質(zhì)量；y為邊界條件；c為柱體材料阻尼；k為彈簧剛度系數(shù)；F為柱體承受的軸向流體力。

基于流固耦合問(wèn)題理論，借助三維造型軟件Au?todesk Inventor，初步設(shè)計(jì)的渦街振動(dòng)腔室如圖3所示。渦街振動(dòng)腔室設(shè)計(jì)時(shí)，未采用傳統(tǒng)的單柱繞流，而是采用了更為復(fù)雜的三柱繞流模型，在三柱繞流的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)化模型，將繞流柱體分成3層，每層設(shè)置非均布柱體4個(gè)，相鄰兩個(gè)繞流柱體間在相位上相差π/2。非均布、3列繞流柱體的設(shè)計(jì)，在一定程度上極大地利用了卡門(mén)渦街的振動(dòng)特性，預(yù)期可以取得較好的流體振動(dòng)頻率，以增強(qiáng)減阻器的減阻效果。

圖3 渦街振動(dòng)腔室三維模型

3 非周期耦合式連續(xù)管減阻器結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的非周期性耦合水力誘振式連續(xù)管減阻器三維模型如圖4所示，主要由上接頭、周期機(jī)械振動(dòng)組、非周期流體振動(dòng)組和下接頭4個(gè)部分組成。流體流入周期機(jī)械振動(dòng)組液壓缸內(nèi)，流體壓力推動(dòng)活塞桿上行，儲(chǔ)能彈簧被壓縮，當(dāng)流體壓力達(dá)到閾值時(shí)，控壓閥開(kāi)啟，瞬間泄掉液壓缸內(nèi)的流體壓力，儲(chǔ)能彈簧釋放動(dòng)能，使撞擊閥桿撞擊震擊殼體，壓力泄掉之后，控壓閥關(guān)閉，循環(huán)上述震擊過(guò)程，產(chǎn)生周期性軸向振動(dòng)。

圖4 非周期耦合式連續(xù)管減阻器

流體流入非周期性流體振動(dòng)模塊，首先進(jìn)入渦街振動(dòng)腔室，流體流經(jīng)渦街誘發(fā)柱體時(shí)，非周期性地產(chǎn)生漩渦、漩渦脫落，便會(huì)激發(fā)非周期性的軸向、徑向振動(dòng)，改振動(dòng)傳遞到減阻器殼體上，達(dá)到減阻的目的。流體進(jìn)入附壁振動(dòng)腔室貼附于腔室表面流動(dòng)，流經(jīng)曲率變化處時(shí)，流體速度大小和方向便會(huì)發(fā)生變化，腔室表面曲率在一直變化，流體速度便會(huì)一直變化，誘發(fā)持續(xù)的振動(dòng)。

4 非周期流體振動(dòng)組工作過(guò)程

為了確保所設(shè)計(jì)的仿生“蝸殼”錐形結(jié)構(gòu)和非均布多列繞流柱體結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生附壁效應(yīng)和渦街效應(yīng)，并可以誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)，因此本設(shè)計(jì)對(duì)附壁振動(dòng)腔室和渦街振動(dòng)腔室進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)仿真分析，主要監(jiān)測(cè)2個(gè)腔室在工作過(guò)程中的渦量變化。

4.1 附壁振動(dòng)腔室流體仿真

附壁振動(dòng)腔室的仿真采用基于大渦模擬理論的無(wú)網(wǎng)格軟件X－Flow，該流體仿真軟件的特點(diǎn)是不需要網(wǎng)格劃分，且能模擬井下單、雙相流環(huán)境。考慮到附壁振動(dòng)腔室所建立的模型在幾何上具有較高的非線性，而使用三維流體仿真會(huì)極大地增加流體仿真建模難度，并對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存利用要求較高，耗時(shí)耗力。于是，對(duì)附壁振動(dòng)腔室的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，用二維簡(jiǎn)化模型代替原來(lái)的三維非線性幾何模型，簡(jiǎn)化建模結(jié)果如圖5所示。監(jiān)測(cè)附壁振動(dòng)腔室工作過(guò)程中渦量變化圖，如圖6所示。由圖可知，所設(shè)計(jì)的仿真蝸殼結(jié)構(gòu)在每圈蝸殼的周?chē)捌溥^(guò)渡處，渦量最大，在仿生蝸殼的上端部及下端部處，渦量變化最為顯著，并可以看到明顯的漩渦形成、堆積、脫落現(xiàn)象。綜上所述，仿生蝸殼結(jié)構(gòu)能夠誘發(fā)持續(xù)、強(qiáng)烈的附壁效應(yīng)，可以產(chǎn)生減阻器所需頻率的振動(dòng)，設(shè)計(jì)合理。

圖5 附壁振動(dòng)腔室簡(jiǎn)化模型

圖6 附壁振動(dòng)腔室渦量分布

4.2 渦街振動(dòng)腔室流體仿真

由于所設(shè)計(jì)的渦街振動(dòng)腔室中的多列繞流柱體具備對(duì)稱(chēng)性，因此將計(jì)算模型簡(jiǎn)化為二維模型進(jìn)行仿真計(jì)算。按照簡(jiǎn)化計(jì)算模型，在Ansys Workbench的DM模塊建立計(jì)算模型，建立完成渦街振動(dòng)腔室的仿真計(jì)算模型如圖7所示。

圖7 渦街振動(dòng)腔室流體仿真計(jì)算模型

設(shè)置入口邊界條件為質(zhì)量流邊界3 kg/s，設(shè)置3個(gè)繞流柱體為固定約束，其余邊界均為壁面。對(duì)設(shè)置好邊界條件的計(jì)算模型，進(jìn)行求解，得到其渦量分布如圖8所示。

圖8 渦街振動(dòng)腔室流體仿真渦量分布

圖8 表明，柱體A和B上的層間均生成旋渦，且在柱體C下方形成平行旋渦，但是兩側(cè)旋渦不穩(wěn)定，在腔室下方發(fā)生耦合，得到復(fù)雜的旋渦形狀。由于柱體A與柱體B脫落旋渦運(yùn)動(dòng)方向一致，通過(guò)漩渦疊加使得柱體B的產(chǎn)生更大的漩渦，同樣，柱體B產(chǎn)生的旋渦也會(huì)使柱體C產(chǎn)生更大漩渦，從而產(chǎn)生顯著的振動(dòng)。另外，圓柱A、B、C處的渦量均比較大，即卡門(mén)渦街效應(yīng)較為顯著，說(shuō)明渦街振動(dòng)腔室可以誘發(fā)流體振動(dòng)，該設(shè)計(jì)合理。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)利用附壁效應(yīng)、卡門(mén)渦街效應(yīng)和振動(dòng)耦合效應(yīng)等流體振動(dòng)原理，設(shè)計(jì)了一種新型連續(xù)管減阻器，利用X Flow和ANSYS Fluent軟件對(duì)減阻器進(jìn)行流體仿真分析，得到以下結(jié)論。

（1）周期機(jī)械振動(dòng)組產(chǎn)生較大的周期性軸向振動(dòng)，作為減阻器主振動(dòng)源，減阻器整體采用“弱形式徑向振動(dòng)”，更有利于減阻效果。

（2）非周期流體振動(dòng)組采用附壁效應(yīng)和渦街效應(yīng)原理，設(shè)計(jì)了仿生“蝸殼”錐形結(jié)構(gòu)和非均布多列繞流柱體結(jié)構(gòu)，有利于產(chǎn)生非周期振動(dòng)，設(shè)計(jì)2個(gè)振動(dòng)腔室，有利于兩個(gè)效應(yīng)振動(dòng)的耦合。

（3）該設(shè)計(jì)利用ANSYS Fluent和X Flow軟件進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證非周期流體振動(dòng)腔室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，仿真結(jié)果表明：附壁振動(dòng)腔室和渦街振動(dòng)腔室的渦量變化顯著，可以誘發(fā)流體結(jié)構(gòu)振動(dòng)，設(shè)計(jì)合理。