井下水力增壓器的研制與工作性能分析

黃壯，宋順平，李小鵬，夏成宇，黃和祥，許煒，何宇航

(1.長江大學機械工程學院,湖北荊州 434023；2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，陜西西安 710016)

0 前言

為了提高水力噴砂射孔技術的射流壓力，本文作者在井下增壓鉆井技術的基礎上設計了能應用于水力噴砂射孔的井下水力增壓器。在井下水力增壓器中，活塞的運動是決定增壓器實現能量轉換、獲得高壓射流的關鍵。因此，針對活塞運動過程的研究對井下水力增壓器的性能好壞和增壓效率具有重要的意義。

自20世紀90年代以來，井下增壓技術開始了長足的發(fā)展，國內外研究者們先后研制了各種基于不同原理的井下增壓裝置，并對其增壓性能進行了大量的研究。但這些研究往往只分析活塞加壓過程對增壓器增壓效果的影響，忽略活塞回程時引起的變化，對增壓器性能的分析不全面。針對上述問題，本文作者根據井下水力增壓器活塞正反行程中流體實際運動情況建立相應的流體域模型，利用Fluent動網格技術研究增壓器在工作過程中的工作性能，并分析增壓器工作頻率與固有頻率之間的關系，通過試驗驗證該裝置的可行性，以期為后續(xù)增壓器的進一步優(yōu)化設計提供依據。

1 井下水力增壓器工作原理

如圖1所示，井下水力增壓器主要由輸入流道、輸出流道、換向導桿、換向塊、活塞、擋塊、單向閥、高壓流道等部分組成。在工作過程中，該裝置由液體提供動力，通過換向塊的移動控制活塞上下腔與不同流道的連通，以改變活塞上下兩端的壓力差，將液體的壓力能轉化為活塞往復運動的機械能，將部分液體增壓至超高壓，然后帶動磨料沖擊套管、水泥環(huán)以及地層巖石，實現水力噴砂射孔技術井下增壓的目的；其余液體則從低壓流道流出，起到清洗井底巖屑的作用。

圖1 井下水力增壓器基本結構

2 工作性能分析

2.1 理論控制模型

2.1.1 動網格控制模型

活塞的運動會引起活塞腔流域形狀的改變，這種變化的流場是動邊界流場的基本形式，因此需要應用動網格技術。利用動網格技術計算活塞腔流域需要考慮動邊界移動的影響，列表達式如下：

(1)

式中：為通用變量；為控制體積，m；為液體密度，kg/m；?為控制體積的邊界；為動網格邊界移動速度，m/s；為速度矢量，m/s；為源項；為擴散系數。

2.1.2 活塞運動UDF編譯

為了清楚描述活塞在活塞腔中的運動過程并獲得準確的計算結果，需要利用UDF編譯活塞在活塞腔中的運動函數?；钊诨钊恢械倪\動主要由活塞兩端的壓力以及自身的重力產生，每個時刻的加速度由上個時刻的迭代產生，可得活塞增壓過程中第個迭代時間步長內加速度函數為

(2)

活塞復位過程中第個迭代時間步長內加速度函數為

(3)

式中：()為第個迭代時間步長內活塞運動的加速度，m/s；和分別為活塞上側的邊界上第個網格的壓力(MPa)和面積(m)；和分別為活塞下側的邊界上第個網格的壓力(MPa)和面積(m)。

第個迭代時間步長內速度公式為

()=(-1)+()Δ

(4)

式中：()為第個迭代時間步長內活塞運動速度，m/s；Δ為每一步迭代的時間步長，s。

在每次迭代的時間步長內，Fluent先計算UDF函數中的加速度，然后將加速度值傳遞給Fluent求解器，以求解每一步迭代中的邊界運動速度值。

2.2 增壓行程仿真分析

2.2.1 活塞腔增壓模型和網格劃分

為了精確分析活塞增壓行程中增壓器的增壓特性，根據增壓器基本結構和增壓行程中流體流動方式建立活塞腔流體域增壓模型。該流體域模型尺寸如下：初始段液體長度為10 mm，活塞的厚度為50 mm，活塞行程為500 mm，活塞腔的直徑為66 mm，活塞桿的直徑為56 mm，活塞腔的入口面積為3.42×10m，活塞腔的出口面積為5.03×10m。將流體域模型導入Fluent中，為提高網格質量，網格劃分時采用六面體結構化網格和O形切分，且流體域網格邊界之間采用Interface配對進行數據傳遞，最終形成如圖2所示的六面體結構化網格。

圖2 活塞腔流體域增壓模型

2.2.2 邊界條件及動網格更新

將流體域模型填充液態(tài)水，且將其置于大氣壓環(huán)境中，根據輸入壓力技術要求和流體流動方式，將活塞腔上端入口面設置為壓力入口，總壓設為30 MPa，靜壓設為0.1 MPa，將出口面設置為壓力出口，出口壓力設為0.1 MPa。計算條件設置采用Simple算法，迭代時間步長取0.000 005 s，迭代步數取6 000步。動網格設置采用動態(tài)層更新法實現活塞腔網格更新，并選用常值比例法進行網格層的分割。

2.2.3 增壓過程仿真結果分析

圖3為增壓行程中不同時刻活塞腔壓力云圖?？芍?增壓行程中活塞下腔的壓力變化可以分為起始段和穩(wěn)態(tài)段。在起始段，活塞上腔的壓力比活塞下腔大，由此形成壓差，該壓差推動活塞下行，并對活塞下腔的液體加壓，從而導致活塞下腔的壓力升高。隨后由于噴嘴憋壓的影響，噴嘴處也建立起壓力，因此隨著活塞繼續(xù)下移，活塞下腔的壓力逐漸趨于穩(wěn)定。在穩(wěn)態(tài)段，其壓力均值約為103 MPa，活塞下腔的壓力從0.015 s后開始進入穩(wěn)態(tài)段。

圖3 增壓行程中不同時刻活塞腔壓力云圖

為了清楚分析增壓行程中噴嘴處流體出射速度變化規(guī)律，提取如圖4所示的噴嘴處向流體出射速度云圖進行研究?？芍?增壓行程中噴嘴處流體出射速度隨時間呈現出先增大后逐漸趨于穩(wěn)定的運動規(guī)律，同時越靠近噴嘴中心區(qū)域其流體出射速度越大。在穩(wěn)態(tài)段，向流體出射速度穩(wěn)態(tài)均值約為460 m/s，其出射速度在0.02 s附近進入穩(wěn)態(tài)段。

圖4 增壓行程中不同時刻噴嘴處流體速度云圖

2.3 復位行程仿真分析

2.3.1 活塞腔復位模型網格劃分和邊界條件設置

為了精確分析活塞復位行程中增壓器的各項特性，根據增壓器基本結構和復位行程中流體流動方式建立活塞腔流體域復位模型。如圖5所示，在復位模型中，初始段液體長度為40 mm，活塞腔入口面積為1.54×10m，活塞腔的出口1面積為5.03×10m、出口2面積為1.26×10m；復位行程仿真設置與增壓行程仿真設置一致，其中，邊界條件設置中，壓力入口總壓設為30 MPa，靜壓設為0.1 MPa，壓力出口1和壓力出口2均設為0.1 MPa。

圖5 活塞腔流體域復位模型

2.3.2 復位過程仿真結果分析

圖6為復位行程中不同時刻活塞腔壓力云圖?？芍簭臀恍谐讨谢钊坏膲毫ψ兓部梢苑譃閮蓚€階段，起始段和穩(wěn)態(tài)段。在起始段，從進口進入的流體中一小部分從出口1經高壓流道從噴嘴射出，由于出口1的直徑比進口小很多，該處形成憋壓，因此大部分流體進入活塞下腔，致使活塞下腔的壓力升高。而此時活塞上腔與增壓器外部連通，壓力低，因此活塞在壓差的作用下上行。在活塞上行的過程中，活塞上腔的壓力先升高后逐漸趨于穩(wěn)定。還可以看出：活塞上腔的壓力在=0.006 s附近進入穩(wěn)態(tài)段，且穩(wěn)態(tài)壓力均值為3 MPa。

圖6 復位行程中不同時刻活塞腔壓力云圖

為了分析增壓器的工作特性，將增壓行程和復位行程的計算結果加以整理得出如圖7所示的活塞運動對增壓器增壓特性影響曲線?？芍夯钊鰤哼^程是影響增壓器增壓效果的關鍵因素，且增壓行程中活塞運動時間為0.027 2 s，復位行程中活塞運動時間為0.029 3 s。分析圖7(a)可知：與復位行程相比，增壓行程中活塞運動的速度略大，活塞運動速度進入穩(wěn)定所用的時間越短。分析圖7(b)可知：增壓行程中經過增壓后的高壓流體穩(wěn)態(tài)速度出射均值為352 m/s，復位行程中流體穩(wěn)態(tài)速度出射均值為190 m/s，且在復位行程中流體出射速度在=0.002 5 s附近進入穩(wěn)態(tài)段。分析圖7(c)可知：增壓行程中經過增壓后的流體穩(wěn)態(tài)壓力均值為103 MPa，復位行程中由于活塞上腔與增壓器外界連通，所以活塞上腔壓力低，其壓力均值為3 MPa。

圖7 活塞運動過程對增壓器增壓性能的影響

通過上述分析可知:所設計的井下水力增壓器在增壓行程中可以將部分流體加壓至103 MPa，高壓流體出射速度可達352 m/s，基本能夠實現利用高壓流體混合磨料進行噴砂射孔壓裂作業(yè);在回程過程中，噴嘴處流體出射速度均值為190 m/s，噴射時間長，噴射穩(wěn)定，具備良好的混砂效果。

2.4 增壓器模態(tài)分析

井下水力增壓器在工作過程中，活塞的往復運動會引起增壓器腔體的軸向振動，其工作頻率主要受到活塞行程長度影響。為避免增壓器的工作頻率和其固有頻率重合而引起共振現象進而影響增壓器的使用壽命，需要對井下水力增壓器的固有頻率進行分析，同時也為井下水力增壓器的行程設計提供理論依據。

在進行增壓器模態(tài)分析時，考慮到增壓器實際工況，對增壓器的上端面施加固定約束，下端看作自由端，并對增壓器材料性能參數進行如下定義：增壓器選用40CrNiMo材料，彈性模量=2.09×10Pa，泊松比=0.29，材料的密度=7 870 kg/m。在實際應用中，低階模態(tài)的影響往往比高階模態(tài)要大，此次主要計算增壓器前6階固有頻率。計算結果如表1和圖8所示。

表1 增壓器前6階固有頻率

圖8 增壓器前6階振型

3 增壓器地面試驗

為驗證井下水力增壓器設計的可行性，在地面對增壓器進行了功能性試驗。井下水力增壓器地面測試裝置如圖9所示。試驗過程中，泵進出水閥門被打開，離心泵將儲水箱的水輸送至增壓器，增壓器開始工作;隨后，增壓器產生的高壓脈沖射流從噴嘴射出并沖擊凹槽擋板，最后回彈至蓄水池2中;增壓器低壓流體則從低壓出口流入蓄水池1中，兩個蓄水池的水通過回水管流入流砂箱，經流砂箱過濾后流入儲水箱。

圖9 井下水力增壓器地面測試裝置示意

此次試驗采用清水作為試驗介質，分別用泵排量為5.5 L/s、泵壓為1.8 MPa以及泵排量為7.6 L/s、泵壓為2.7 MPa的離心泵進行試驗，試驗現場如圖10所示。通過試驗可知：井下水力增壓器運行穩(wěn)定，增壓器噴嘴出口明顯可見高壓脈沖射流，驗證了井下水力增壓器的可行性，實現了水力噴砂射孔技術井下增壓的目的。

圖10 井下水力增壓器地面試驗

4 結論

(1)結合井下增壓技術與水力噴砂射孔技術研制了井下水力增壓器，通過地面試驗可知，該裝置運行穩(wěn)定，未出現卡死的現象，能夠實現井下增壓的目的。

(2)在活塞運動單一行程中，活塞運動速度、噴嘴處的流體出射速度、活塞腔流體壓力均隨時間呈現出先增大后逐漸趨于穩(wěn)定的規(guī)律。

(3)仿真分析表明：井下水力增壓器可以將部分液體壓力加壓至100 MPa以上，流體出射速度提升至350 m/s以上，增壓可靠，且該裝置工作頻率與固有頻率不重合，不會引起共振，工作性能良好，能有效應用于水力噴砂射孔技術中。