非對(duì)稱脈沖裝置內(nèi)部流動(dòng)及能量損失特性

陳琪,李偉,2*,季磊磊,路德樂(lè),潘云欣

(1. 江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2. 江蘇大學(xué)鎮(zhèn)江流體工程裝備技術(shù)研究院,江蘇 鎮(zhèn)江212009)

隨著中國(guó)規(guī)模性淺層中層石油資源枯竭,石油進(jìn)口量持續(xù)升高,對(duì)外依存度攀升,這不利于國(guó)家能源安全與發(fā)展.近年來(lái),豐富的深部、超深部地層石油資源的發(fā)現(xiàn),加速推動(dòng)中國(guó)對(duì)深井、超深井勘探技術(shù)的探索.但是,鉆探條件日益復(fù)雜,資源品位降低,導(dǎo)致鉆井過(guò)程中消耗大量的時(shí)間和能源成本,同時(shí)整個(gè)過(guò)程中存在著不同量級(jí)的風(fēng)險(xiǎn).石油勘探逐漸向地層深部發(fā)展的過(guò)程中,穩(wěn)定高效的鉆井作業(yè)顯得尤為重要[1-2].

鉆頭機(jī)械鉆速低是制約深井、超深井鉆探作業(yè)高效安全的一個(gè)重要因素.負(fù)壓脈沖輔助鉆井技術(shù)是利用調(diào)制裝置將連續(xù)流動(dòng)轉(zhuǎn)換成脈沖射流,使井底形成一定范圍的負(fù)壓脈動(dòng),可以有效改善井底圍壓環(huán)境,改善井底鉆頭及巖石的受力狀況,從而提高鉆頭機(jī)械轉(zhuǎn)速[3].文獻(xiàn)[4]將空化空蝕破壞作用引入脈沖射流裝置中,并與自振空化射流耦合,試驗(yàn)表明不同環(huán)境、多工況下裝置的適應(yīng)性較好,裝置性能穩(wěn)定,機(jī)械鉆速明顯提高.負(fù)壓脈沖輔助鉆井技術(shù)的優(yōu)越性在實(shí)踐中已得到大量驗(yàn)證[5].但是,目前脈沖裝置調(diào)制的井底流場(chǎng)大多屬于均勻?qū)ΨQ流場(chǎng),不能充分發(fā)揮脈沖射流裝置的性能.

非對(duì)稱脈沖射流裝置對(duì)進(jìn)一步提高井底清巖速度和鉆井效率具有重要意義.謝翠麗等[6]對(duì)非對(duì)稱多噴嘴平底鉆頭井底三維流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)非對(duì)稱布置改善了井底流動(dòng)狀況.張建秀[7]研究了一種基于科安達(dá)效應(yīng)的非對(duì)稱脈沖調(diào)制裝置,發(fā)現(xiàn)隨著巖樣的強(qiáng)度增大,非對(duì)稱脈沖射流較普通直射流巖樣滲透率顯著提高.但是,目前對(duì)非對(duì)稱脈沖射流裝置的能量損失研究相對(duì)較少,并未充分發(fā)揮裝置的性能.對(duì)于調(diào)制高效穩(wěn)定的非對(duì)稱井底流場(chǎng)的技術(shù)研究依然不成熟.

文中利用計(jì)算流體力學(xué)方法研究一種非對(duì)稱脈沖射流裝置,基于熵產(chǎn)理論分析非對(duì)稱脈沖射流裝置各個(gè)部件能量損失規(guī)律,揭示葉輪和盤(pán)閥間隙對(duì)裝置的性能影響,為高效非對(duì)稱脈沖射流裝置設(shè)計(jì)提供理論參考.

1 熵產(chǎn)理論

(1)

(2)

(3)

在數(shù)值計(jì)算方法中,脈動(dòng)速度分量引起的熵產(chǎn)率不可直接獲取.將湍流模型中湍流耗散率ε與脈動(dòng)速度分量產(chǎn)生的熵產(chǎn)率建立聯(lián)系[8-9],由脈動(dòng)速度引起的局部熵產(chǎn)率計(jì)算式為

(4)

由于在計(jì)算近壁面區(qū)域時(shí)熵產(chǎn)存在較大誤差,引入壁面熵產(chǎn)求解方法,即

(5)

式中:τ為壁面切應(yīng)力,Pa;vo為近壁面速度,m/s.

2 裝置的結(jié)構(gòu)與數(shù)值模擬

2.1 裝置結(jié)構(gòu)和工作原理

非對(duì)稱脈沖射流裝置主要由導(dǎo)流塊、水動(dòng)力葉輪、軸承、軸、動(dòng)/靜盤(pán)閥6部分構(gòu)成,如圖1所示.

圖1 裝置的基本結(jié)構(gòu)

圖1b左邊為初始葉輪,其采用導(dǎo)流塊正沖形式,旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針.右邊為新型軸流葉輪,其采用導(dǎo)流塊反沖形式,旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?2種水動(dòng)力葉輪外徑為76 mm,葉片數(shù)均為4,其中,初始葉輪輪轂最大直徑為16 mm,新型軸流葉輪輪轂最大直徑為30 mm.裝置最大通流面積為0.004 9 m2.動(dòng)盤(pán)閥、靜盤(pán)閥選取最優(yōu)通道數(shù)組合分別為3通道和5通道.其工作原理:高壓水由裝置入口流經(jīng)導(dǎo)流塊產(chǎn)生高速流動(dòng)的流體,流體沖擊葉片帶動(dòng)水動(dòng)力葉輪旋轉(zhuǎn),并通過(guò)連接軸驅(qū)動(dòng)動(dòng)盤(pán)閥低速旋轉(zhuǎn),利用動(dòng)盤(pán)閥通道與靜盤(pán)閥孔口的匹配關(guān)系,在出口處產(chǎn)生瞬時(shí)非均勻的脈沖射流,井底處形成二次正態(tài)分布的非均勻流場(chǎng).從而大幅度提高流體的集中沖擊強(qiáng)度和減少井底“壓持效應(yīng)”,使井底攜巖效率和鉆頭機(jī)械鉆速大幅度提升.

2.2 數(shù)值模擬

文中采用商用軟件ANSYS-ICEM對(duì)計(jì)算域復(fù)雜的進(jìn)口區(qū)域水體和葉輪區(qū)域水體行了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分并局部加密,同時(shí)對(duì)軸承區(qū)域水體、過(guò)渡區(qū)域水體和動(dòng)靜盤(pán)閥區(qū)域水體進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,如圖2所示.

圖2 裝置水體網(wǎng)格劃分

考慮到盤(pán)閥間隙處大小不等,間隙處網(wǎng)格層數(shù)不低于10層,由于間隙處網(wǎng)格單元寬度較小,應(yīng)保證網(wǎng)格長(zhǎng)寬比例在合適范圍內(nèi),最大不超過(guò)3∶1,動(dòng)盤(pán)閥和靜盤(pán)閥交界面處盡可能控制網(wǎng)格大小相似,網(wǎng)格數(shù)從800萬(wàn)至1 000萬(wàn).最終網(wǎng)格質(zhì)量均在0.4以上,經(jīng)過(guò)網(wǎng)格檢查,計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格的質(zhì)量達(dá)到計(jì)算要求.利用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX對(duì)非對(duì)稱脈沖射流裝置進(jìn)行全流場(chǎng)數(shù)值模擬.采用半經(jīng)驗(yàn)性的雙方程標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬,二階迎風(fēng)格式求解.假設(shè)流體介質(zhì)為不可壓縮的25 ℃水.在計(jì)算域上,進(jìn)口設(shè)置為質(zhì)量流量32 kg/s,出口設(shè)置為自由出流,無(wú)滑移壁面條件.考慮到新型軸流葉輪與初始葉輪在設(shè)計(jì)工況下具有相似的扭矩,葉輪域轉(zhuǎn)速均為最優(yōu)設(shè)計(jì)工況下的60 r/min.

3 結(jié)果與分析

3.1 2種水動(dòng)力葉輪的裝置性能及能量損失特性

3.1.1 2種水動(dòng)力葉輪下裝置的性能

水動(dòng)力葉輪是非對(duì)稱脈沖射流裝置的核心驅(qū)動(dòng)部件,不同形式的葉輪對(duì)裝置穩(wěn)定高效運(yùn)行具有重要意義.新型軸流葉輪與初始葉輪在設(shè)計(jì)工況下具有相似的驅(qū)動(dòng)力.圖3為新型軸流葉輪和初始葉輪下非對(duì)稱脈沖射流裝置單孔出口處壓力pout和速度v變化.

圖3 動(dòng)盤(pán)閥轉(zhuǎn)動(dòng)角度與出口壓力和速度關(guān)系曲線

由圖3可以看出,在單個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi),動(dòng)盤(pán)閥每旋轉(zhuǎn)120°單個(gè)孔口形成一個(gè)水力脈沖,速度和壓力達(dá)到一次最大值.其原因是動(dòng)盤(pán)閥三通道和靜盤(pán)閥單孔口在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)完全契合3次.當(dāng)靜盤(pán)閥孔口與動(dòng)盤(pán)閥通道完全契合時(shí),壓力與速度達(dá)到極大值.采用初始葉輪裝置的最大脈沖速度達(dá)到47.58 m/s,最大壓力脈沖幅值為1.08 MPa.采用新型軸流葉輪裝置的最大脈沖速度達(dá)到47.22 m/s,最大壓力脈沖幅值為1.07 MPa.在單個(gè)周期內(nèi),2種形式的葉輪對(duì)出口處壓力和速度波動(dòng)相似,脈沖幅值變化幅度相似.可以得出,葉輪處的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)鉆孔出口處的影響較小.

3.1.2 2種水動(dòng)力葉輪下裝置能量損失特性

傳統(tǒng)的基于壓降計(jì)算的井底脈沖射流裝置的損失計(jì)算方法無(wú)法準(zhǔn)確地確定損失位置.文中從熵產(chǎn)理論和熱力學(xué)第二定律的角度研究了脈沖射流裝置中的能量損失,設(shè)計(jì)工況下采用不同類型水動(dòng)力葉輪的非對(duì)稱脈沖射流裝置葉輪內(nèi)流動(dòng)特性及熵產(chǎn)分布具有較大差異.分析能量損失的主要原因及損失的關(guān)鍵部位,對(duì)選取高效能葉輪具有重要意義.

圖4為2種水動(dòng)力葉輪下裝置各流道3種類型熵產(chǎn)分布.可以看出,整個(gè)裝置內(nèi)脈動(dòng)速度引起的熵產(chǎn)是各過(guò)流部件能量損失的關(guān)鍵因素,其次是壁面熵產(chǎn),時(shí)均速度引起的熵產(chǎn)遠(yuǎn)小于前兩者.靜盤(pán)閥區(qū)域熵產(chǎn)占裝置總熵產(chǎn)比率最高,其次是動(dòng)盤(pán)閥區(qū)域,葉輪區(qū)域熵產(chǎn)相對(duì)較高.初始葉輪的脈沖射流裝置葉輪段總熵產(chǎn)為33.90 W/K,初始葉輪的脈沖射流裝置總熵產(chǎn)為229.92 W/K.新型軸流葉輪的脈沖射流裝置葉輪段總熵產(chǎn)為28.72 W/K,新型軸流葉輪下裝置的總熵產(chǎn)為221.42 W/K.從熵產(chǎn)角度分析,采用軸流葉輪的脈沖射流裝置能量損失優(yōu)于采用初始葉輪的脈沖射流裝置.

圖4 不同葉輪下各流道3種類型熵產(chǎn)分布

3.1.3 2種水動(dòng)力葉輪內(nèi)流動(dòng)特性及熵產(chǎn)率分布

為分析2種不同水動(dòng)力葉輪下裝置葉輪段脈動(dòng)速度引起的熵產(chǎn)差異,對(duì)葉輪段內(nèi)流動(dòng)特性及熵產(chǎn)率分布進(jìn)行分析.圖5為初始葉輪與軸流葉輪內(nèi)部速度流線圖.

圖5 不同葉輪下速度流線圖

由圖5可以看出,采用初始葉輪裝置入口流體經(jīng)導(dǎo)流塊加速后,葉輪入口液流角相對(duì)葉片位置近似垂直,水流直接沖擊葉輪后向兩側(cè)流動(dòng).采用新型軸流葉輪入口流體經(jīng)導(dǎo)流塊加速后,葉輪液流角相對(duì)葉片位置為銳角,流體沖擊葉輪后向斜下方流動(dòng).整體上,初始葉輪內(nèi)部流線更為紊亂,新型軸流葉輪內(nèi)部流線相對(duì)較為規(guī)整.可以得出,相較于新型軸流葉輪,初始葉輪流場(chǎng)內(nèi)存在更多的紊亂流動(dòng)導(dǎo)致的能量損失,這與上述采用初始葉輪裝置脈動(dòng)速度引起的熵產(chǎn)大于采用軸流葉輪裝置相吻合.同時(shí),由于軸流葉輪和流體接觸面積更大,壁面剪切力也較大,軸流葉輪的壁面熵產(chǎn)值略大于初始葉輪.

圖6為0.3,0.5,0.7倍葉高處初始葉輪內(nèi)局部熵產(chǎn)率Se和速度矢量布圖.

圖6 初始葉輪不同葉高下熵產(chǎn)率分布

從圖6可以看出,在不同葉高下葉輪吸力側(cè)均有旋渦存在,較高的熵產(chǎn)率分布在葉片壓力側(cè)附近和葉輪進(jìn)口處.分析可得,葉片壓力面熵產(chǎn)率較高的原因是水流沖擊葉片造成的沖擊損失.葉輪進(jìn)口處存在一部分水流沖擊葉片出現(xiàn)回流現(xiàn)象,在葉輪進(jìn)口處產(chǎn)生的旋渦,并出現(xiàn)了較高的熵產(chǎn)率.葉片背部旋渦的存在是葉片兩側(cè)存在較高熵產(chǎn)率分布的主要原因.

圖7為0.3,0.5,0.7倍葉高處新型軸流葉輪內(nèi)局部熵產(chǎn)率分布圖.可以看出,采用反沖方式的新型軸流葉輪與初始葉輪相比較,在0.3,0.5倍葉高下熵產(chǎn)率分布較優(yōu),其主要原因是新型軸流葉輪葉片對(duì)高速流體流動(dòng)阻礙作用較小,過(guò)流能力更強(qiáng).從0.3～0.7倍葉高處,葉輪流域速度分布從紊亂趨向平滑,在較大葉輪半徑下水流做功能力更強(qiáng),水流驅(qū)動(dòng)力更有效.相同性能下,由于新型軸流葉輪葉片安放角與高速水流沖擊角度接近,流體通過(guò)能力優(yōu)于初始葉輪,葉輪內(nèi)部沖擊損失和湍流耗散相比初始葉輪效果更優(yōu).因此,水動(dòng)力葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)是引起水動(dòng)力葉輪段能量損失的主要因素.

3.2 新型軸流葉輪下裝置內(nèi)部流動(dòng)及能量損失

3.2.1 新型軸流葉輪下裝置內(nèi)部流動(dòng)特性

采用上述高效新型軸流裝置對(duì)脈沖射流裝置內(nèi)部流動(dòng)及能量損失特性進(jìn)行進(jìn)一步分析.前期研究發(fā)現(xiàn),設(shè)計(jì)工況下無(wú)導(dǎo)流塊裝置無(wú)法驅(qū)動(dòng)葉輪正常旋轉(zhuǎn)[10].圖8為葉輪域進(jìn)口處到葉輪域出口處不同軸向距離的截面圖,水流經(jīng)過(guò)導(dǎo)流塊在葉輪區(qū)域進(jìn)口處產(chǎn)生較強(qiáng)預(yù)旋作用,使得水動(dòng)力葉輪獲得更高的水力扭矩.

圖8 水動(dòng)力葉輪區(qū)域內(nèi)速度截面圖

隨著軸向距離的增加,截面處最大速度逐漸減小,高速水流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能.同時(shí)由于高速旋轉(zhuǎn)水流的存在,在葉輪區(qū)域進(jìn)口處管道中心處形成與預(yù)旋方向一致的順時(shí)針旋渦.從葉輪域進(jìn)口至葉輪出口處各截面圖相似位置均有旋渦的存在,可以推斷出葉輪域內(nèi)靠近中性軸處存在從進(jìn)口處到葉輪出口處的螺旋狀渦.葉輪流道內(nèi)螺旋狀渦的存在造成流道內(nèi)壓力脈動(dòng),水動(dòng)力葉輪受到流道內(nèi)壓力波動(dòng)影響,產(chǎn)生扭矩波動(dòng).

水動(dòng)力葉輪是驅(qū)動(dòng)盤(pán)閥的唯一動(dòng)力源,葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定對(duì)脈沖射流裝置出口脈動(dòng)分布至關(guān)重要.圖9為新型軸流葉輪在設(shè)計(jì)工況下單個(gè)周期內(nèi)扭矩M波動(dòng)隨葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化.新型軸流葉輪扭矩在-0.10～0.15 N·m波動(dòng),扭矩波動(dòng)幅值僅占平均扭矩的3.27%.扭矩波動(dòng)幅值較小,新型軸流葉輪可以在低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行.

圖9 新型軸流葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度與扭矩關(guān)系

動(dòng)靜盤(pán)閥是調(diào)制脈沖射流的關(guān)鍵部件,在初期室內(nèi)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)盤(pán)閥間隙是影響脈沖性能的關(guān)鍵參數(shù).圖10為不同盤(pán)閥間隙下非對(duì)稱脈沖射流裝置單孔出口處平均壓力和速度的變化.

圖10 不同間隙下動(dòng)盤(pán)閥轉(zhuǎn)動(dòng)角度與出口壓力和速度關(guān)系曲線

由圖10可以看出,裝置出口處形成了周期性的二次正態(tài)波動(dòng).隨著盤(pán)閥間隙減小,單孔出口速度增加,速度幅值增大.在動(dòng)靜盤(pán)閥間隙為1 mm時(shí),最大脈沖速度達(dá)到63.89 m/s,相比盤(pán)閥間隙為5 mm時(shí)提高34.28%,脈沖幅值達(dá)到1.08 MPa.可以得出,較小盤(pán)閥間隙下,脈沖射流裝置可以大幅提高井底流場(chǎng)的瞬時(shí)射流力度,有效改變井底流場(chǎng)結(jié)構(gòu),最大程度降低壓持效應(yīng).

圖11為1 mm間隙下單個(gè)水力脈沖周期內(nèi)出口速度云圖,紅圈代表動(dòng)盤(pán)閥通道出口,序號(hào)1—5代表裝置出口的5個(gè)孔.

圖11 單個(gè)水力脈沖周期內(nèi)出口處速度分布

從圖11中可以看出,當(dāng)動(dòng)盤(pán)閥通道與靜盤(pán)閥孔口未完全契合時(shí),出口處平均速度處于較低值.當(dāng)動(dòng)盤(pán)閥孔口與靜盤(pán)閥孔口由未完全契合狀態(tài)到完全契合狀態(tài),出口處平均速度由低值達(dá)到最大值.在10°的時(shí),動(dòng)靜盤(pán)閥完全契合下,孔2達(dá)到最大瞬時(shí)射流力度,孔1與孔3速度處于低值區(qū)間.同理,當(dāng)單孔達(dá)到最大瞬時(shí)射流力度時(shí),相鄰兩孔處于出口速度低值區(qū)間.在一個(gè)水力脈沖周期內(nèi),孔口達(dá)到最大瞬時(shí)射流力度的順序是2-5-3-1-4-2的循環(huán).可以得出,裝置出口處可以形成周期性的強(qiáng)不對(duì)稱性脈沖射流.

3.2.2 不同盤(pán)閥間隙下能量損失特性

圖12為不同盤(pán)間隙下不同類型熵產(chǎn)分布規(guī)律,從圖中可以得出,隨著間隙的減小,動(dòng)盤(pán)閥和靜盤(pán)閥內(nèi)的各類型熵產(chǎn)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),增長(zhǎng)率也呈現(xiàn)出上升趨勢(shì).

圖12 不同盤(pán)閥間隙下3種熵產(chǎn)分布

不同類型的熵產(chǎn)中,由于脈動(dòng)速度引起的熵產(chǎn)增長(zhǎng)量高于時(shí)均速度引起的熵產(chǎn)和壁面熵產(chǎn),動(dòng)靜盤(pán)閥段不穩(wěn)定流動(dòng)是能量損失的主要原因.靜盤(pán)閥區(qū)域內(nèi)脈動(dòng)速度引起的熵產(chǎn)和壁面熵產(chǎn)遠(yuǎn)高于動(dòng)盤(pán)閥區(qū)域,靜盤(pán)閥區(qū)域存在更大的速度梯度變化.結(jié)合圖5可以發(fā)現(xiàn),盤(pán)閥間隙相比于水動(dòng)力葉輪段對(duì)裝置的能量損失影響更大.間隙越小能量損失越大,脈沖幅值越大,脈沖效果越好.

圖13為動(dòng)盤(pán)閥和靜盤(pán)閥間內(nèi)部流動(dòng)特性.

圖13 動(dòng)靜盤(pán)閥速度流線

從圖13中可以看出,水流沖擊動(dòng)盤(pán)閥壁面出現(xiàn)回流現(xiàn)象,在動(dòng)盤(pán)閥進(jìn)口處存在明顯的旋渦.盤(pán)閥間隙內(nèi)流動(dòng)更為紊亂,存在著沖擊和旋渦造成的速度梯度變化.圖13b處高速水流沖擊靜盤(pán)閥上壁面后,以較高速度向四周擴(kuò)散,其中一部分流體沖擊側(cè)壁面產(chǎn)生旋渦,另一部分水流在中心處相互碰撞產(chǎn)生較紊亂的旋渦,如圖13c所示.側(cè)壁面附近旋渦和中心處旋渦對(duì)動(dòng)盤(pán)閥通道與靜盤(pán)閥未契合的孔口2,5產(chǎn)生較大的影響,在孔口處存在圖13d所示的旋渦.未完全契合孔口3,4主要受到非均勻入流影響,高速水流與低速水流發(fā)生剪切,在出口管道內(nèi)水流產(chǎn)生脈動(dòng)速度.完全契合孔口1受到間隙內(nèi)紊亂流動(dòng)較小.進(jìn)一步分析可得,隨著動(dòng)靜盤(pán)閥間隙減小,靜盤(pán)閥上壁面受到更大的水流沖擊力,壁面切應(yīng)力和旋渦強(qiáng)度隨之增加,壁面熵產(chǎn)和脈動(dòng)速度引起的熵產(chǎn)增加.

4 結(jié) 論

1) 基于熵產(chǎn)理論的研究發(fā)現(xiàn),采用新型軸流葉輪的脈沖射流裝置能量損失較小.新型軸流葉輪下裝置的總熵產(chǎn)為221.42 W/K,其中脈動(dòng)速度引起的熵產(chǎn)占主導(dǎo)地位.

2) 新型軸流葉輪內(nèi)部旋渦對(duì)扭矩影響較小,扭矩波動(dòng)幅值僅占平均扭矩的3.27%,可以在低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行.

3) 脈沖射流裝置可以形成周期性的強(qiáng)非對(duì)稱脈沖射流.隨著動(dòng)盤(pán)閥與靜盤(pán)閥間隙的減小,瞬時(shí)射流力度越強(qiáng),脈沖壓力幅值增大,裝置性能越優(yōu),動(dòng)靜盤(pán)閥區(qū)域能量損失也隨之增加.