涡轮钻具水力设计与分析方法应用现状研究

姚坚毅，刘宝林，王 瑜

（中国地质大学（北京）地质超深钻探技术国家专业实验室，北京100083） ＊

涡轮钻具水力设计与分析方法应用现状研究

姚坚毅，刘宝林，王 瑜

（中国地质大学（北京）地质超深钻探技术国家专业实验室，北京100083）＊

涡轮钻具是一种重要的钻井工具，涡轮叶型线特征是其水力性能设计与分析的关键因素。在分析涡轮钻具水力工作原理的基础上，研究了涡轮钻具水力性能设计研究现状，详细比较分析了涡轮钻具水力性能设计的理论方法、计算机建模与仿真及水力性能试验分析方面的研究现状与发展水平，提出了计算机辅助设计及理论分析。与试验修正相结合的综合研究方法是涡轮钻具水力性能设计与分析的重要方法，对涡轮钻具水力部件的主要问题与发展趋势进行了展望，为涡轮钻具的水力设计提供参考。

钻井；涡轮钻具；水力性能；计算机模拟；发展趋势

涡轮钻具是一种重要的井下动力钻具，其最大优点是不含橡胶件、耐高温（工作温度可达250～300℃）［1］，适用于深井、超深井和高温高压井的钻井作业。随着我国油气勘探、地球深部探测向深井、超深井方向发展，涡轮钻具具有良好的应用前景。涡轮钻具中的主要部件是由定子和转子组成的涡轮副，其水力性能决定了涡轮钻具的输出特性。因此，涡轮叶栅叶型设计是涡轮钻具水力设计和开发的关键技术［2］，通过流场的优化设计，以达到涡轮叶片水力效率的最大化。

1 涡轮钻具叶型理论研究现状

“七五”期间，为适应石油勘探开发的需要，我国开始重点研究开发适用深井直井、定向井和丛式井钻井技术所需要的涡轮钻具，以及应用现代设计理论和计算机辅助设计等方法，解决新型涡轮钻具产品在开发设计中的技术难题［3］。近20a来，涡轮钻具在我国的发展十分迅速，尤其在影响涡轮钻具整体效率的水力设计与分析方法上取得了丰富的研究成果。

1.1 建模一般原则

在进行叶片造型时，首先根据涡轮钻具设计参数和叶轮机械工作理论计算确定流动参数［4］，依据经验数据和公式确定叶片的几何参数［5－6］，然后选择适合的型线和构造方法设计叶片吸力面和压力面。其叶片型线主要通过影响叶片表面附近的速度和压力分布来改变跨叶片流道内流场，希望叶片表面的速度和压力分布平滑变化，相应要求沿叶片表面具有连续的曲率导数［7］。

1.2 建模新方法

1.2.1 四阶样条和高阶多项式构造线型

在构造涡轮钻具满足几何参数要求的叶片型线时，四阶样条和高阶多项式是主要选择对象。四阶样条和高阶多项式构造线型的最大优点是叶片表面具有连续曲率导数，叶片压力面和吸力面型线为单型线而不是组合型线，保证了涡轮叶片的水力效率和涡轮性能，减少相应的水力损失。

冯进［8］通过分析涡轮叶片型线对液流流动参数的影响以及叶片型线几何参数的关系，认为叶片型线上存在不连续的曲率是影响涡轮性能的主要因素；得出叶片压力面和吸力面型线应为单型线且具有连续三阶导数的结论；提出用五次多项式构造叶片型线，给出了叶片型线与几何参数的关系、定量求解方法和叶片型线检验要求；并通过∅165mm涡轮钻具设计应用实践，表明采用这种新方法设计涡轮可优化涡轮叶片形状、改进涡轮性能、提高设计质量和总效率。林元华［9］则具体提出了当液体的速度梯度和压力梯度不平稳时会导致流体的能量损失增加，叶片表面的速度和压力分布应平稳变化的结论；利用三次多项式构造叶型，应用Pro／E对涡轮钻具叶片进行了参数化特征建模，编制了涡轮钻具叶片实体的自动设计软件进行计算机辅助设计；并通过∅240mm涡轮钻具设计实例，表明该软件能较好地应用于工程实践。

1.2.2 利用逼近为基础的参数曲线造型

叶片造型设计必须满足几何参数要求。在涡轮钻具叶片型线设计中，叶片断面形状的设计最重要，不同叶片型线具有不同水力性能，对涡轮钻具性能影响很大。由于叶片设计通常都是给定了进、出口角度，这就相应地要求所选用的线条要保证在起始点和末端的一阶导数。Bezier曲线很好地满足了这个要求。长江大学的忽晓东等［10］利用Bezier曲线对某型号的涡轮叶片进行设计，并采用计算机编程作图；分析发现，这种曲线叶片满足一些涡轮叶片设计经验公式，并且该型线曲率变化连续，未出现曲率突变的情况，证明了此理论方法的可靠性，具有一定实用价值。

1.2.3 采用三元流动进行计算分析和改进设计

三元流动理论是近10a来在国内迅速发展起来的一种三元流场计算方法，被广泛引入到水轮机、水泵等水力机械设计中［11］。这种计算方法突破了以前采用的二元坐标模拟手段，采用三维坐标系模拟质点运动轨迹随时间的变化规律，考虑了液体在流动时因流速的不同和液体的粘滞性产生的内摩擦力；采用射流尾迹三元流动理论，把叶轮内部无限分割，通过对叶轮流道内各工作点的分析，建立起完整、真实的叶轮数学模型；这一方法可以把叶轮做得更准确，不仅反映了流体的流态，流速也更接近实际［12］。曹朝霞等［13］根据叶轮机械三元流动的普遍理论和涡轮钻具叶轮具体边界问题，建立了三元流动计算的数学模型，推导出了适用于叶轮机械三元流动计算的流函数方程，将三元流动计算流函数法成功运用于涡轮钻具叶栅的数值计算；通过计算机编程对几种涡轮钻具实例进行了数值计算和流动分析，指出其中的缺陷和不足，并由相关试验得以证明。

2 计算机建模与仿真优化设计现状

随着科学技术的发展，计算机技术得到不断完善，已越来越广泛地应用于流体力学问题的计算机模拟。鉴于传统的手工作图法提供的坐标精度低、工作量大、设计周期长的特点，建立涡轮叶片造型的计算机辅助设计方法，优选叶片造型，提高涡轮叶片设计质量成为涡轮钻具研究的趋势。

2.1 优势

涡轮叶栅内流体流动为紊流流动，紊流是一种高度复杂的非稳态流动，具有很强的随机性、非恒定性，并且无一例外都是三维问题。传统的涡轮叶型设计采用束流理论，即将紊流问题简化为一维或二维流动，只能反映流体作用的宏观效果（例如力矩、能耗等），而不能正确反映影响这种宏观效果的微观原因（例如，流道中速度分布、压力分布等）。因此，按这种理论设计出来的叶型存在叶片脱流严重、流动损失大的问题，叶栅效率不高，达不到预期的性能指标［11，14］。

计算机建模与仿真优化的应用则改变了传统的设计过程，将传统设计的大循环过程转变为方案设计带有预测性质的校验循环，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学试验设备。当设计已基本达到设计要求时再转入通常的详细设计，可以显著缩短设计周期并降低费用。目前普遍使用的有CFD技术、CFX－BladeGen设计软件以及自行编制的软件等。

2.2 应用现状

2.2.1 CFD技术辅助设计

CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）技术作为流体力学研究中的一门新兴分支，是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物［15－17］。CFD技术采用实体建模、CFD前置处理器等工具真实、准确地建立涡轮定、转子的单周期跨叶片流道计算模型，对其内流场进行CFD仿真模拟；根据速度场分布情况进行叶型优化，同时模拟出优化设计后的涡轮在不同转速下的输出特性。刘孝光等［18］采用CFD技术对∅115mm涡轮钻具涡轮内流场进行仿真模拟，并根据速度场分布规律进行叶型优化，将优化后的涡轮输出特性参数与试验数据进行对比；模拟特性曲线变化趋势与试验结果基本一致，证明了应用CFD技术对涡轮叶片叶型优化设计的正确性和实用性。

2.2.2 CFX－BladeGen叶片设计软件

CFX－BladeGen是交互式涡轮机械叶片设计软件，主要由BladeGen和BladeGenPlus两大模块组成。BladeGen实现涡轮叶片的交互式设计；Blade－GenPlus实现网格划分和CFD分析求解、输出叶片设计和水力分析报告，并且能够快速、有效地生成光滑的叶片型线，同时很方便地得到足够精确的流场分布，能较准确地预估其性能。此外，通过统计单个参数对叶型性能的影响规律，进而进行优化设计，可以节约大量的试验成本，以较小代价设计出性能优良的涡轮机械叶片。长江大学的丁凌云等［15］利用此软件以WZ－115型涡轮钻具涡轮为例，对涡轮叶片进行造型设计，并进行三维流场分析；通过涡轮叶片造型和CFD计算结果分析，指出其水力损失的原因，对叶片局部进行了修改，改善了水力性能；并与试验结果进行对比，在扭矩和流速方面吻合得比较好，最终证明其具有较好的实用性。

2.2.3 利用解析造型方法CAD优化设计

石油大学的胡泽明等［19］将叶栅解析造型的方法应用于涡轮钻具叶栅造型设计，成功开发了叶栅进出口角优化设计、叶栅解析造型、叶栅通道收敛梯度检验与叶型修改软件包；并在此基础上，利用此软件包重新设计涡轮叶栅，用新设计的叶栅制成涡轮试件，并进行对比试验，使其效率提高2%～3%，表明所开发的涡轮叶栅CAD优化设计软件包具有应用方便、灵活、高效、实用等优点。

2.2.4 其他自行编制软件

刘艳［20］通过对涡轮叶片型线设计进行理论分析，将涡轮叶片设计过程分为数据选取、中间计算、结果输出3部分，并自主开发了一套主要适用于中间计算过程的叶片造型软件。该软件将计算结果采用离散数据的形式存储到文件中，增强了数据的交互性。实例表明，此软件具有一定应用价值。

3 涡轮钻具水力性能试验方法与应用现状

3.2 测试方法

涡轮钻具在设计时已预估出所设计涡轮钻具的性能，因理论计算与液体流动有差异，且计算机模拟仿真所使用的三维流体软件为了封闭湍流方程组会引入一系列假设，这些假设会降低计算结果的可信度，加上叶栅叶型加工误差等因素，涡轮钻具的实际性能最终仍需由水力性能试验确定［21－24］。目前，涡轮钻具水力性能的主流测试技术有2种：测试涡轮钻具整机性能的10级台架试验和测试涡轮叶片内部流场的PIV测试技术。

3.2 应用现状

涡轮钻具水力性能试验台架是模拟实际钻井条件，对涡轮钻具整机进行室内试验的设备［22］。试验台采取经过循环流量自动控制、采用压力稳流栅、运用更换衬套等方式不断提高系统的测试精度，可以准确、可靠地测量涡轮钻具工作特性和动态机理，为涡轮钻具的理论研究提供试验数据，同时可用于指导实际井下应用［25］。目前，长江大学、中国石油大学（北京）等单位均有类似的试验台，但目前国内的试验台普遍采用离心泵作为动力，容易造成流体脉动；同时，一般采用磁粉制动器作为涡轮钻具的加载装置，而磁粉制动器在低速下的制动线性度差，影响了测试的效果。未来涡轮钻具水力性能试验台的开发将主要是通过更换往复泵，采用电力测功机作为加载装置，以及精确控制分流水量等方法，提高测试的精度和可靠性。

PIV技术是随着计算机技术的进步发展而成的一种新的流速测量技术，利用粒子成像技术对整个或局部流场同时记录测量，从而获得流场的瞬时动力学流动状态，具有全流场测试、直观、不干扰流场等优点，是进行各种流场流动规律研究的有力工具。该技术目前广泛应用于各类流场的测试［26］，其突出特点是能在不干扰流场流动的情况下，同时定量获得全流场的流动信息，即空间的连续信息。戴静君等［27］在对3种高环流系数叶片叶型和5种相对节距的涡轮叶栅进行内流场试验研究中，采用PIV技术测试了叶栅内部的速度分布规律；测试结果对比台架试验表明，其研究成果可为涡轮叶型的设计提供有价值的参考。

4 结论

随着国家地球深部探测计划的实施，高温高压井不断增多，涡轮钻具越来越受到钻探与钻井工作者的重视，其水力性能的研究将随着计算机和新型测试技术的发展不断深入。我国涡轮钻具水力性能研究取得了一定的成果，正逐渐成熟，三元流理论的应用将进一步提高国内涡轮钻具研究水平。未来涡轮钻具水力性能的发展将引进面向对象的建模方法和动态的设计方法，使水力性能理论研究更加精确、更加接近实际工况，必将推动涡轮钻具性能和可靠性的进一步提高。

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Application and Development of the Hydrodynamic Performance for Turbine Drill

YAO Jian－yi，LIU Bao－lin，WANG Yu
（China National Lab on Geological Super－deep Well Drilling，China University of Geosciences（Beijing），Beijing100083，China）

Turbine drill is a key drilling tool to development the super－deep well and HTHP well.The feature of turbine blade profile is a key factor on the design and analysis of hydrodynamic performances.The development status of hydrodynamic performance on turbine drill was studied in the paper.The design theoretical methods，model，computer simulation，and experimental methods were also analyzed and compared deeply.The combination of theoretical analysis，computer－aided design and experimental testify was an effective methods to study the hydrodynamic performance of turbine drill.The main problem and development trend of the hydrodynamic components of turbine drill were also discussed.

drilling；turbine drill；hydrodynamic performance；computer simulation；development trend

1001－3482（2012）03－0004－04

TE921.2

A

2011－09－23

国家国际合作项目“万米深孔高温高压取心涡轮钻具及其应用技术”（2010DFR70920）；国家深部探测专项课题“科学超深井钻探技术方案预研究”（201011063）

姚坚毅（1988－），男，安徽黄山人，硕士研究生，主要从事钻探、钻井工具研究。