一种立阀结构水力振荡器的研制与分析

沈楠

(中石油长庆油田分公司第十一采油厂方山作业区，甘肃 庆阳 745000)

钱利勤，冯定，吕加华

(长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023)

在大斜度井、水平井钻井过程中，由于钻柱的自重很容易产生托压现象，不仅严重影响钻井速度，更会增加钻井风险[1～4]。为此，国内外专家采取各种措施解决这一问题，Kjellinge等[5]的双作用液压缸的减摩器，通过短距离的往复运动产生振动，减小了摩擦阻力。Rasheed等[6～8]分别在文献中介绍了轴向振荡减摩器在连续管钻井中的应用，实践表明油田现场应用效果良好。在国内，刘志坚等[9]分析了水力振荡器具有的功能及技术优势，可以有效解决钻井过程中的托压问题。吕加华等[10]设计了一种三维水力振荡器，实现轴向以及径向的周期振荡，对水力振荡器作用区间进行了理论分析。现有水力振荡器大多使用阀盘单一，在使用过程中动阀盘和定阀盘之间相接触，在使用过程中出现磨损严重现象。为此设计了一种立阀结构水力振荡器，采用立阀结构，立阀中动阀和定阀之间具有一定间隙，相互之间不会出现摩擦现象，利用阀盘过流面积交错变化产生压力脉冲，实现钻具与井壁或套管静摩擦变为动摩擦，从而达到降摩减阻效果。

1 方案设计

1.1 工作原理

图1为立阀结构水力振荡器结构示意图。在水平井钻井过程中，由涡轮部分提供动力带动涡轮轴转动，涡轮轴上有3个流道口，呈均匀分布，流道的宽度略大于挡流盘的宽度，从而使挡流盘与涡轮轴上的流道形成动定阀关系。当涡轮轴转动，挡流盘与流道的位置发生交错重合，使过流面积周期性改变，在水击压力的作用下产生周期性压力脉冲，在振动短节作用下使振荡短节外壳产生周期性轴向振动。

图1 立阀结构水力振荡器结构示意图

1.2 结构性能参数

立阀结构水力振荡器基本参数：工具外径为165mm，水力振荡器总长为4230mm，主轴半径为35mm，流量为20～30L/s，流道口长80mm。

2 压力脉冲关系分析

立阀结构提速工具在工作过程中，阀口部位产生的压力脉冲幅值越大，其轴向力越大。而轴向力越大则轴向振动效果越好，因此有必要分析阀口前后的压力脉冲关系。

2.1 有限元模型

利用solidworks建立立阀结构水力振荡器阀口部分的流道有限元模型，在阀口部分采用滑移网格，并设置旋转区域和数据交换面(见图2)。分别设置两端为进口和出口，壁面处理为边界层网格，并对阀口部分采取局部细化以得到更准确的模拟结果，其中节点数为59054，单元数为92716。

2.2 边界条件的设定

在立阀前段施加入口边界为速度入口，流体为清水，入口速度为4m/s，出口为outflow，设置滑移网格旋转区域的转速为44rad/s，设置interface为旋转区域与阀孔流道的交界面。为提高计算的准确性，动量、动能、湍流动能和湍流耗散率的离散均采用二阶迎风格式，采用simple算法进行压力速度耦合。

3 数值仿真结果分析

当涡轮轴转动时，挡流盘与流道的位置发生交错重合；当阀口位置重合时，过流面积最小。该情况下有最大压差，值为3.33MPa。有限元仿真结果如图3所示。

计算得到不同阀口交错状态下立阀结构水力振荡器的压差，稳定后立阀结构水力振荡器压降随时间之间的变化关系曲线(图4)。

图3 有限元仿真结果 图4 压降随时间变化曲线

从图4可以看出，立阀结构水力振荡器压降随时间变化呈现周期性的改变，呈现先减小后增大的趋势。可以看出其中最大压降为3.5MPa，随着过流面积的增加，压降逐渐减小，当过流面积最大时压降最小，为0.001MPa。立阀结构水力振荡器可以形成0.001～3.5MPa的压降，从而轴向具有较好的降摩减阻效果。

4 关键参数对立阀结构水力振荡器性能的影响

结合现场应用情况，对工作过程中流量、流道口长度等参数对立阀结构水力振荡器压降影响规律进行了研究。在单一变量原则下，仿真过程中分别改变入口流量和流道口长度，得到压降随时间变化曲线(见图5、6)。

从图6可以看出，增大入口流量，立阀结构水力振荡器的最小压降基本相同。这是因为当阀口完全打开时，流体全部流过流道口，该时阀门全开，无水击现象。最大压降随着流量的增加急剧增大，这是因为当阀门全关时，流道口基本无流体流入，产生水击现象。根据水力学理论，流量的增大会使水击压力明显增大，故该时最大压降随着流量的增大而明显增大。同时可以看出，随着流量的增大其变化周期缩短。这是因为增大流量会使涡轮转速加快，导致流道口流动周期缩短，挡流块和流道口组成的阀门周期性开合频率加快，压降变化周期相应就缩短了。从图7可以看出，随着流道口长度的减小，最大压降呈现增大趋势，并且增幅明显。主要是由于随着流道口长度的减小，过流面积变小，导致水击压力变大，使得压降也随之增大。

图5 不同流量下压降随时间变化曲线 图6 不同流道口长度下压降随时间变化曲线

5 结论

1)与动定平阀相比，该设计采用立阀结构，立阀相互之间无接触摩擦，能够有效延长阀盘使用寿命，实现轴向振荡，有效释放井下摩阻，提高钻井效率降低钻井成本。

2)对立阀结构水力振荡器关键部位阀口进行了研究，利用流体仿真软件fluent，采用滑移网格技术对阀口部位进行了有限元仿真，得到压降随时间的变化规律。计算表明立阀结构水力振荡器可以形成0.001～3.5MPa的压降。

3)根据现场实际应用情况，对工作过程中流量、流道口长度等参数对立阀结构水力振荡器压降影响规律的研究表明，随着流量的增大和流道口长度的减小，最大压降呈现明显增大趋势，最小过流面积基本不变。

[参考文献]

[1]马孝春，王贵和，李国民. 钻井工程[M].北京：地质出版社，2010.

[2] 郭元恒，何世明，刘忠飞，等.长水平段水平井钻井技术难点分析及对策[J].石油钻采工艺，2013，35(1)：14～18.

[3] Newman K R.Vibration and rotation considerations in extending coiled-tubing reach[J]SPE106979,2007.

[4] Yu Zhiqing. Application of friction reduction in short and horizontal drilling in directional drilling[J].Drilling Process, 1999, 22 (1): 66～67.

[5] Kjellinge S, Bjornar L. New downhole tool for coiled tubing extended reach[J].SPE60701，2000.

[6] Rasheed W. Extending the reach and capability of non rotating BHAs by reducing axial friction[J].SPE68505，2001.

[7] Maidla A E. Understanding torque: the key to slide-drilling directional wells[J].SPE87162，2004.

[8] AlbualiI M H. Maximizing coiled tubing reach during logging extended horizontal wells using e-line agitator[J].SPE127399，2009.

[9] 刘志坚，李榕.φ172mm水力振荡器在川西中浅水平井的应用[J].天然气技术与经济，2012，6(6)：37～39.

[10] 吕加华,刘先明,钱利勤,等. 三维水力振荡器性能影响因素研究[J].石油机械,2016,44(9):27～30.