一种滑阀式水力振荡器滑阀分析与优化

张志强 梅红山

摘要：该文针对滑阀式水力振荡器的滑阀结构进行研究，分别分析了最小过流面积、滑阀流道形状等方面对振荡器性能的影响。对现有滑阀组进行结构改进并通过对滑阀组进行CFD模擬分析，在满足要求的压降范围内，对滑阀组的阀口形状、流道口倾斜角度进行分析，确定滑阀运动规律及行程。该文认为，在标定的工作情况下，在阀口底部开5个直径为10mm的小孔，侧壁流道口形状为圆槽形，流道开口倾斜角度为15°时，滑阀运动规律为正弦函数，行程为60mm，产生的压降范围0.172～4.81MPa，是较为理想的工作状态。

关键词：水力振荡器滑阀   CFD模拟结构优化

中图分类号：TE921文献标识码：A        文章编号：1672-3791（2021）11（c）-0000-00

Abstract： This paper studies the slide valve structure of slide valve hydraulic oscillator， and analyzes the effects of minimum flow area and slide valve channel shape on the performance of the oscillator. The structure of the existing slide valve group is improved， and through the CFD simulation analysis of the slide valve group， within the required pressure drop range， the valve port shape and channel port inclination angle of the slide valve group are analyzed to determine the motion law and stroke of the slide valve. The analysis shows that under the calibrated working condition， five small holes with a diameter of 10mm are opened at the bottom of the valve port structure， the shape of the side wall channel port is circular groove， the inclination angle of the channel is 15 °， and the valve port length is 40mm， the motion law of the slide valve is sinusoidal function， the stroke is 60mm， and the pressure drop range is 0.172 ～ 4.81 MPa， which is an ideal working state.

Key Words： Hydraulic oscillator; Slide valve; CFD simulation; Structural optimization

在对深井、水平井和大位移井钻井时，钻杆柱不可避免要与井壁接触，产生较大的摩擦阻力，出现“托压”现象，使传递到钻头上的钻压显著减小。托压现象不仅影响钻井速度，严重时还会造成钻头空转。水力振荡器是常用的井下振动减阻工具之一，对托压现象有良好的改善作用。目前，水力振荡器的脉冲单元主要采用盘阀结构，盘阀的静阀座与动阀盘端面接触，受端面接触压力和动阀盘旋转的影响，阀盘磨损非常严重，极大地降低了水力振荡器的工作寿命[1-2]。

1滑阀式水力振荡器的工作原理

不同于传统盘阀水力振荡器，滑阀式水力振荡器的阀门系统采用滑阀系统，其装配图如图1所示。

滑阀式水力振荡器的工作原理是，钻井液从上接口进入，驱动螺杆马达转动，螺杆马达驱动轨道轴心杆转动，轨道轴心杆上有轨道槽，能将轨道轴心杆的圆周运动转换为动滑阀的周期性往复运动。动滑阀的周期性运动会使滑阀系统的过流面积周期性改变，从而产生周期性的压力脉冲。周期性压力脉冲会反馈到振荡短节的活塞，使得振荡短节的活塞和碟簧产生周期性的轴向运动，进而形成振荡[3-4]。

该文研究的滑阀式水力振荡器的相关参数为：外径为172mm;通入的钻井液流量为27L/s;钻井液密度为1100kg/m3;施加的钻压为80kN;工作频率为16Hz;工作压降为4.5MPa;振幅为4.5mm。

2 滑阀组流道结构优化

2.1最小过流面积

相较于普通的盘阀结构，滑阀能有效地避免端面接触所带来的端面磨损问题，但滑阀系统的运动靠轨道轴心杆来实现，并且轨道存在运动磨损。这使得动滑阀行程会随着轨道的磨损发生改变，进而导致过流面积变化规律不及预期，在极端情况下会产生憋压的情况，使得滑阀不能正常产生压力脉冲。为避免这种情况的发生，需要对滑阀系统设定一个最小过流面积。该文通过对定滑阀底部开设多个直径为10mm的小孔的方式来保障最小过流面积不受动滑阀运动的影响。

滑阀组的最大压降、最小压降是振荡器振荡性能主要影响因素。该文为分析最小过流面积对振荡器工作性能的影响，分别对小孔数量为3、4、5、6的滑阀阀组的流道模型进行建模，并导入到CFD软件进行网格划分，得到网格模型。

由于滑阀组动阀是处在一个持续运动的状态，因此要在动阀边界设置动网格来保证网格模型进行迭代。通过UDF定义动网格运动规律，并在阀口流道与动网格相交面处设置交界面。设置瞬态计算，流动介质为水，计算模型为2阶标准k-epsilon模型，进口为流量进口，为27L/s;出口为压力出口，压强为标准大气压强[5]。

通过CFD仿真得到不同小孔数量下的滑阀组最大压降、最小压降以及工作压降，根据仿真结果绘制在一个周期T内，不同小孔数量的阀组结构的压力脉冲波形图如图2所示。

根据仿真结果可以看到，当定阀底部的小孔数量增加，会导致压降的降低，并且小孔数量的改变对滑阀组的最高压降影响较大，而对滑阀组的最低压降影响较小。

2.2 定滑阀侧壁开孔口形状

已知滑阀组的工作压降为最大压降与最小压降的差值，且最大压降的值基本与侧壁的流道结构无关，其主要取决于底部小孔的过流面积;而最小压降值则由底部小孔与侧壁上的流道一同控制。

水力振荡器的振幅取决于工作压降的大小，在工作压降的取值范围内，工作压降越大，水力振荡器的振幅越明显，降摩减阻效果越好，因此可通过提高阀组的最大压降或降低最小压降来增加工作压降。但是当最大压降值升高时，水力振荡器的整体最高压降也会升高，不利于钻井工作;而降低最小压降，使水力振荡器的整体最低压降减小，基本不会影响钻井工作。因此，可通过减小最小压降来增大工作压降。由于改变最小过流面积会改变滑阀组的最大压降，因此，主要针对侧壁流道进行优化[6]。

现有的立阀式水力振荡器，流道口形状为矩形。考虑到流体流动特性，该文将流道口形状改为圆槽形，并通过CFD模拟，分析流道口形状对滑阀组最低压降的影响。流道口形状的平面展开图如图3所示。原矩形尺寸为L=40mm，H=17.85mm，在阀口面积不变且流道口长度尺寸不变的前提下，则圆槽形流道口尺寸为R=10mm，L=20mm。

基于上文仿真方法，对不同流量下，不同流道口形状的阀组流道模型进行分析，得到在流量为25L/s、27L/s、30L/s、33L/s、35L/s时，圆槽形和矩形流道口的最小压降，根据仿真结果，可以得到阀组最低压降与不同流道口形状之间的规律，如图4所示。

可以得出，不同流道口形状的改进滑阀组结构的最低压降不同，其中流道口形状为圆槽形能够起到降低最小压降的作用。

3结语

（1）当定滑阀底部的小孔数量增加，即最小过流面积增加，会导致工作压降的降低，并且小孔数量的改变对滑阀组的最高压降影响较大，而对滑阀组的最低压降影响较小。

（2）不同流道口形狀会影响滑阀组最低压降，其中圆槽形流道口滑阀组相较于矩形流道口滑阀组的最低压降更小。

参考文献

[1] 沈楠，钱利勤，冯定，等.一种立阀结构水力振荡器的研制与分析[J].长江大学学报：自科版，2018，15（11）：64-66，8.

[2] 裴学良，张辉，赵传伟.水力脉冲轴向振荡减摩钻井技术分析[J].石油矿场机械，2020，49（5）：42-48.

[3] 黄新宇，陈维.一种滑阀式水力振荡器设计及脉冲压力波形分析[J].科技创新导报，2021，18（3）：42-46.

[4] 马英文，崔国杰，高科超，等.水力振荡器减阻效果研究[J].石化技术，2020，27（12）：123-124.

[5] 倪华峰，李国宏.基于滑移网格技术的振荡器脉冲压力数值模拟[J].石油机械，2020，48（4）：31-36.

[6] 赵传伟.自激式水力振荡器的优化设计[J].天然气工业，2021，41（2）：132-139.