(中國石油集團(tuán) 長城鉆探工程技術(shù)研究院，遼寧 盤錦 124010)

近幾年來，隨著遼河油田勘探開發(fā)的不斷深入，目標(biāo)油氣藏正不斷向深層發(fā)展，降本增效已迫在眉睫。鉆井用液力扭轉(zhuǎn)沖擊器對(duì)提高鉆井效率、降低鉆井成本意義重大[1]。液力扭轉(zhuǎn)沖擊器所處的井底環(huán)境壓力高、沖擊大、腐蝕嚴(yán)重，故對(duì)液力扭轉(zhuǎn)沖擊器內(nèi)部液體流道設(shè)計(jì)至關(guān)重要。由于機(jī)械加工難以形成流線型流道，直角轉(zhuǎn)彎流道比較多，故流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壓力損失增加[2-4]。有時(shí)，為避免各流道之間發(fā)生干涉，必須使用工藝流道。

現(xiàn)有對(duì)工藝流道的研究大多是對(duì)直角流道進(jìn)行耗能機(jī)理的分析，不僅沒有考慮工藝流道的長度和直徑大小對(duì)耗能的影響，而且采用對(duì)刀尖容腔和工藝孔容腔進(jìn)行簡化后的物理模型，因此不能準(zhǔn)確地表征集成塊內(nèi)部孔道及液流的流動(dòng)特性。本文采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)液力扭轉(zhuǎn)沖擊器內(nèi)部常用的“Z”型結(jié)構(gòu)流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，探討不同長度和不同直徑的工藝流道對(duì)液流壓力的影響，以及壓力損失規(guī)律，得出使流道壓力損失最小的最佳工藝孔長度和直徑，為液力扭轉(zhuǎn)沖擊器的流道改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 模型建立

1.1 液力扭轉(zhuǎn)沖擊器典型流道的物理模型

本文采用由直角轉(zhuǎn)彎組成的典型“Z”型結(jié)構(gòu)流道(如圖1)，主要包括進(jìn)液口流道、上游直角轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)、工藝孔流道、下游直角轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)和出液口流道。

液力扭轉(zhuǎn)沖擊器內(nèi)部的液流為不可壓縮的黏性液體，且多數(shù)情況下液流的流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，流動(dòng)方向如圖1箭頭所示，液流密度ρ=900 kg/m2，動(dòng)力黏度μ=0.045 kg/(m·s)。根據(jù)工況條件定義邊界，設(shè)定進(jìn)口速度v=5 m/s，出口壓力p=0 Pa，并假設(shè)進(jìn)液口液流為充分發(fā)展流，垂直于進(jìn)液口液流流速方向上的速度為零，對(duì)所有液流流道壁面上都施加無滑移邊界條件。如圖2所示，d1為進(jìn)出液口直徑，d為工藝孔直徑，L為工藝孔長度，L是d的整數(shù)倍。

圖1 流道結(jié)構(gòu)示意

圖2 典型流道示意

1.2 液力扭轉(zhuǎn)沖擊器典型流道的數(shù)學(xué)模型

液力扭轉(zhuǎn)沖擊器內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)可認(rèn)為是流體在流動(dòng)域內(nèi)隨時(shí)間與空間的波動(dòng)而形成的湍流，是一個(gè)三維、非穩(wěn)態(tài)的復(fù)雜過程，可用Navier-Stokes方程來描述湍流流動(dòng)。對(duì)于湍流流動(dòng)，液流具有高度脈動(dòng)性，加之流道邊界條件的多樣性，方程組不存在解析解，故需對(duì)方程組進(jìn)行模型化，使方程組封閉求出數(shù)值解。本文采用k-ε湍流模型對(duì)以下方程組進(jìn)行求解[5]，具體方程如下:

1) 連續(xù)性方程。

(1)

式中：u為流體密度，g/cm3；t為時(shí)間，s；u為瞬時(shí)速度，m/s。

2) 動(dòng)量方程(Navier-Stokes)。

(2)

3) 湍流動(dòng)能(k)方程。

(3)

4) 湍流動(dòng)能耗散(ε)方程。

(4)

方程式(3)和(4)中，Cε1、Cε2、σk、σε均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，在Fluent程序中推薦Cε1=1.44，Cε2=1.92，σk=1.0，σε=1.3，ε為湍流動(dòng)能耗散。

1.3 數(shù)值模擬

本文應(yīng)用ANSYS軟件中的Fluent模塊對(duì)液力扭轉(zhuǎn)沖擊器內(nèi)部帶工藝孔的流道流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，采用Tet/Hybird對(duì)流道進(jìn)行混合網(wǎng)格劃分[7]。設(shè)定d1=10 mm，L=xd(x=1、2、3、4、5)，d=yd1(y=1.2、1.0、0.8、0.5)

對(duì)圖2流道結(jié)構(gòu)的模擬參數(shù)與結(jié)果如表1。

表1 工藝孔長度和直徑對(duì)進(jìn)出口壓差的影響

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 不同工藝孔長度液流特性仿真分析

通過ANSYS軟件中的Fluent模塊對(duì)數(shù)學(xué)模型，按照表1中d=d1=10 mm，L=xd(x=1、2、3、4、5)進(jìn)行模擬仿真，得到不同工藝孔長度下的壓力云圖和速度流線圖，非常直觀地將液力扭轉(zhuǎn)沖擊器的內(nèi)部液流特性展示出來，如圖3～6。

圖3 L=d的壓力云圖和速度流線

圖4 L=2d的壓力云圖和速度流線

圖5 L=3d的壓力云圖和速度流線

圖6 L=4d的壓力云圖和速度流線圖

從圖3所示的云圖可以看出，高壓液體在進(jìn)液口與上游轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)之間的壓力變化和下游轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)與出液口之間的壓力變化都比較小，且速度流線幾乎是一些平行線，沒有漩渦出現(xiàn)，流體流動(dòng)基本是穩(wěn)定的，而在上游轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)和下游轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)處壓力變化較大，速度流線發(fā)生劇烈變化，并產(chǎn)生了4處漩渦，說明高壓液體在流道內(nèi)壁上的沿程壓力損失較小，壓力損失主要集中在上下游的直角轉(zhuǎn)彎處。在上游直角轉(zhuǎn)彎處，流速增大，靠近壁面的液流出現(xiàn)分離脫流現(xiàn)象，在進(jìn)液流道容腔和直角轉(zhuǎn)向的工藝流道內(nèi)側(cè)產(chǎn)生了漩渦A和B(如圖3)，其漩渦尺寸較大，流線密集，說明漩渦強(qiáng)度較大。在漩渦區(qū)，液流流速降低，中心處近似為零，形成流動(dòng)滯止區(qū)。液流在滯止區(qū)做回旋運(yùn)動(dòng)，流動(dòng)的擴(kuò)張要克服液流黏性力的作用而產(chǎn)生較大能量損失，液流自身的回旋也消耗一定的能量[8]。高壓液體經(jīng)過上游直角轉(zhuǎn)彎后進(jìn)入工藝孔流道，由于工藝孔流道較短，液流沒有得到擴(kuò)散和附壁，就直接流入下游的直角轉(zhuǎn)彎處。在下游直角轉(zhuǎn)彎處，液流變化更加劇烈，流速進(jìn)一步增大，因液流在工藝孔流道內(nèi)沒有得到擴(kuò)散和附壁，所以加劇了液流的分離脫流，產(chǎn)生的漩渦尺寸更大，如圖3中的漩渦C和D。由圖3可以看出，漩渦C位于工藝孔容腔，液流的分離脫流現(xiàn)象比較嚴(yán)重，造成的漩渦尺寸較大，能量損失較大，漩渦D位于下游直角轉(zhuǎn)向的出液口流道內(nèi)側(cè)，漩渦尺寸很大，流線較為密集，說明該漩渦的強(qiáng)度較強(qiáng)，能量損失較大。從以上分析可知，下游直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的壓力損失大于上游直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的壓力損失，即下游直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的壓力損失起主導(dǎo)作用，這是由于兩個(gè)直角轉(zhuǎn)彎之間的工藝孔流道長度較小，兩處的漩渦相互影響，加大了下游直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的液阻，從而下游直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的壓力損失較大。

圖4所示是L=2d時(shí)的壓力云圖和速度流線圖，是在圖3模型下將工藝孔流道長度增大一倍后的仿真結(jié)果。從圖4中可以看出，液流的整體流速較L=d時(shí)有所減小，液流在上下游直角轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)處分離脫流強(qiáng)度有所下降，但是整個(gè)流道仍有和圖3相同位置的4個(gè)漩渦，漩渦的尺寸和流線的密集度與圖3相比都有所減小，液流在經(jīng)過上游直角轉(zhuǎn)彎后，開始進(jìn)行不完全的擴(kuò)張和附壁，然后進(jìn)入下游直角轉(zhuǎn)彎。由于工藝孔流道長度的加長，上下游直角轉(zhuǎn)彎處的漩渦相互影響減小，液流的液阻減小，壓力損失減小，由表1可以看到，L=d時(shí)的進(jìn)出液口壓降是55 973.4 Pa，L=2d時(shí)的進(jìn)出液口壓降是54 622.2 Pa，壓力損失減小了1 351.2 Pa。

圖5是在圖3模型下將工藝孔流道長度增大2倍后的仿真結(jié)果，從圖中可知，液流的整體流速和圖4相比又有所減小，液流在直角轉(zhuǎn)彎處的分離脫流強(qiáng)度得到進(jìn)一步的緩和，上下游直角轉(zhuǎn)彎處的4個(gè)漩渦尺寸比圖4又有所減小，流線相對(duì)稀疏。液流在工藝孔流道得到進(jìn)一步的擴(kuò)張和附壁，液流流動(dòng)逐漸平穩(wěn)，上下游直角轉(zhuǎn)彎處的漩渦相互影響進(jìn)一步減小，液阻減小，壓力損失減小，如表1所示，L=3d時(shí)的進(jìn)出液口壓降是53 490.6 Pa，較L=2d時(shí)的壓力損失減小了1 131.6 Pa。

圖6是在圖3模型下將工藝孔流道長度增大3倍后的仿真結(jié)果，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，液流經(jīng)過上游直角轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)后，在工藝孔流道內(nèi)得到了充分?jǐn)U張和附壁，雖然整體流速比圖5有所減小，但是在轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)處的局部速度有明顯提高，所以在直角轉(zhuǎn)彎處，液流分離脫流的強(qiáng)度比圖5增大，直角轉(zhuǎn)彎處的漩渦尺寸增大，流線更加密集，漩渦液阻增大，壓力損失增大，由表1知，L=4d時(shí)的進(jìn)出液口壓降是54 182.6 Pa，較L=3d時(shí)的壓力損失增加了692 Pa。從表1中看到，當(dāng)L=5d時(shí)的進(jìn)出口壓降為56 038.6 Pa，比L=4d時(shí)的壓力損失增加了1 856 Pa。

2.2 不同工藝孔長度對(duì)液流進(jìn)出口壓力影響

下面以曲線圖更直觀地表達(dá)工藝孔流道長度對(duì)進(jìn)出口壓力的影響。以L=xd(x=1、2、3、4、5)為橫坐標(biāo)，進(jìn)出口壓降為縱坐標(biāo)繪制在d=d1和d=1.2d1時(shí)不同工藝孔流道長度對(duì)進(jìn)出口壓力影響的曲線圖(如圖7)。

圖7 不同工藝孔流道長度對(duì)進(jìn)出口壓力的影響

結(jié)合表1中d=d1和d=1.2d1,L=xd(x=1、2、3、4、5)中的數(shù)據(jù)和圖7的曲線圖，可以發(fā)現(xiàn)，在L=3d附近進(jìn)出口壓力損失比其他工藝孔長度的壓力損失小。而隨著工藝孔流道長度的減小，進(jìn)出口壓力損失在逐步增大，這是由于液阻主要集中在局部流動(dòng)區(qū)域，各局部漩渦的相互干擾造成的；隨著工藝孔流道長度的增加，各局部漩渦的相互干擾在逐步減小甚至無干擾，但進(jìn)出口壓力損失仍在逐步增大，原因是液阻不僅集中在局部流動(dòng)區(qū)域，而且隨著液流在工藝孔流道內(nèi)的擴(kuò)張和附壁，工藝孔流道內(nèi)的液阻也在逐步增加。所以，在工藝孔流道直徑不小于進(jìn)出液口直徑時(shí)，設(shè)計(jì)工藝孔流道長度時(shí)既不能太短也不能太長，建議設(shè)計(jì)長度是工藝孔流道直徑的3倍，此時(shí)壓力損失較小。

2.3 不同工藝孔直徑與壓力損失關(guān)系

圖8～9分別是在進(jìn)出液口直徑d1=10 mm不變的情況下，d=0.8d1,L=3d和d=0.5d1,L=3d的壓力云圖和速度流線圖。

圖8 d=0.8d1,L=3d的壓力云圖和速度流線

圖9 d=0.5d1,L=3d的壓力云圖和速度流線

對(duì)比分析圖5、圖8和圖9仿真結(jié)果可知，在進(jìn)出口流道直徑相同，工藝孔流道長度L=3d不變下，d=0.8d和d=0.5d1時(shí)的壓力損失分別是d=d1時(shí)壓力損失的1.6倍和6.3倍，可見，在工藝孔直徑減小時(shí)，液阻急劇增加。液壓能的損失主要是由于工藝孔直徑減小而造成較大的局部液阻和速度的急劇增加而造成的較大漩渦。從表1中可知，即使改變工藝孔長度，壓力損失依然很大。所以，不合理的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)造成大量的能量損失?？傊谝毫εまD(zhuǎn)沖擊器流道設(shè)計(jì)時(shí)，工藝孔流道的直徑盡可能與進(jìn)出口流道直徑相同，來減小不必要的能量損失，提高液壓能的效率。

3 結(jié)論

1) 通過對(duì)直角轉(zhuǎn)彎孔道的仿真分析得出：上下游直角轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)處各產(chǎn)生兩處漩渦，漩渦主要位于工藝孔容腔和刀尖角處，漩渦的尺寸大小和速度直接決定著壓力損失的多少，是壓力損失的主要原因，這表明工藝孔的設(shè)計(jì)不容忽視。

2) 工藝孔直徑減小，直接引起速度急劇增大，直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)處液流速度的脈動(dòng)性增加，液阻增大，能量損失急劇增加。設(shè)計(jì)工藝孔直徑時(shí)，在滿足最小壁厚要求的前提下，盡可能使工藝孔直徑大于等于進(jìn)出液口流道直徑，以減少能量損失，提高流道的傳輸效率。

3) 在工藝孔直徑大于等于進(jìn)出液口流道直徑時(shí)，工藝孔流道長度太短，上下游直角轉(zhuǎn)彎處的漩渦相互影響，造成液阻增大，壓力損失增大；工藝孔流道長度太長，液阻不僅集中在局部流動(dòng)區(qū)域，而且隨著液流在工藝孔流道內(nèi)的擴(kuò)張和附壁，工藝孔流道內(nèi)的液阻也在逐步增加，壓力損失也將增大。所以，將工藝孔流道長度設(shè)計(jì)為工藝孔直徑的3倍，此時(shí)的壓力損失比其他工藝孔長度下的壓力損失小，進(jìn)而提高整個(gè)液力扭轉(zhuǎn)沖擊器的效率。