張志強(qiáng) 梅紅山

摘要：該文針對(duì)滑閥式水力振蕩器的滑閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，分別分析了最小過(guò)流面積、滑閥流道形狀等方面對(duì)振蕩器性能的影響。對(duì)現(xiàn)有滑閥組進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)并通過(guò)對(duì)滑閥組進(jìn)行CFD模擬分析，在滿足要求的壓降范圍內(nèi)，對(duì)滑閥組的閥口形狀、流道口傾斜角度進(jìn)行分析，確定滑閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律及行程。該文認(rèn)為，在標(biāo)定的工作情況下，在閥口底部開(kāi)5個(gè)直徑為10mm的小孔，側(cè)壁流道口形狀為圓槽形，流道開(kāi)口傾斜角度為15°時(shí)，滑閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律為正弦函數(shù)，行程為60mm，產(chǎn)生的壓降范圍0.172～4.81MPa，是較為理想的工作狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：水力振蕩器滑閥 ? CFD模擬結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TE921文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：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

在對(duì)深井、水平井和大位移井鉆井時(shí)，鉆桿柱不可避免要與井壁接觸，產(chǎn)生較大的摩擦阻力，出現(xiàn)“托壓”現(xiàn)象，使傳遞到鉆頭上的鉆壓顯著減小。托壓現(xiàn)象不僅影響鉆井速度，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成鉆頭空轉(zhuǎn)。水力振蕩器是常用的井下振動(dòng)減阻工具之一，對(duì)托壓現(xiàn)象有良好的改善作用。目前，水力振蕩器的脈沖單元主要采用盤閥結(jié)構(gòu)，盤閥的靜閥座與動(dòng)閥盤端面接觸，受端面接觸壓力和動(dòng)閥盤旋轉(zhuǎn)的影響，閥盤磨損非常嚴(yán)重，極大地降低了水力振蕩器的工作壽命[1-2]。

1滑閥式水力振蕩器的工作原理

不同于傳統(tǒng)盤閥水力振蕩器，滑閥式水力振蕩器的閥門系統(tǒng)采用滑閥系統(tǒng)，其裝配圖如圖1所示。

滑閥式水力振蕩器的工作原理是，鉆井液從上接口進(jìn)入，驅(qū)動(dòng)螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，螺桿馬達(dá)驅(qū)動(dòng)軌道軸心桿轉(zhuǎn)動(dòng)，軌道軸心桿上有軌道槽，能將軌道軸心桿的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為動(dòng)滑閥的周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)滑閥的周期性運(yùn)動(dòng)會(huì)使滑閥系統(tǒng)的過(guò)流面積周期性改變，從而產(chǎn)生周期性的壓力脈沖。周期性壓力脈沖會(huì)反饋到振蕩短節(jié)的活塞，使得振蕩短節(jié)的活塞和碟簧產(chǎn)生周期性的軸向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而形成振蕩[3-4]。

該文研究的滑閥式水力振蕩器的相關(guān)參數(shù)為：外徑為172mm;通入的鉆井液流量為27L/s;鉆井液密度為1100kg/m3;施加的鉆壓為80kN;工作頻率為16Hz;工作壓降為4.5MPa;振幅為4.5mm。

2 滑閥組流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1最小過(guò)流面積

相較于普通的盤閥結(jié)構(gòu)，滑閥能有效地避免端面接觸所帶來(lái)的端面磨損問(wèn)題，但滑閥系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)靠軌道軸心桿來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且軌道存在運(yùn)動(dòng)磨損。這使得動(dòng)滑閥行程會(huì)隨著軌道的磨損發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致過(guò)流面積變化規(guī)律不及預(yù)期，在極端情況下會(huì)產(chǎn)生憋壓的情況，使得滑閥不能正常產(chǎn)生壓力脈沖。為避免這種情況的發(fā)生，需要對(duì)滑閥系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)最小過(guò)流面積。該文通過(guò)對(duì)定滑閥底部開(kāi)設(shè)多個(gè)直徑為10mm的小孔的方式來(lái)保障最小過(guò)流面積不受動(dòng)滑閥運(yùn)動(dòng)的影響。

滑閥組的最大壓降、最小壓降是振蕩器振蕩性能主要影響因素。該文為分析最小過(guò)流面積對(duì)振蕩器工作性能的影響，分別對(duì)小孔數(shù)量為3、4、5、6的滑閥閥組的流道模型進(jìn)行建模，并導(dǎo)入到CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到網(wǎng)格模型。

由于滑閥組動(dòng)閥是處在一個(gè)持續(xù)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，因此要在動(dòng)閥邊界設(shè)置動(dòng)網(wǎng)格來(lái)保證網(wǎng)格模型進(jìn)行迭代。通過(guò)UDF定義動(dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并在閥口流道與動(dòng)網(wǎng)格相交面處設(shè)置交界面。設(shè)置瞬態(tài)計(jì)算，流動(dòng)介質(zhì)為水，計(jì)算模型為2階標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型，進(jìn)口為流量進(jìn)口，為27L/s;出口為壓力出口，壓強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)[5]。

通過(guò)CFD仿真得到不同小孔數(shù)量下的滑閥組最大壓降、最小壓降以及工作壓降，根據(jù)仿真結(jié)果繪制在一個(gè)周期T內(nèi)，不同小孔數(shù)量的閥組結(jié)構(gòu)的壓力脈沖波形圖如圖2所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可以看到，當(dāng)定閥底部的小孔數(shù)量增加，會(huì)導(dǎo)致壓降的降低，并且小孔數(shù)量的改變對(duì)滑閥組的最高壓降影響較大，而對(duì)滑閥組的最低壓降影響較小。

2.2 定滑閥側(cè)壁開(kāi)孔口形狀

已知滑閥組的工作壓降為最大壓降與最小壓降的差值，且最大壓降的值基本與側(cè)壁的流道結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，其主要取決于底部小孔的過(guò)流面積;而最小壓降值則由底部小孔與側(cè)壁上的流道一同控制。

水力振蕩器的振幅取決于工作壓降的大小，在工作壓降的取值范圍內(nèi)，工作壓降越大，水力振蕩器的振幅越明顯，降摩減阻效果越好，因此可通過(guò)提高閥組的最大壓降或降低最小壓降來(lái)增加工作壓降。但是當(dāng)最大壓降值升高時(shí)，水力振蕩器的整體最高壓降也會(huì)升高，不利于鉆井工作;而降低最小壓降，使水力振蕩器的整體最低壓降減小，基本不會(huì)影響鉆井工作。因此，可通過(guò)減小最小壓降來(lái)增大工作壓降。由于改變最小過(guò)流面積會(huì)改變滑閥組的最大壓降，因此，主要針對(duì)側(cè)壁流道進(jìn)行優(yōu)化[6]。

現(xiàn)有的立閥式水力振蕩器，流道口形狀為矩形?？紤]到流體流動(dòng)特性，該文將流道口形狀改為圓槽形，并通過(guò)CFD模擬，分析流道口形狀對(duì)滑閥組最低壓降的影響。流道口形狀的平面展開(kāi)圖如圖3所示。原矩形尺寸為L(zhǎng)=40mm，H=17.85mm，在閥口面積不變且流道口長(zhǎng)度尺寸不變的前提下，則圓槽形流道口尺寸為R=10mm，L=20mm。

基于上文仿真方法，對(duì)不同流量下，不同流道口形狀的閥組流道模型進(jìn)行分析，得到在流量為25L/s、27L/s、30L/s、33L/s、35L/s時(shí)，圓槽形和矩形流道口的最小壓降，根據(jù)仿真結(jié)果，可以得到閥組最低壓降與不同流道口形狀之間的規(guī)律，如圖4所示。

可以得出，不同流道口形狀的改進(jìn)滑閥組結(jié)構(gòu)的最低壓降不同，其中流道口形狀為圓槽形能夠起到降低最小壓降的作用。

3結(jié)語(yǔ)

（1）當(dāng)定滑閥底部的小孔數(shù)量增加，即最小過(guò)流面積增加，會(huì)導(dǎo)致工作壓降的降低，并且小孔數(shù)量的改變對(duì)滑閥組的最高壓降影響較大，而對(duì)滑閥組的最低壓降影響較小。

（2）不同流道口形狀會(huì)影響滑閥組最低壓降，其中圓槽形流道口滑閥組相較于矩形流道口滑閥組的最低壓降更小。

參考文獻(xiàn)

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[3] 黃新宇，陳維.一種滑閥式水力振蕩器設(shè)計(jì)及脈沖壓力波形分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2021，18（3）：42-46.

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[6] 趙傳偉.自激式水力振蕩器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].天然氣工業(yè)，2021，41（2）：132-139.