張 飛

(安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

隨著現(xiàn)代鉆探技術(shù)的不斷發(fā)展，資源勘探也不斷朝更高的水平前進，隨之而來的是要面臨更多的大位移井、長水平段水平井。鉆井摩阻增大、托壓、壓差卡鉆等問題也不斷出現(xiàn)。以上原因使得鉆進速度變慢[1-4]。解決上述問題水力振蕩器是重要手段。在國內(nèi)，聶云飛研制的自激式渦流水力振蕩器，王傳鴻對自激式水力振蕩器結(jié)構(gòu)性能及其振蕩特性研究，秦春的水力脈沖射流鉆井提速工具在江蘇油田的應用等[5-7]。水力振蕩器有明顯的減摩降阻效果，經(jīng)濟效益較好[8-10]。目前含有橡膠元件的水力振蕩器使用壽命短，且含有其它可活動部件，這使得水力振蕩器的可靠性降低，使用成本上升。針對以上情況自激式水力振蕩器被設計出來，自激式的水力振蕩器可以解決上述問題，但也存在不足之處。就是它需要基于反饋管道才能產(chǎn)生振動射流。反饋管道的存在會造成振蕩器的阻力相比一般的直射流噴嘴大得多，所以設計了無反饋流道渦流水力振蕩器。該振蕩器無反饋流道，只有一對對稱分布在噴嘴附近的卷流引射腔，用來產(chǎn)生附壁效應。該振蕩器在一定程度上緩解以上問題。

1 自激式無反饋流道渦流水力振蕩器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 自激式無反饋流道渦流水力振蕩器結(jié)構(gòu)

自激式無反饋流道渦流水力振蕩器可分為套筒和產(chǎn)生周期性振蕩的內(nèi)部流道兩部分。而內(nèi)部流道又可分為分流室，渦流室，劈尖和卷吸引射腔。因為要產(chǎn)生周期性振蕩，單獨的流道是不行的，所以需要兩個流道呈對稱結(jié)構(gòu)分布在劈尖兩側(cè)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1、外筒，2、流道體，3、流體轉(zhuǎn)換腔，4、流體入口，5、流體出口，6、分流室，7、渦流室，8、劈尖，9、切換流道10、卷吸引射腔。

1.2 自激式無反饋流道渦流水力振蕩器工作原理

振蕩器內(nèi)部流道鉆井液單向流動如圖2所示。鉆井液通過噴嘴噴后通過卷吸引射腔,產(chǎn)生附壁效應，鉆井液射流沿著劈尖的一側(cè)流出。渦流室產(chǎn)生渦流并逐漸增強,與此同時,由于流道內(nèi)需要平衡壓強，所以部分鉆井液會從另一側(cè)回流到劈尖處。當此壓力值繼續(xù)升高到一定范圍時,劈尖位置的流體會產(chǎn)生流道切換的趨勢。該趨勢逐漸增強,直至流道完全切換,伴隨流道切換,渦流室內(nèi)的渦流由強轉(zhuǎn)弱并再次增強。以上流道切換過程呈現(xiàn)為周期性的特征,這也讓從鉆頭處流出的鉆井液強度呈周期性變化,帶動水力振蕩器產(chǎn)生周期性的來回振動沖擊,從而降低管柱與井壁之間的摩擦阻力,增加管柱延伸進尺。

圖2 單向液流方向

2 水力振蕩器振蕩特性數(shù)值模擬分析

2.1 流場運動分析

由工作原理可知，在一個工作周期內(nèi)，自激式無反饋流道渦流水力振蕩器內(nèi)部流場會產(chǎn)生周期性變化。自激式無反饋流道渦流水力振蕩器在一個振蕩周期內(nèi)內(nèi)部流場的模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 一個周期流場流速云圖

從圖3可知：初始時，在卷吸引射腔的作用下產(chǎn)生附壁效應，然后射流隨機沿著一條流道進入渦流室，隨之生產(chǎn)渦流；隨后渦流強度不斷增加，壓降增大的同時流體速度也增大，有部分液體從另一側(cè)流道回流到劈尖處；最終渦流室中的流速達到最大，與此同時另一流道流回的流體使得下部負壓作用于射流，經(jīng)噴嘴的射流開始轉(zhuǎn)向；在流道轉(zhuǎn)換過程中，渦流強度逐漸減小直至消失，而內(nèi)部流體流速降低，系統(tǒng)壓降減??；射流轉(zhuǎn)向完成后，另一流道開始作為附壁效應的主體，進而進入下個周期。

2.2 周期性壓力

模擬自激式無反饋流道渦流水力振蕩器出口壓力變化情況，如圖4所示。從圖中可知：在水力振蕩器的兩個周期內(nèi)，每個周期都有相似的規(guī)律，即在每個周期內(nèi)出口壓力都有大幅上升和下降部分，在上升部分是代表渦流形成直至渦流強度最大，在下降部分代表射流開始轉(zhuǎn)向直至轉(zhuǎn)向完成；下圖示狀態(tài)，入口流量20.1 L/s，壓力振蕩幅值4.37 MPa，壓力振蕩頻率9.16 Hz。

圖4 自激式無反饋流道渦流水力振蕩器出口壓力的變化情況

為了探索不同入口流量下振蕩器出口壓力變化，數(shù)值模擬了不同入口流量對出口壓力變化的影響，下面展示了部分結(jié)果，如圖5所示。

圖5 不同入口流量下自激式無反饋

由圖5可知：(a)流量為29.6 L/s時，壓力振蕩幅值為7.12 MPa，壓力振蕩頻率為16.4 Hz；(b)流量41.2 L/s時，壓力振蕩幅值增大到10.31 MPa，壓力振蕩頻率增大到19.13 Hz。表2為不同入口流量下出口壓力的振蕩幅值和振蕩頻率。

從表1中可以得出，在數(shù)值模擬中振蕩器入口流量的增大，壓力振蕩幅值和振蕩頻率也隨之增大。在上面剖面圖中可以得到渦流室是不變的，因為入口流量的增大，所以渦流室有更快的流速，更快流速會帶來更大的渦流強度，接著出口壓力在開始切換流道和流道切換完成之間的浮動會更大，所以振蕩也會更激烈。同時，入口流量的增大，渦流室的流體流速增大，會導致渦流更快的的產(chǎn)生和回流，振蕩頻率也隨之增大。

表1 不同流量下出口壓力的振蕩幅值和振蕩頻率

通過上述分析可知，在水力振蕩器使用中，通過調(diào)節(jié)流量可以調(diào)整壓力振蕩幅值從而得到不同需求的振蕩頻率進而滿足鉆進需要。

3 結(jié) 論

1)自激式無反饋流道渦流水力振蕩器依靠射流噴嘴，卷流引射腔和渦流室生壓力脈動，實現(xiàn)自激振動。在數(shù)值模擬上卷吸引射腔與渦流室產(chǎn)生的周期性振蕩比現(xiàn)有的水力振蕩器周期和頻率更高，更有利于提高機械鉆速。

2)對自激式無反饋流道渦流水力振蕩器的振蕩特性進行了模擬。模擬結(jié)果揭示卷吸引射腔、附壁效應和渦流室三者的關(guān)系以及該振蕩器產(chǎn)生振蕩的過程，并且分析了壓力振蕩幅值和振蕩頻率與入口流量的關(guān)系。

3)振蕩器振蕩特性模擬結(jié)果表明該振蕩器的振蕩頻率與壓力振蕩幅值與流速也成正比關(guān)系，隨著流速的不斷增加振蕩器的軸向振蕩進一步加大。比傳統(tǒng)振蕩器產(chǎn)生更大的軸向位移，意味著更加有效地減少鉆進過程的摩阻。