夏秀文，李洪利，李 勇

（中國石油渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457）

0 引言

深井下部地層堅硬并存在復雜的夾層，可鉆性差（8～10級）、研磨性極強（8～10 級），鉆壓扭矩波動較大，在井深不斷增加的情況下，鉆桿長度隨井深的增加而增加，此時鉆頭在切削巖石時主動扭矩的循環(huán)積聚或釋放以及鉆柱與井壁的摩擦將會引起嚴重的粘滑振動現(xiàn)象。扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井破巖方式改變了PDC 鉆頭的運動方式，在井底除公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)之外，鉆頭以滑動剪切破碎方式為主，以沖擊、壓碎為輔，從持續(xù)的轉(zhuǎn)矩輸入轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)轉(zhuǎn)矩與周期性的高能沖擊相互疊加，從而大幅減少或消除鉆頭的粘滑振動，提高鉆進效率。開展扭轉(zhuǎn)沖擊器的流場仿真分析，對于提高我國深部硬地層鉆井技術(shù)水平意義重大。

1 扭轉(zhuǎn)沖擊器流體計算理論

扭轉(zhuǎn)沖擊器采用流體作為驅(qū)動介質(zhì)，流體進入工具內(nèi)部分成3 個部分：①一部分經(jīng)過中部分流裝置下端的噴嘴處繼續(xù)向下流動，進入鉆頭處；②一部分從分流機構(gòu)進入沖擊腔推動錘體旋轉(zhuǎn)；③剩余部分進入換向通道。與其他兩個通道相比，換向通道的體積很小，計算工具的水力學參數(shù)時可以忽略這部分流量。

工具內(nèi)部流體的分流情況如圖1 所示，其中中部流道的流體和沖擊腔內(nèi)的流體為并聯(lián)的關(guān)系。根據(jù)流體并聯(lián)關(guān)系的特點，沖擊腔內(nèi)的流體和中部流道所造成的壓降相等，這樣可以分析計算工具的壓降和流量分配關(guān)系。

由于整個工具的長度較短且表面較為光滑，因此可以忽略工具摩阻，工具壓降主要是由局部壓降造成，而形成局部壓降的主要原因為流向改變和截面積突變。

1.1 中部流道

進入中部流道的流體，通過中部噴嘴處時截面積突然減小，造成的壓降為ΔP11：

其中：ΔP11為噴嘴處所造成的壓降，ξ11為局部壓降系數(shù)，ρ為流體密度，v11為噴嘴出口處流體的流速，Q1為從中部流道經(jīng)過的流體的流量，A11為噴嘴的過流面積。

1.2 沖擊腔

工具有兩個完全相同且對稱的沖擊腔，兩個沖擊腔為并聯(lián)的關(guān)系，分析時只需要計算一個沖擊腔即可。

（1）流體從軸向運動的方向進入沖擊腔內(nèi)，流體的運動方向改變90°，同時流道面積也有突變，產(chǎn)生的壓降ΔP21為：

其中，ΔP21為該處造成的壓降，ξ21為改變方向時的局部壓降系數(shù)，ξ22為截面積突變時的局部壓降系數(shù)，v21為進入沖擊腔通道內(nèi)流體的流速，Q2為進入單個沖擊腔內(nèi)流體的流量，A21為進入沖擊腔通道的過流面積。

（2）高壓流體進入沖擊腔的同時，推動沖擊錘轉(zhuǎn)動，將沖擊錘另一端的低壓流體從側(cè)面的通道排出。低壓流體排出時，會出現(xiàn)截面積突變、流向改變，這時所產(chǎn)生的壓降ΔP31為：

其中，ΔP31為該處造成的壓降，ξ31為局部壓降系數(shù)，ξ32為截面積突變時的局部壓降系數(shù)，v31為從沖擊腔通道內(nèi)排出流體的流速，A31為沖擊腔排出通道的過流面積。

（3）排出后的流體從下端的通道流出并和中部通道流出的流體匯合，這部分的流體截面積發(fā)生突變，產(chǎn)生的壓降ΔP41為：

其中，ΔP41為該處造成的壓降，ξ41為局部壓降系數(shù)，ξ42為局部壓降系數(shù)，v41為從沖擊腔通道內(nèi)排出流體的流速，A41為通道的過流面積。

（4）由于中部流道和沖擊腔流體之間的關(guān)系為并聯(lián)的關(guān)系，沖擊腔所產(chǎn)生的壓降和中部流道所產(chǎn)生的壓降相等，即ΔP11=ΔP21+ΔP31+ΔP41，同時有：

其中，工具入口處的總流量為Q，從中間通道流出的流體為Q1，進入單個擺腔的流體為Q2，流量之間的關(guān)系為Q=Q1+2Q2。

由上述分析可知，中部噴嘴的過流面積越小、工具的壓降越大，從噴嘴處流到下端的流體的流量越小、進入沖擊腔內(nèi)的流體的流量越大，沖擊錘的頻率越高、扭轉(zhuǎn)沖擊功越大。沖擊腔入口流道尺寸越小，進入沖擊腔和從沖擊腔排出的阻力越大，損耗的能量越大。流道面積越大越好，但是過大會降低沖擊錘強度，因此在設計時需要綜合考慮壓降和工具強度。

2 扭轉(zhuǎn)沖擊器的井下流場數(shù)值模擬仿真

2.1 數(shù)值模擬仿真

圖2 扭轉(zhuǎn)沖擊器井下工作全工況仿真模型

其次，已知工具內(nèi)外部流體的密度為1120 kg/m3，計算相關(guān)條件為：

（1）進口條件：流量進口分別設置為30 L/s、34 L/s、38 L/s，湍流強度3.19%。

（2）出口條件：液體出口設置為壓力出口。

（3）壁面條件：無滑移壁面邊界條件。

然后，重點分析扭轉(zhuǎn)沖擊器在流量為30～38 L/s 條件下的法向力、扭矩、加速度、速度、沖擊時間受液體流量的影響規(guī)律。先進行初始態(tài)計算，再計算滿程運動（圖3～圖4、表1）。

表1 扭轉(zhuǎn)沖擊器在流量30 L/s 工況下初始態(tài)的各項計算數(shù)據(jù)

圖3 3 種工作排量的初始態(tài)

圖4 沖擊錘慣性質(zhì)量屬性

最后，通過流體的流線圖得到扭轉(zhuǎn)沖擊器內(nèi)部與外部的流體運動軌跡、各個位置的流動速度、湍流分布等數(shù)據(jù)（圖5～圖7）。

圖5 流跡圖

圖6 流場壓力切面圖

圖7 流場壓力表面圖

由上分析可知，當設定進口排量為最大的38 L/s 時，模擬仿真計算整套扭沖工具進出口壓差在初始態(tài)時最大為2.923 MPa，之后逐漸減小。

2.2 仿真結(jié)果分析

依據(jù)理論模型與流體模擬仿真計算結(jié)果，得到?jīng)_擊錘在30 L/s工作排量下初始態(tài)的旋轉(zhuǎn)加速度、旋轉(zhuǎn)扭矩、相對壓力等參數(shù)。加速度隨著內(nèi)部流體分流增加逐漸減小，應用非定常數(shù)計算扭轉(zhuǎn)沖擊器往復工作一次所需時間為0.027 58 s，沖擊頻率為36 Hz。

3 結(jié)論分析

通過研究扭轉(zhuǎn)沖擊器在液壓推動下做往復沖擊運動，工作一次所需時間為0.027 58 s，沖擊頻率為36 Hz，進出口壓差在1.9～2.9 MPa，得到了不同液體流量下其內(nèi)部旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的受力與運動特性。