水力脉冲工具流场模拟及应用

孔学云，马认琦，刘传刚，魏刚，左凯

（中海油能源发展监督监理技术公司，天津 300452）＊

随着海洋石油勘探不断往深处发展，深井和超深井开发也越来越多，钻井过程中遇到复杂问题也随之增加，例如地层岩石破碎困难、岩屑压持效应增加、钻井速度降低等。常规的复合钻井技术“动力钻具＋转盘钻井工艺”尽管可很好的破岩，但在这种连续射流下产生的大量岩石无法及时返出清除，岩屑就会反复被切削，降低钻井效率。

本文通过流场模拟证明水力脉冲工具可以改变井底流场，并改变井底岩石受力状态，有助于改善岩石破碎效果，提高井底清除岩石效率，避免重复切削，提高机械钻速。

1 水力脉冲工具结构［1－3］

水力脉冲工具主要由壳体、导流罩、叶轮、喷嘴和叶轮座等主要部件组成，结构如图1所示。该工具结构可分为3部分。

1）提供叶轮旋转动力部分该部分主要部件是导流罩，它置于壳体内腔顶部，可改变钻井液的流动方向和速度，对叶轮的叶片产生切向力促使叶轮连续不断的高速旋转。

2）产生脉冲扰动部分该部分主要部件是叶轮，叶轮的高速旋转可连续改变流道面积，产生脉冲扰动。

3）脉冲放大部分该部分主要部件是喷嘴。叶轮总成产生的水力脉冲相对于喷嘴腔室入口为有源脉冲，位于工具最底部的喷嘴上部腔室对水力脉冲信号放大并产生流体谐振，进而产生压力波动。

实现3种功能：

1）水力脉冲改善井底流场，提高净化和清岩效率，减少压持和重复破岩。

2）空化冲蚀辅助破岩，提高破岩效率。

3）瞬时负压在井底产生瞬时负压脉冲，使局部瞬时欠平衡，改变井底岩面应力状态。

图1 水力脉冲工具结构

1.1 喷嘴结构

喷嘴结构设计是水力脉冲工具设计的难点和关键点，它是基于瞬态流理论和水声学原理设计的。当稳定流体流过喷嘴腔室的出口收缩断面时，产生自激压力激动，这种压力激动反馈回喷嘴腔室形成反馈压力振荡。控制喷嘴腔室尺寸和流体的马赫数及Strouhal数，使反馈压力振荡的频率与喷嘴腔室的固有频率相匹配，从而在喷嘴腔室内形成声谐共振，使喷嘴出口射流变成断续涡环流。

目前，喷嘴腔室的结构设计主要有风琴管和Helmholtz谐振腔2种。根据前人研究，基于风琴管谐振腔振荡模型设计的喷嘴可以产生具有良好破岩效果的自振空化射流［1］，本文中喷嘴腔室就是基于风琴管结构原理设计的。

1.2 叶轮材料

叶轮是水力脉冲工具中最容易受损的部件，它需要承受高速流体的冲击，同时，高速旋转的叶轮与叶轮轴之间不均匀的摩擦，使叶轮和叶轮轴受力不均匀，因此，叶轮和叶轮轴材质选择要考虑耐磨性和抗疲劳性。

2 流体计算数学模型

基于水力脉冲工具流场特点和流体性质，可假设流体为不可压缩，且不考虑重力和温度影响，采用湍流k－ε模型［4］。

式中：ρ为流体密度；μi为平均速度分量；ε为湍动能耗散率；k为湍动能；t为时间；x为张量形式的空间坐标；υ为流体动力黏度；σk为k 方程的湍流Parandtl常数，σk＝1；σε为ε方程的湍流Parandtl常数；σε＝1.3；Gk为速度梯度产生的湍流动能；μt为湍流速度；C1ε、C2ε、Cμ均为模型常数，C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，Cμ＝0.09。

3 ANSYS FLUENT流场模型

3.1 边界条件

1）ANSYS FLUENT 衔接的UDF函数编程

为能够真实模拟水力脉冲工具现场工况，模拟流体介质为钻井液，密度1.6g／cm3，黏度46s，入口流量为8.6m／s，出口静压为3.5 MPa。同时，根据水力脉冲工具原理，产生脉冲扰动是高速流体驱动叶轮转动，而ANSYS FLUENT 中的标准界面无法直接实现该功能，本模拟采用ANSYS UDF（UDF是用户根据模拟工况，用C 语言编写的一个函数，可以和FLUENT 动态链接）来实现流体驱动叶轮高速旋转。

根据水力脉冲工具结构和部件材质，提取旋转叶轮的质量和转动惯量。

m＝0.41kg；Ixx＝0.000134kg·m2；Iyy＝0.000134kg·m2；Izz＝0.0001kg·m2。因此，与ANSYS FLUENT 衔接的UDF函数为：

2）收敛设置为了保证将模拟计算收敛性，本模拟基于压力求解器残差设置为10－6级，入口和出口界面流体净通量＜1%。

3）步长设置采用湍流k－ε瞬态计算模型，时间步长为0.001s，计算步长总数220。

3.2 流体模型及边界设置

根据水力脉冲工具内部腔室尺寸，建立流体模型，并进行网格划分和边界条件设定。如图2

图2 水力脉冲工具网格模型及边界设置

与叶轮直接接触流体区域采用6面体网格，其余流体采用三角形四面体网格单元，局部网格最小单元尺寸1 mm，整体网格设置为基于曲率网格。六面体单元节点为67732个，单元为72466个；四面体单元节点70767个，单元338009个。

在图2b中，A为入口流速设定面，8.6 m／s；B为出口静压设定面，3.5 MPa；C、D、E为壁面条件设置，主要是为UDF 外部函数赋予、旋转流体域和不旋转流体域壁面上网格与数据传输。

4 模拟结果及分析

4.1 水力脉冲工具速度和压力场分析

由图3a速度场可知，叶轮旋转区域流体出现明显的脉动现象，最大流速37.66m／s，且出现在脉冲扰动区域。通过流体速度场动画可以看出，流体脉动幅度随径向距离的增加先逐渐增大，在某一径向距离处达到最大，随后又逐渐降低；最大脉动幅度并不出现在射流轴心，而是偏离轴心一段径向距离处；该工具流场模拟中的流体脉动幅度随径向距离变化规律与文献［1］中同类工具流体室内试验结果相吻合，文献［1］中试验结果详见图4。由此证明，用ANSYS FLUENT 软件模拟脉冲工具，能够真实反映脉冲工具的实际效果。

由图3b可知，在叶轮旋转区域存在有负压，最低负压达－0.493 MPa。

图3 水力脉冲工具速度和压力分布

图4中，s为试验过程中喷距值；无因次径向距离是将最优喷距与喷嘴出口直径之比；无因次压力脉动幅度是最优喷距下压力与不同直径的喷嘴对应压力比值；最优喷距是指在泵压一定条件下，射流冲击压力脉动值在某一合适喷距范围内达到最大，此喷距称为最优喷距［1］。

图4 风琴管喷嘴脉冲工具射流压力脉动幅度沿径向分布规律［1］

4.2 水力脉冲工具压力脉动频率分析

由图5可知，基于流体模型并选取距离模型出口10mm 处的1个截面，可以明显看出，该截面上存在明显压力脉冲波动；该压力脉冲波动通过ANSYS傅里叶级数变换得到的脉冲频率如图6，可知该脉冲可靠频率约为100Hz。

图5 距离出口10mm 截面压力－时间变化曲线

由ANSYS FlUENT 对水力脉冲工具流场模拟结果分析可知：水力脉冲工具能够很好地产生脉冲效应，且脉冲频率基本为100 Hz；流体压力脉动幅度随径向距离增加先增大而后逐渐降低，最大脉动幅度不出现在射流轴心，而是偏离轴心一段径向距离处；静压场中存在有明显负压，证明该工具可以产生瞬时负压和空化效应。

图6 距离出口10mm 截面压力脉冲频率

5 现场应用

该水力脉冲工具于2010年在CFD18－1N－1井进行现场试验，试验井段为2600～2899m。该井地层为东营组三段，岩性以高岭土质粉砂岩、含砾砂岩为主。钻井参数：钻压为20～50kN，转数为80～95r／min。泵排量为1500～1900L／min，压力为13～16 MPa。钻井液密度为1.28～1.29g／cm3，黏度为50～65s。钻具组合：8－1／2″PDC－BIT＋7″水力脉冲空化射流发生器＋X／O＋6－3／4″PDM（0.75°／209mm 螺旋翼扶正器）＋8－1／2″STB＋6－1／2″F／V（RING）＋6－1／2″DC×8＋6－1／2″（F／J＋JAR）＋5″HWDP×14。

在2600～2899m 井段使用水力脉冲工具，而从2900～3006m 未使用水力脉冲工具，实际钻进过程中监测了钻速和纯钻时间等参数，如表1所示。

表1 使用水力脉冲工具与未使用水力脉冲工具钻进参数对比

使用水力脉冲工具的平均机械钻速为20.98 m／h，不使用水力脉冲工具平均机械钻速为13.25 m／h。使用水力脉冲工具后平均机械钻速提高了58.34%。

由图7可知，相同地层和岩性井段，使用水力脉冲工具的2600～2899m 井段较未使用水力脉冲工具的2900～3006 m 井段每米钻进速度明显提高。

图7 有无水力脉冲工具钻进时井深和钻速关系

6 结论

1）采用ANSYS FLUENT 流体分析软件模拟了水力脉冲工具的流场，流场中压力脉动幅度随径向距离的增大为先增加后降低；流场中产生约100Hz的流体脉冲扰动，最低负压约－0.493 MPa，证明水力脉冲工具可以产生水力脉冲、瞬时负压和空化效应。

2）在CFD18－1N－1井的高岭土质粉砂岩井段试验，水力脉冲工具使机械钻速提高了58.34%。

3）水力脉冲工具中高速旋转的叶轮与叶轮轴容易断裂，应提高材质的耐磨性能和抗疲劳性能。

［1］李根生，沈忠厚，周长山，等.自振空化射流研究与应用进展［J］.中国工程科学，2005，7（1）：28－31.

［2］王学杰，李根生，康延军，等.利用水力脉冲空化射流复合钻井技术提高钻速［J］.石油学报，2009，30（1）：117－119.

［3］李燕.脉冲空化射流钻井技术研究与应用［J］.探矿工程，2011，38（3）：29－31.

［4］王尊荣，王森，徐艳，等.基于FLUENT 软件的喷砂器磨损规律数值模拟［J］.石油矿场机械，2012，41（8）：11－13.