一种滑阀式水力振荡器设计及脉冲压力波形分析

黄新宇 陈维

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2010-5640-7927

摘  要：水力振荡器是解决托压问题的主要方法之一。传统的水力振荡器由于其动阀与定阀盘是端面接触，导致磨损现象严重，是导致水力振荡器寿命低的主要原因之一。本文基于一种滑阀结构提出了一种新型滑阀式水力振荡器结构，对其进行相关结构的设计，并对其进行脉冲压力波形进行分析，得到该水力振荡器的脉冲范围为0.237～6.93MPa，具有较为良好的降摩减阻效果。

关键词：水力振荡器  滑阀  脉冲压力波形  降摩减阻

中图分类号：TE921                            文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2021）01（c）-0042-05

Design of a Slide Valve Hydraulic Oscillator and Analysis of Pulse Pressure Waveform

HUANG Xinyu  CHEN Wei

（School of Mechanical Engineering Yangtze University， Jingzhou， Hubei Province， 434000 China）

Abstract： Hydraulic oscillator is one of the main methods to solve the problem of supporting pressure. The traditional hydraulic oscillator is one of the main reasons for the low life of the hydraulic oscillator due to the serious wear phenomenon caused by the contact between the moving valve and the fixed valve plate .In this paper， a new type of slide valve hydraulic oscillator is proposed， and its pulse pressure waveform is analyzed. The pulse range of the hydraulic oscillator is 0.237 ～ 6.93mpa， which has good effect of reducing friction and drag.

Key Words： Hydraulic oscillator; Slide valve; Pulse pressure waveform; Drop the drag reduction

隨着浅层赋存较好的油气资源逐渐枯竭，经济发展又使得人们对油气资源的需求不断增加，进而使得石油钻井逐渐向深井、水平井和大位移井方向发展 [1-4]。在这样的井眼中钻井时钻杆柱不可避免与井壁接触，产生较大的摩擦阻力，出现“托压”现象，使传递到钻头上的钻压显著减小，使钻压传递效率下降，造成机械钻速低，建井周期增长，钻井成本上升[5-6]。严重时造成钻头空转影响钻井速度，更会增加钻井风险[7-9]。

因此，为了提高钻井效率、节约钻井成本，深井、水平井和大位移井的减摩降阻技术已成为广泛关注的热点。在现有的减摩降阻技术中，广泛应用水力振荡器来克服托压[10-12]。目前，传统水力振荡器的脉冲单元主要采用盘阀结构，例如NOV水力振荡器[13]，盘阀的静阀座与动阀盘端面接触，受端面接触压力和动阀盘旋转的影响，阀盘磨损非常严重，极大地降低了水力振荡器的工作寿命[14]。针对阀盘磨损非常严重的问题，基于一种滑动柱塞式压力脉冲阀提出一种滑阀式水力振荡器的解决方案，由于其阀组相对运动方向与轴向力方向一致，因此阀组受到的摩擦力会降低，由此带来的磨损现象可以得到缓解。

1  结构及工作原理

1.1 滑阀组结构设计

图1为滑阀组结构示意图。定阀上开有均与分布流道，滑阀动阀与传动机构连接，作轴向往复运动。当动阀由传动机构带动，进行下行运动时，会使定阀上流道的过流面积减小，从而导致压力增大;当动阀由传动机构带动，进行上行运动时，会使定阀上流道的过流面积增大，从而导致压力增小。当传动机构带动滑阀动阀作周期性往复运动使，会导致定阀上流道的过流面积发生周期性改变，进而产生压力脉冲。

1.2 滑阀式水力振荡器结构及工作原理

图2为滑阀式水力振荡器结构示意图。在钻井过程中由涡轮部分提供动力带动涡轮轴转动，涡轮轴下端上有特定轨迹的轨道槽，在轨道槽的约束作用下，销钉可以沿着轨道槽作轴向往复运动，传动套筒通过销钉与涡轮轴连接，而滑阀动阀通过螺纹连接与传动套筒连接，当销钉作往复运动时，会带动传动套筒产生往复运动，从而带动滑阀动阀作轴向往复运动，当滑阀动阀作轴向往复运动时，与滑阀定阀之间的位置发生周期性改变，从而导致定阀上流道的过流面积发生周期性变化，进而产生周期性压力脉冲。周期性的压力脉冲使振荡短节产生周期性轴向振动，达到降摩减阻的效果。

1.3 轨道槽结构设计

根据滑阀式水力振荡器工作原理可以知道，滑阀组动阀的运动是一种轴向往复运动，因此当其运动方向发生改变时，其速度为0，及此时轨道槽曲线的导数y'=0，根据这些曲线特性，可以得到，涡轮轴上的轨迹槽设计成正弦曲线时是可以满足要求的，曲线表达式为：

式中：y——滑阀动阀位移，mm;

H——滑阀动阀最大行程，mm;

t——运动时间，s。

将涡轮轴展开成平面图，其轴轨迹槽示意图如图3所示。

2  压力脉冲波形分析

2.1 过流面积的变化

将滑阀组定阀柱面展开成平面，如图4所示。滑阀定阀上开有3个均匀分布的矩形流道口，其中流道口的宽为D，高为L。滑阀动阀轴向方向行程示意图为图5所示，最大行程为H，上极限位置与流道口距离为h。

得到动阀组在运动过程中，过流面积在一个周期内的变化表达式，如下：

2.2 阀前阀后瞬时压差计算公式

阀前阀后的瞬时压差计算公式[15]：

式中：ρ——泥浆密度，kg/m3;

S——过流面积，m2;

Cd——为流量系数，一般Cd= 0.6～0.8;

?P——为瞬时压差，MPa。

2.3 CFD数值模拟

使用三维建模软件SolidWorks建立了该阀系的流道模型。采用Fluent专用前处理软件mesh对流道模型进行网格划分，在动阀边界设置动网格，使用UDF定义动网格运动规律，并在阀口处使用interface设置交界面;分别设置两端为进口和出口。阀系流道网格模型如图6所示。

将mesh生成的網格模型导入Fluent软件中，在Fluent中定义了流动介质为水，并选择计算模型为2阶标准k-epsilon模型;设置进口为流量进口，为30L/s;设置出口为压力出口，为标准大气压强;流体介质为水;设置时间步长和步数，对该阀系模型进行一个周期的仿真分析，得到该阀系一个周期内的脉冲压力规律，其中最小脉冲压力云图如图7（a）所示，最大脉冲压力云图如图7（b）所示。

根据仿真得到的脉冲压力云图可以绘制一个周期内脉冲压力随时间的变化曲线如图8所示。

由图7、图8可知，当滑阀动阀运动到下极限位置，即过流面积最小时，有最大压降6.93MPa;当滑阀动阀未对过流面积产生影响，即过流面积最大时，有最小压降0.237MPa。可以得到该滑阀式水力振荡器的脉冲压力范围为0.237～6.93MPa，具有较为良好的降摩减阻的效果。

3  结论

（1）提出一种新型滑阀式水力振荡器。滑阀式水力振荡器不同于传统的盘阀式水力振荡器，采用滑阀设计的这种水力振荡器，由于其阀组相对运动方向与轴向力方向一致，因此阀组受到的摩擦力会降低，由此带来的磨损现象可能会缓解;

（2）对这种滑阀式水力振荡器进行了脉冲压力波形分析。得到该滑阀式水力振荡器的脉冲压力范围为0.237～6.93MPa，具有较为良好的降摩减阻的效果。

参考文献

[1] 陈勇，蒋化军，练章华，等.水平井钻井摩阻影响因素分析与减摩技术[J].石油机械，2013，41（9）：29-32.

[2] 裴学良，张辉，赵传伟.水力脉冲轴向振荡减摩钻井技术分析[J].石油矿场机械，2020，49（5）：42-48.

[3] 何超，向贵川，姚建林.水力振荡器室内测试平台研制及应用[J].钻采工艺，2016，39（6）：62-63，5.

[4] 张林强，赵俊，王鹏，等.三维振动冲击器钻井提速工具研制与现场试验[J].石油机械，2017，45（5）：61-65.

[5] 陈勇，蒋祖军，练章华，等.水平井钻井摩阻影响因素分析及减摩技术[J].石油机械，2013，41（9）：29-32.

[6] 付加胜，李根生，史怀忠，等.井下振动减摩技术研究进展[J].石油机械，2012，40（10）：6-10，45.

[7] 宋保健，孙凯，乐守群，等.涪陵页岩气田钻井提速难点与对策分析[J].钻采工艺，2019，42（4）：9-12，6.

[8] 郭元恒，何世明，刘忠飞，等.长水平段水平井钻井技术难点分析及对策[J].石油钻采工艺，2013，35 （1）：14-18.

[9] Newman KR.Vibration and rotation considerations in extending coiled-tubing reach[J]SPE106979，2007.

[10] 刘清友，单代伟，王国荣.微小井眼水力加压器结构设计及钻压计算[J].石油学报，2009，30（2）：304-307.

[11] 文平，陈波，雷巨鹏，等.液动冲击旋转钻井技术在玉门青西油田的应用[J].天然气工业，2004，24（9）：64-67.

[12] 胥豪，牛洪波，唐洪林，等.水力振荡器在新场气田新沙21-28H井的应用[J].天然气工业，2013，33（3）：64-67.

[13] Sola K，Lund B.New downhole tool for coiled tubing extended reach[R].SPE 60701，2000.

[14] 沈楠，钱利勤，冯定，等.一种立阀结构水力振荡器的研制与分析[J].长江大学学报：自科版，2018，15 （11）：64-66.

[15] 夏成宇，吕加华，钱利勤，等.脉冲式增压器增压特性研究[J].科学技术与工程，2016，16（2）：148-152.