自激式无反馈流道涡流水力振荡器分析①

张 飞

(安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

随着现代钻探技术的不断发展，资源勘探也不断朝更高的水平前进，随之而来的是要面临更多的大位移井、长水平段水平井。钻井摩阻增大、托压、压差卡钻等问题也不断出现。以上原因使得钻进速度变慢[1-4]。解决上述问题水力振荡器是重要手段。在国内，聂云飞研制的自激式涡流水力振荡器，王传鸿对自激式水力振荡器结构性能及其振荡特性研究，秦春的水力脉冲射流钻井提速工具在江苏油田的应用等[5-7]。水力振荡器有明显的减摩降阻效果，经济效益较好[8-10]。目前含有橡胶元件的水力振荡器使用寿命短，且含有其它可活动部件，这使得水力振荡器的可靠性降低，使用成本上升。针对以上情况自激式水力振荡器被设计出来，自激式的水力振荡器可以解决上述问题，但也存在不足之处。就是它需要基于反馈管道才能产生振动射流。反馈管道的存在会造成振荡器的阻力相比一般的直射流喷嘴大得多，所以设计了无反馈流道涡流水力振荡器。该振荡器无反馈流道，只有一对对称分布在喷嘴附近的卷流引射腔，用来产生附壁效应。该振荡器在一定程度上缓解以上问题。

1 自激式无反馈流道涡流水力振荡器结构及工作原理

1.1 自激式无反馈流道涡流水力振荡器结构

自激式无反馈流道涡流水力振荡器可分为套筒和产生周期性振荡的内部流道两部分。而内部流道又可分为分流室，涡流室，劈尖和卷吸引射腔。因为要产生周期性振荡，单独的流道是不行的，所以需要两个流道呈对称结构分布在劈尖两侧。具体结构如图1所示。

1、外筒，2、流道体，3、流体转换腔，4、流体入口，5、流体出口，6、分流室，7、涡流室，8、劈尖，9、切换流道10、卷吸引射腔。

1.2 自激式无反馈流道涡流水力振荡器工作原理

振荡器内部流道钻井液单向流动如图2所示。钻井液通过喷嘴喷后通过卷吸引射腔,产生附壁效应，钻井液射流沿着劈尖的一侧流出。涡流室产生涡流并逐渐增强,与此同时,由于流道内需要平衡压强，所以部分钻井液会从另一侧回流到劈尖处。当此压力值继续升高到一定范围时,劈尖位置的流体会产生流道切换的趋势。该趋势逐渐增强,直至流道完全切换,伴随流道切换,涡流室内的涡流由强转弱并再次增强。以上流道切换过程呈现为周期性的特征,这也让从钻头处流出的钻井液强度呈周期性变化,带动水力振荡器产生周期性的来回振动冲击,从而降低管柱与井壁之间的摩擦阻力,增加管柱延伸进尺。

图2 单向液流方向

2 水力振荡器振荡特性数值模拟分析

2.1 流场运动分析

由工作原理可知，在一个工作周期内，自激式无反馈流道涡流水力振荡器内部流场会产生周期性变化。自激式无反馈流道涡流水力振荡器在一个振荡周期内内部流场的模拟结果如图3所示。

图3 一个周期流场流速云图

从图3可知：初始时，在卷吸引射腔的作用下产生附壁效应，然后射流随机沿着一条流道进入涡流室，随之生产涡流；随后涡流强度不断增加，压降增大的同时流体速度也增大，有部分液体从另一侧流道回流到劈尖处；最终涡流室中的流速达到最大，与此同时另一流道流回的流体使得下部负压作用于射流，经喷嘴的射流开始转向；在流道转换过程中，涡流强度逐渐减小直至消失，而内部流体流速降低，系统压降减小；射流转向完成后，另一流道开始作为附壁效应的主体，进而进入下个周期。

2.2 周期性压力

模拟自激式无反馈流道涡流水力振荡器出口压力变化情况，如图4所示。从图中可知：在水力振荡器的两个周期内，每个周期都有相似的规律，即在每个周期内出口压力都有大幅上升和下降部分，在上升部分是代表涡流形成直至涡流强度最大，在下降部分代表射流开始转向直至转向完成；下图示状态，入口流量20.1 L/s，压力振荡幅值4.37 MPa，压力振荡频率9.16 Hz。

图4 自激式无反馈流道涡流水力振荡器出口压力的变化情况

为了探索不同入口流量下振荡器出口压力变化，数值模拟了不同入口流量对出口压力变化的影响，下面展示了部分结果，如图5所示。

图5 不同入口流量下自激式无反馈

由图5可知：(a)流量为29.6 L/s时，压力振荡幅值为7.12 MPa，压力振荡频率为16.4 Hz；(b)流量41.2 L/s时，压力振荡幅值增大到10.31 MPa，压力振荡频率增大到19.13 Hz。表2为不同入口流量下出口压力的振荡幅值和振荡频率。

从表1中可以得出，在数值模拟中振荡器入口流量的增大，压力振荡幅值和振荡频率也随之增大。在上面剖面图中可以得到涡流室是不变的，因为入口流量的增大，所以涡流室有更快的流速，更快流速会带来更大的涡流强度，接着出口压力在开始切换流道和流道切换完成之间的浮动会更大，所以振荡也会更激烈。同时，入口流量的增大，涡流室的流体流速增大，会导致涡流更快的的产生和回流，振荡频率也随之增大。

表1 不同流量下出口压力的振荡幅值和振荡频率

通过上述分析可知，在水力振荡器使用中，通过调节流量可以调整压力振荡幅值从而得到不同需求的振荡频率进而满足钻进需要。

3 结 论

1)自激式无反馈流道涡流水力振荡器依靠射流喷嘴，卷流引射腔和涡流室生压力脉动，实现自激振动。在数值模拟上卷吸引射腔与涡流室产生的周期性振荡比现有的水力振荡器周期和频率更高，更有利于提高机械钻速。

2)对自激式无反馈流道涡流水力振荡器的振荡特性进行了模拟。模拟结果揭示卷吸引射腔、附壁效应和涡流室三者的关系以及该振荡器产生振荡的过程，并且分析了压力振荡幅值和振荡频率与入口流量的关系。

3)振荡器振荡特性模拟结果表明该振荡器的振荡频率与压力振荡幅值与流速也成正比关系，随着流速的不断增加振荡器的轴向振荡进一步加大。比传统振荡器产生更大的轴向位移，意味着更加有效地减少钻进过程的摩阻。