井下水力增压器的研制与工作性能分析

黄壮，宋顺平，李小鹏，夏成宇，黄和祥，许炜，何宇航

(1.长江大学机械工程学院,湖北荆州 434023；2.中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司，陕西西安 710016)

0 前言

为了提高水力喷砂射孔技术的射流压力，本文作者在井下增压钻井技术的基础上设计了能应用于水力喷砂射孔的井下水力增压器。在井下水力增压器中，活塞的运动是决定增压器实现能量转换、获得高压射流的关键。因此，针对活塞运动过程的研究对井下水力增压器的性能好坏和增压效率具有重要的意义。

自20世纪90年代以来，井下增压技术开始了长足的发展，国内外研究者们先后研制了各种基于不同原理的井下增压装置，并对其增压性能进行了大量的研究。但这些研究往往只分析活塞加压过程对增压器增压效果的影响，忽略活塞回程时引起的变化，对增压器性能的分析不全面。针对上述问题，本文作者根据井下水力增压器活塞正反行程中流体实际运动情况建立相应的流体域模型，利用Fluent动网格技术研究增压器在工作过程中的工作性能，并分析增压器工作频率与固有频率之间的关系，通过试验验证该装置的可行性，以期为后续增压器的进一步优化设计提供依据。

1 井下水力增压器工作原理

如图1所示，井下水力增压器主要由输入流道、输出流道、换向导杆、换向块、活塞、挡块、单向阀、高压流道等部分组成。在工作过程中，该装置由液体提供动力，通过换向块的移动控制活塞上下腔与不同流道的连通，以改变活塞上下两端的压力差，将液体的压力能转化为活塞往复运动的机械能，将部分液体增压至超高压，然后带动磨料冲击套管、水泥环以及地层岩石，实现水力喷砂射孔技术井下增压的目的；其余液体则从低压流道流出，起到清洗井底岩屑的作用。

图1 井下水力增压器基本结构

2 工作性能分析

2.1 理论控制模型

2.1.1 动网格控制模型

活塞的运动会引起活塞腔流域形状的改变，这种变化的流场是动边界流场的基本形式，因此需要应用动网格技术。利用动网格技术计算活塞腔流域需要考虑动边界移动的影响，列表达式如下：

(1)

式中：为通用变量；为控制体积，m；为液体密度，kg/m；∂为控制体积的边界；为动网格边界移动速度，m/s；为速度矢量，m/s；为源项；为扩散系数。

2.1.2 活塞运动UDF编译

为了清楚描述活塞在活塞腔中的运动过程并获得准确的计算结果，需要利用UDF编译活塞在活塞腔中的运动函数。活塞在活塞腔中的运动主要由活塞两端的压力以及自身的重力产生，每个时刻的加速度由上个时刻的迭代产生，可得活塞增压过程中第个迭代时间步长内加速度函数为

(2)

活塞复位过程中第个迭代时间步长内加速度函数为

(3)

式中：()为第个迭代时间步长内活塞运动的加速度，m/s；和分别为活塞上侧的边界上第个网格的压力(MPa)和面积(m)；和分别为活塞下侧的边界上第个网格的压力(MPa)和面积(m)。

第个迭代时间步长内速度公式为

()=(-1)+()Δ

(4)

式中：()为第个迭代时间步长内活塞运动速度，m/s；Δ为每一步迭代的时间步长，s。

在每次迭代的时间步长内，Fluent先计算UDF函数中的加速度，然后将加速度值传递给Fluent求解器，以求解每一步迭代中的边界运动速度值。

2.2 增压行程仿真分析

2.2.1 活塞腔增压模型和网格划分

为了精确分析活塞增压行程中增压器的增压特性，根据增压器基本结构和增压行程中流体流动方式建立活塞腔流体域增压模型。该流体域模型尺寸如下：初始段液体长度为10 mm，活塞的厚度为50 mm，活塞行程为500 mm，活塞腔的直径为66 mm，活塞杆的直径为56 mm，活塞腔的入口面积为3.42×10m，活塞腔的出口面积为5.03×10m。将流体域模型导入Fluent中，为提高网格质量，网格划分时采用六面体结构化网格和O形切分，且流体域网格边界之间采用Interface配对进行数据传递，最终形成如图2所示的六面体结构化网格。

图2 活塞腔流体域增压模型

2.2.2 边界条件及动网格更新

将流体域模型填充液态水，且将其置于大气压环境中，根据输入压力技术要求和流体流动方式，将活塞腔上端入口面设置为压力入口，总压设为30 MPa，静压设为0.1 MPa，将出口面设置为压力出口，出口压力设为0.1 MPa。计算条件设置采用Simple算法，迭代时间步长取0.000 005 s，迭代步数取6 000步。动网格设置采用动态层更新法实现活塞腔网格更新，并选用常值比例法进行网格层的分割。

2.2.3 增压过程仿真结果分析

图3为增压行程中不同时刻活塞腔压力云图。可知:增压行程中活塞下腔的压力变化可以分为起始段和稳态段。在起始段，活塞上腔的压力比活塞下腔大，由此形成压差，该压差推动活塞下行，并对活塞下腔的液体加压，从而导致活塞下腔的压力升高。随后由于喷嘴憋压的影响，喷嘴处也建立起压力，因此随着活塞继续下移，活塞下腔的压力逐渐趋于稳定。在稳态段，其压力均值约为103 MPa，活塞下腔的压力从0.015 s后开始进入稳态段。

图3 增压行程中不同时刻活塞腔压力云图

为了清楚分析增压行程中喷嘴处流体出射速度变化规律，提取如图4所示的喷嘴处向流体出射速度云图进行研究。可知:增压行程中喷嘴处流体出射速度随时间呈现出先增大后逐渐趋于稳定的运动规律，同时越靠近喷嘴中心区域其流体出射速度越大。在稳态段，向流体出射速度稳态均值约为460 m/s，其出射速度在0.02 s附近进入稳态段。

图4 增压行程中不同时刻喷嘴处流体速度云图

2.3 复位行程仿真分析

2.3.1 活塞腔复位模型网格划分和边界条件设置

为了精确分析活塞复位行程中增压器的各项特性，根据增压器基本结构和复位行程中流体流动方式建立活塞腔流体域复位模型。如图5所示，在复位模型中，初始段液体长度为40 mm，活塞腔入口面积为1.54×10m，活塞腔的出口1面积为5.03×10m、出口2面积为1.26×10m；复位行程仿真设置与增压行程仿真设置一致，其中，边界条件设置中，压力入口总压设为30 MPa，静压设为0.1 MPa，压力出口1和压力出口2均设为0.1 MPa。

图5 活塞腔流体域复位模型

2.3.2 复位过程仿真结果分析

图6为复位行程中不同时刻活塞腔压力云图。可知：复位行程中活塞腔的压力变化也可以分为两个阶段，起始段和稳态段。在起始段，从进口进入的流体中一小部分从出口1经高压流道从喷嘴射出，由于出口1的直径比进口小很多，该处形成憋压，因此大部分流体进入活塞下腔，致使活塞下腔的压力升高。而此时活塞上腔与增压器外部连通，压力低，因此活塞在压差的作用下上行。在活塞上行的过程中，活塞上腔的压力先升高后逐渐趋于稳定。还可以看出：活塞上腔的压力在=0.006 s附近进入稳态段，且稳态压力均值为3 MPa。

图6 复位行程中不同时刻活塞腔压力云图

为了分析增压器的工作特性，将增压行程和复位行程的计算结果加以整理得出如图7所示的活塞运动对增压器增压特性影响曲线。可知：活塞增压过程是影响增压器增压效果的关键因素，且增压行程中活塞运动时间为0.027 2 s，复位行程中活塞运动时间为0.029 3 s。分析图7(a)可知：与复位行程相比，增压行程中活塞运动的速度略大，活塞运动速度进入稳定所用的时间越短。分析图7(b)可知：增压行程中经过增压后的高压流体稳态速度出射均值为352 m/s，复位行程中流体稳态速度出射均值为190 m/s，且在复位行程中流体出射速度在=0.002 5 s附近进入稳态段。分析图7(c)可知：增压行程中经过增压后的流体稳态压力均值为103 MPa，复位行程中由于活塞上腔与增压器外界连通，所以活塞上腔压力低，其压力均值为3 MPa。

图7 活塞运动过程对增压器增压性能的影响

通过上述分析可知:所设计的井下水力增压器在增压行程中可以将部分流体加压至103 MPa，高压流体出射速度可达352 m/s，基本能够实现利用高压流体混合磨料进行喷砂射孔压裂作业;在回程过程中，喷嘴处流体出射速度均值为190 m/s，喷射时间长，喷射稳定，具备良好的混砂效果。

2.4 增压器模态分析

井下水力增压器在工作过程中，活塞的往复运动会引起增压器腔体的轴向振动，其工作频率主要受到活塞行程长度影响。为避免增压器的工作频率和其固有频率重合而引起共振现象进而影响增压器的使用寿命，需要对井下水力增压器的固有频率进行分析，同时也为井下水力增压器的行程设计提供理论依据。

在进行增压器模态分析时，考虑到增压器实际工况，对增压器的上端面施加固定约束，下端看作自由端，并对增压器材料性能参数进行如下定义：增压器选用40CrNiMo材料，弹性模量=2.09×10Pa，泊松比=0.29，材料的密度=7 870 kg/m。在实际应用中，低阶模态的影响往往比高阶模态要大，此次主要计算增压器前6阶固有频率。计算结果如表1和图8所示。

表1 增压器前6阶固有频率

图8 增压器前6阶振型

3 增压器地面试验

为验证井下水力增压器设计的可行性，在地面对增压器进行了功能性试验。井下水力增压器地面测试装置如图9所示。试验过程中，泵进出水阀门被打开，离心泵将储水箱的水输送至增压器，增压器开始工作;随后，增压器产生的高压脉冲射流从喷嘴射出并冲击凹槽挡板，最后回弹至蓄水池2中;增压器低压流体则从低压出口流入蓄水池1中，两个蓄水池的水通过回水管流入流砂箱，经流砂箱过滤后流入储水箱。

图9 井下水力增压器地面测试装置示意

此次试验采用清水作为试验介质，分别用泵排量为5.5 L/s、泵压为1.8 MPa以及泵排量为7.6 L/s、泵压为2.7 MPa的离心泵进行试验，试验现场如图10所示。通过试验可知：井下水力增压器运行稳定，增压器喷嘴出口明显可见高压脉冲射流，验证了井下水力增压器的可行性，实现了水力喷砂射孔技术井下增压的目的。

图10 井下水力增压器地面试验

4 结论

(1)结合井下增压技术与水力喷砂射孔技术研制了井下水力增压器，通过地面试验可知，该装置运行稳定，未出现卡死的现象，能够实现井下增压的目的。

(2)在活塞运动单一行程中，活塞运动速度、喷嘴处的流体出射速度、活塞腔流体压力均随时间呈现出先增大后逐渐趋于稳定的规律。

(3)仿真分析表明：井下水力增压器可以将部分液体压力加压至100 MPa以上，流体出射速度提升至350 m/s以上，增压可靠，且该装置工作频率与固有频率不重合，不会引起共振，工作性能良好，能有效应用于水力喷砂射孔技术中。