柱阀结构参数对涡轮式压力脉冲发生器性能的影响
冯进, 魏俊     
长江大学机械工程学院, 湖北荆州 434023
摘要: 针对现有水力脉冲振荡工具的动力系统及脉冲发生装置所存在的问题,提出了一种基于柱阀系统的涡轮式压力脉冲发生器,重点研究了柱阀结构参数对压力波形和波幅的影响。以阀芯柱面开口扇形角、阀座周向过流槽的轴向长度、固定节流孔数量与直径等参数为变量,并最终统一为柱阀的固定过流面积和周向过流面积,应用仿真软件Fluent模拟研究了不同结构参数对压力波形和波幅的影响规律。研究结果显示,柱阀的结构参数对脉冲发生器的性能影响非常显著:当钻井液流量一定时,固定节流总过流面积主要影响脉冲压力的最大值,不会改变脉冲压力高压区的宽度;可变的周向过流面积主要影响脉冲压力高压区的宽度,不会改变脉冲压力幅值。该研究结果对不同工况所要求的压力波形波幅的设计及井下脉冲振荡工具的优化设计具有参考价值。
关键词: 压力脉冲发生器     柱阀     结构参数     压力波     波形     波幅     数值模拟    
The Effect of Cylindrical Valve Structure on the Performance of Turbine-Driven Mud Pulse Generators
FENG Jin, WEI Jun     
School of Mechanical Engineering, Yangtze University, Jingzhou, Hubei, 434023, China
Abstract: Because of problems in the power system and also the pulse generating system of the pulse oscillator, mud pulse generators based on the cylinder valve have been developed.This paper reviews the effects of structural parameters of cylindrical valves on waveforms and amplitudes of the pressure.Taking the axial length of the valve seat circumferential opening, and the number of fixed orifices and the diameter of the fixed throttle as variables, the impact of different structural parameters on the pressure waveform are investigated by using CFD and FLUENT.Research results indicate that the structural parameters of the valve have significant influence on the performance of the generator.Under constant flow rate of drilling fluids, the sectional area in the fixed throttle may affect the maximum pulse pressurebut not the high-pressure range.On the other hand, the variable channel of the circumferential flows mainly affects the range of the pulse pressure but not the amplitude.Conclusions of the study may provide necessary reference for the design of the waveforms and amplitudes of pressure under the different working conditions, and thus optimize the design of pulse oscillation tools.
Key words: pulse pressure generator     cylinder valve     structural parameter     pulse pressure     amplitude     waveform     CFD simulation    

油气井钻井时应用水力脉冲振荡工具,能大幅度降低因钻杆柱与井壁接触而产生的摩擦扭矩和摩擦阻力,对提高机械钻速、改善工具面控制性、降低钻杆和钻头磨损、延长井底钻具组合的使用寿命具有显著效果[1-4]。水力脉冲振荡工具的工作性能与脉冲频率、压力波形和波幅密切相关。当工作流量一定时,脉冲频率由马达的工作转速确定,压力波形和波幅由脉冲发生装置的几何参数确定。目前,钻井作业中常用的脉冲振荡工具是水力振荡器,以NOV公司生产的水力振荡器为例,其主要由振荡短节、动力系统及轴阀系统(脉冲发生系统)组成[2-4],当钻井液通过水力振荡器的马达时,转子旋转并带动偏心孔动阀盘相对静阀盘运动,使过流面积呈周期性变化,从而产生周期性变化的压力脉冲[4]。NOV水力振荡器在应用中也存在一些问题:动阀盘与静阀盘接触压力高,易发生磨损失效;在高密度钻井液中工作时,马达定子和转子磨损严重;受高温工作环境的影响,动力性能不可靠[5-6]。Cui Longlian等人[7]提出了一种可调频脉冲振荡工具,并分析了脉冲频率与动阀结构参数之间的关系,该工具所使用的动阀与静阀直接接触,易导致端面磨损。王杰等人[8]提出了一种涡轮驱动水力振荡器,其脉冲装置采用的是一种双偏心脉冲阀系统,涡轮驱动偏心阀高速旋转产生的离心力过大,缩短了轴承寿命。

针对现有水力脉冲振荡工具存在的问题和不足,笔者提出了一种采用柱阀作为脉冲发生装置的涡轮式压力脉冲发生器,涡轮驱动柱阀阀芯同心旋转,使柱阀周向过流面积呈周期性变化,从而产生周期性变化的压力波。根据柱阀的结构特点,以阀芯柱面开口扇形角、阀座周向过流槽的轴向长度和阀座固定节流孔数量与直径等参数为变量,用流体仿真软件Fluent模拟了系统压力脉冲特性,研究了柱阀的结构参数对压力波形和波幅的影响规律,以期为不同工况所要求的压力波形波幅设计及井下脉冲振荡工具的优化提供依据。

1 涡轮式压力脉冲发生器结构及原理 1.1 基本结构

涡轮式压力脉冲发生器的结构见图 1。该压力脉冲发生器采用柱阀作为脉冲发生装置,主要由动力系统、压力平衡单元及柱阀系统3部分组成。动力系统包括蘑菇头、涡轮轴、上扶正轴承、下扶正轴承、推力轴承及装在涡轮轴上的涡轮组,压力平衡单元包括压力平衡装置固定端和承压端,柱阀系统由阀芯和阀座组成。

图 1 涡轮式压力脉冲发生器的结构 Fig.1 Structure of the mud pulse generator driven by turbine 1.下接头; 2.阀芯;3.阀座;4.压力平衡装置;5.推力轴承;6.轴承端盖;7.下扶正轴承;8.涡轮转子;9.涡轮定子;10.涡轮轴;11.壳体;12.上扶正轴承;13.蘑菇头;14.上接头
1.2 脉冲压力形成原理

柱阀系统是涡轮式压力脉冲发生器的脉冲发生装置,图 2为其装配简图。该柱阀系统完全由金属元件组成,受钻井液密度和高温环境的影响较小,不存在端面接触磨损,工作可靠。另外,该柱阀系统采用压力平衡单元,可大幅降低推力轴承的载荷,有效延长压力脉冲发生器的使用寿命。

图 2 柱阀系统装配简图 Fig.2 The assembly diagram of the cylindrical valve system

当钻井液经过涡轮式压力脉冲发生器时,涡轮将钻井液的压能转化为机械能,使涡轮轴旋转并将动力传递给柱阀的阀芯,阀芯随涡轮轴同步旋转。阀芯装在阀座中心孔内且同心,在阀座和阀芯的柱面上分别开有矩形和扇形过流槽,阀芯旋转时阀座和阀芯的过流槽出现周向错位,使实际周向过流面积呈由大到小的周期性变化。在钻井液流量一定时,实际周向过流面积的周期性变化使柱阀上部钻井液压力也呈周期性变化,实际周向过流面积最小时柱阀上部钻井液压力最大,反之则最小。在一个周期内柱阀上部钻井液最大压力与最小压力的差值为脉冲压力幅值,其大小应满足振荡工具正常工作的要求。另外,为防止在最小过流面积时产生憋压现象,在阀座的端面上设计了固定节流孔,其孔口数量及直径根据脉冲压力幅值要求而定。

2 柱阀的流道模型及模拟分析 2.1 柱阀结构和几何变量

柱阀由阀座和阀芯组成,阀座与阀芯的基本结构见图 3。阀芯柱面上设计了2个对称的扇形过流槽;为保证阀芯的结构强度及稳定性,阀芯下端设计成圆环结构;阀座柱面上也设计了2个对称的矩形截面过流槽,其宽度等于或略大于阀芯外柱面上的过流槽宽度;另外,在阀座中心孔下端设计有倒角结构,可改善钻井液在柱阀系统处的出流效果,降低对阀芯的冲蚀磨损。

图 3 阀座与阀芯的基本结构 Fig.3 Schematic diagram of the valve seat and core

阀芯的结构参数为:柱面内径20.0 mm,外径30.0 mm;阀座柱面内径30.0 mm,外径40.0 mm;阀芯和阀座柱面开口上端保持对齐,且阀座下端面到阀芯下端面的距离50.0 mm。为分析柱阀的结构参数对水力脉冲发生器性能的影响,选取阀芯柱面开口扇形角α、周向过流槽轴向长度L、固定节流孔数量n和直径d为变量(见图 3),研究以上变量的不同组合对脉冲压力波形和波幅的影响规律。

2.2 柱阀系统流道模型的建立及网格划分

用三维建模软件SolidWorks[9]建立了该柱阀系统的流道模型,考虑进、出口过流断面上流动参量的充分发展要求,分别在阀门系统入口和出口处设计了一定的外流道。网格划分采用了Fluent专用前处理软件GAMBIT[10],自动生成Tet/Hybrid(四面体/混合单元)网格(见图 4),将流道上、下边界分别定义为进/出口(inlet/outlet),其他边界默认为固壁(wall)类型。当n=8,d=9.0 mm,α=50°,L=70.0 mm时,流道模型划分的四面体网格单元数为710 813,网格节点数为138 826。

图 4 柱阀系统的流道网格模型 Fig.4 Mesh model of the flow pass of the cylindrical valve
2.3 数值模拟分析

采用仿真软件Fluent进行数值模拟分析,应用有限体积法求解圆柱坐标系下的三维定常流动N-S方程组[7]。笔者主要研究了当该系统内液体流量为30 L/s时的工作状况,由模型结构尺寸计算出入口等效速度为8.3 m/s。在Fluent中定义流动介质为水,并选择二阶标准κ-ε模型为计算模型。进口边界条件为速度入口并给定流体速度大小,速度方向为轴向。出口边界条件为压力出口,出口端面压力为相对零点。出入口的湍流方式均为强度和黏度比,并都设置为10%。在进行不同柱阀系统结构参数模拟时,进口、出口边界条件保持不变,每次仅改变一个变量。

3 柱阀结构参数对脉冲特性的影响 3.1 阀座固定节流孔数及直径的影响

保持阀芯柱面开口扇形角α及周向过流槽轴向长度L不变(α=60°,L=70.0 mm),分别对6种固定节流孔数n与直径d(n分别为8,6,10,8,8和10;d分别为8.0,10.0,8.0,9.0,10.0和9.0 mm)的柱阀建立流道模型并进行CFD分析。固定节流孔数n与直径d可以用固定节流总过流面积A1替代,6个模型的A1分别为402.12,471.24,502.66,508.94,628.32和636.17 mm2,则其对柱阀水力脉冲性能影响情况的模拟结果见图 5

图 5 固定节流孔数n与直径d对脉冲性能影响情况的模拟结果 Fig.5 The effect of the orifice number n and the diameter d on the performances of hydraulic impulse

图 5可知,阀座下端面固定节流孔数与直径对脉冲压力波形基本不产生影响,但对脉冲压力最大值的影响非常显著。结合固定节流总过流面积A1可知,随A1减小,脉冲压力的最大值显著增大,但对脉冲压力的最小值、高压区宽度和脉冲压力波形曲线的影响不明显。这表明,通过控制固定节流总过流面积,可以方便地获得所需脉冲压力幅值。

3.2 阀芯柱面开口扇形角的影响

保持阀座周向过流槽轴向长度L和固定节流总过流面积A1不变(L=70.0 mm,A1=508.94 mm2),分别对5种不同扇形角α(α分别为40°,50°,60°,70°和80°)的柱阀建立流道模型并进行CFD分析。α对柱阀水力脉冲性能影响情况的模拟结果见图 6

图 6 扇形角α对水力脉冲性能影响情况的模拟结果 Fig.6 Effects of fan angle α on the performance of hydraulic pulse

图 6可知:随着扇形角α增大,高压区变窄,但不影响脉冲压力的最大值,α等于80°时恰好出现了单峰波形;当扇形角α较大时,柱阀系统周向过流面积较大,导致系统脉冲压力最小值变小。进一步研究表明,当阀座周向过流槽的宽度与阀芯周向过流槽的宽度相等时,对α大于80°的柱阀,压力脉冲波形呈单峰状,柱阀系统将不会出现全关闭的状态,导致系统压力的最大值降低。通过模拟试验可以发现,改变α值可以方便地控制系统高压区宽度,对脉冲压力波形影响较小。

3.3 阀座周向过流槽轴向长度的影响

保持固定节流总过流面积A1和阀芯柱面开口扇形角α不变(α=60°,A1=508.94 mm2),分别对5种周向过流槽轴向长度L(L分别为60,65,70,75和80 mm)的柱阀建立流道模型并进行CFD分析。L对柱阀水力脉冲性能影响情况的模拟结果见图 7。从图 7可以看出,L对脉冲压力性能几乎没有影响。

图 7 周向过流槽轴向长度L对水力脉冲性能影响情况的模拟结果 Fig.7 Effects of L on the performance of hydraulic pulsSe
3.4 模拟结果综合分析

由上述模拟结果可知,固定节流孔数n与直径d主要通过改变柱阀系统固定节流总面积而影响系统脉冲压力,当柱面过流面积最小时,钻井液主要由阀座固定节流孔向井底传递,因此用阀座固定节流总过流面积A1表征该结构参数的影响更具代表性。A1的计算公式为:

(1)

阀芯柱面开口扇形角α、阀座周向过流槽轴向长度L主要通过改变柱阀系统周向过流面积A2以影响系统脉冲压力,A2大小主要取决于阀芯柱面开口扇形角αd1(如图 8所示)。A2的计算公式为:

(2)
图 8 阀芯柱面开口截面 Fig.8 Profile of cylinder opening of the cylinder

不同柱阀结构参数下脉冲压力极值的模拟结果见表 1表 1中,pmax为系统高压脉冲宽度内的最大平均压力值,MPa;pmin为系统脉冲压力的最小值,MPa;压力波幅Δp=pmaxpmin

表 1 柱阀系统结构参数对脉冲压力的影响 Table 1 Effects of changes in system structure parameters on pulse pressure

表 1可知:当A1一定时,随着A2增大,柱阀系统的pmin减小,Δp有所增大但不明显;当A2一定时,随着A1减小,柱阀系统的pmax增大,Δp显著增大。因此,可认为A1主要影响柱阀系统脉冲压力的最大值,A2主要改变柱阀系统脉冲压力的最小值。

4 结论

1) 提出了一种采用柱阀系统的涡轮式压力脉冲发生器,柱阀的结构参数对该发生器的性能影响显著。对柱阀结构参数进行合理设计,可以很好地改变压力脉冲性能,以适应不同钻井的需要。

2) 柱阀系统采用固定节流与可变节流相结合,可方便地控制脉冲压力波形与幅值,且阀芯与阀座同心,不产生接触磨损。

3) 钻井液流量一定时,柱阀的固定节流总过流面积主要影响脉冲压力的最大值,而不改变脉冲压力高压区的宽度;可变的周向过流面积主要影响脉冲压力高压区的宽度,不改变脉冲压力幅值。

4) 模拟研究时未考虑钻井液冲蚀效应对脉冲压力的影响,该问题有待进一步研究。

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冯进, 魏俊
FENG Jin, WEI Jun
柱阀结构参数对涡轮式压力脉冲发生器性能的影响
The Effect of Cylindrical Valve Structure on the Performance of Turbine-Driven Mud Pulse Generators
石油钻探技术, 2017, 45(3): 62-66.
Petroleum Drilling Techniques, 2017, 45(3): 62-66.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201703011

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收稿日期: 2016-11-28
改回日期: 2017-05-01

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