0 引言

近年来水力振荡器^[1-7]得到了广泛的研究与应用，特别是随着大斜度井、长水平井、多分支水平井、深井及超深井的发展，水力振荡器提高钻井效率的应用优势日益凸显^[8-11]。目前应用最多的是美国国民油井华高公司(National Oil Well Varco)研制的水力振荡器。该水力振荡器主要由振荡短节、螺杆马达系统及轴阀系统组成^{[1, 5]}，通过钻井液驱动螺杆马达，使带有偏心孔的动阀盘旋转，其与下端固定阀盘形成相对转动，与过流孔形成周期性交错重叠，使系统过流面积周期性变化从而产生周期性脉冲压力。在该脉冲压力与碟簧组的共同作用下，工具发生轴向振动，从而改变钻柱与井壁的摩擦状态，降低摩阻、提高机械钻速。但美国国民油井华高公司的水力振荡器在实际应用中存在许多问题^{[1, 10]}，如阀盘接触压力高、零件冲蚀及磨损严重、自身压耗偏大，并且螺杆马达受井底高温影响工作寿命短。

针对上述问题，研制了一种采用涡轮马达作为动力系统的水力振荡器。它通过涡轮马达将钻井液的动能转化为机械能并驱动阀系产生周期性变化的脉冲压力，该脉冲压力作用在工具的振荡短节使其产生周期性轴向往复蠕动，以改变钻柱与井壁间的摩擦状态，减小摩阻、提高钻压传递效率。涡轮马达^[12]具有转速高、压耗低和耐高温等特性，适用于高温高压的深井及超深井环境；脉冲单元是该振荡器的核心部件，决定了水力振荡器的振荡频率、周期及幅值等重要参数。脉冲单元由柱状阀芯和阀座组成，结构简单且可根据工作状况调整设计参数，很好地辅助该振荡器功能的实现。另外，该水力振荡器设计有压力平衡组件，在保证阀系结构及系统压降的条件下，还可降低推力轴承负载，延长工具的使用寿命。

基于所设计的水力振荡器，通过理论计算及采用滑移网格技术进行CFD仿真方式，重点研究了阀芯的运动规律及脉冲单元压降随阀芯转角的变化关系。通过对比发现，理论计算与CFD仿真的计算结果偏差很小，说明所设计的脉冲单元满足该水力振荡器的设计要求。

1 技术分析 1.1 水力振荡器结构及工作原理

涡轮式水力振荡器主要由振荡短节、动力短节及脉冲单元组成，如图 1所示。其工作原理为：钻井液由上接头和台阶轴中心孔进入工具内部，并在动力短节中驱动涡轮转子高速旋转，转子带动涡轮轴旋转并将运动传递到与涡轮轴螺纹连接的阀芯。流出涡轮组的钻井液经过压力平衡组件固定套后到达轴阀系统，并分为两支分别流经阀系：一支由阀座下端面固定过流孔流出，另一支由阀系柱面过流孔流出。阀座由下接头固定于下壳体内部，由于涡轮轴带动阀芯高速旋转，使阀系柱面过流孔过流面积呈周期性变化，其节流作用使得系统产生周期性变化的脉冲压力。该脉冲压力作用在工具振荡短节的活塞端面，并在碟簧组的共同作用下实现振荡短节的轴向周期性振动。该振动通过上接头转化为工具上部连接钻柱的高频往复蠕动，使钻柱与井壁间由静摩擦状态转化为滑动摩擦状态，大大减小了钻柱与井壁间的摩擦力。

1.2 压力平衡设计

钻井液在动力系统产生的轴向作用力使推力轴承承受较大的载荷，易使其因过载而烧坏，是井底钻具失效最常见的原因之一。如何减小轴承载荷、延长工具使用寿命，一直是国内外学者关于井下工具研究的热点问题^[13-14]。

本文研制的水力振荡器的轴阀系统采用一种柱状旋转阀，且在工具内部设计有压力平衡组件，如图 2所示。该组件主要由阀芯上端及压力平衡组件固定套组成，该固定套与阀芯上端形成压力平衡腔，通过涡轮轴下端中心长孔将旋转阀系统下游低压引入该平衡腔，可在压差作用下产生沿轴向向上的反作用力，从而有效抵消钻井液在动力系统产生的部分轴向载荷，大幅减小推力轴承载荷，延长工具使用寿命，减少起下钻次数，提高钻井效率，节约施工成本。

2 阀芯运动过程分析

脉冲单元由旋转阀系统组成，主要包括阀芯和阀座；阀座下端面设计有固定节流孔，阀芯与阀座同轴、柱面均有矩形开口且宽度相等。旋转阀系统的压力控制结构如图 3所示。

由阀系结构可知，进入阀系的钻井液将由阀座下端面固定节流孔和柱面过流孔经过。固定节流孔数量和直径分别为n和d，其面积为：

(1)

阀系柱面周向过流面积随着阀芯旋转而变化，根据阀芯的运动规律，可以得到阀系周向开口变化规律，如图 4所示。图 4中的空白部分为钻井液流道，1, 2, ……, 7分别为不同阀芯转角α对应的开口情况。

周向过流面积为：

(2)

阀系总过流面积为：

(3)

式中：β为阀芯矩形开口的外圆柱面张角，L为阀座柱面开口截面长度，R为阀芯柱面外径，同时也是阀座内径。

阀系压差与过流面积的关系为^[14-17]：

(4)

式中：ρ为钻井液密度，Q为钻井液流量，Δp为旋转阀系统上、下游压差，C_d为流量系数，A为总过流面积。

本课题中，振荡器的设计频率为16~17 Hz、系统最大理论压降为4~5 MPa^[15]，由于所设计的阀芯旋转一周将产生2个压力脉冲，故涡轮的设计转速为480~510 r/min。

3 阀系CFD仿真 3.1 滑移网格技术

滑移网格技术是模拟多移动参考流场最精确的方法之一，属CFD方法范畴，是目前最为先进而且应用最为广泛的方法。该技术主要通过数值方法对网格模型进行离散化计算，将微分方程转化为代数方程，求数值解。基于CFD方法的仿真模拟技术可真实地体现阀系流场内部附壁及切换的全过程，获得模型任一时刻任意截面或迹线的瞬态压力和速度等参数的分布规律^[18-20]。

钻井液在阀系内的流动状况随阀芯所处位置情况变化复杂，且阀芯在涡轮带动下旋转时与阀座的交互作用为非稳态过程，因此应用滑移网格技术对该非稳态流场进行仿真求解能较准确而快速得出阀系内钻井液流动情况。

3.2 物理模型与CFD计算方法

笔者建立了一定结构参数下水力振荡器脉冲单元的流道模型，采用Ansys Workbench平台的Meshing模块进行网格划分并确定了进、出口边界名称，设置了阀座及阀芯区域流道名称。在Fluent中设置入口条件为速度入口，并根据设计流量30 L/s的要求确定速度为7.1 m/s；出口设置为相对压力，取值为0；采用Fluent自带的标准k-ε模型，应用滑移网格技术将阀芯区域流道设置为绕轴线顺时针旋转，并按设计频率确定阀芯转速为500 r/min，阀座区域流道采用默认设置。

3.3 仿真结果分析

由于该脉冲单元的结构对称，所以其压力和速度分布也对称。选取该脉冲单元½个周期内几个特征位置的云图进行分析。图 5和图 6分别给出了不同阀芯转角下，阀座柱面开口中轴面的压力云图和速度云图。

从图 5和图 6可知：无论阀芯在哪个位置，其中心处的液流速度和压力均为最小值。起始时刻阀芯转角为0°，阀芯与阀座柱面开口不连通，阀芯内钻井液压力和速度较低，但阀座与壳体间的压力较大且此时系统压差处于最大值区域；受壁面及钻井液黏度的影响，越靠近壁面处钻井液速度越小，中间位置最大。当阀芯与阀座柱面开口开始接触时，阀芯内压力变化剧烈。这是因为阀芯与阀座开口连通后，改变了阀系的流场结构，阀系通流面积扩大使得钻井液压力迅速得到释放，钻井液从接触面高速射入并产生旋流，其旋向与阀芯转向相反，且由于阀系本身的对称性使得压力变化也呈对称趋势。当阀芯开口旋离阀座开口后，阀系柱面开口关闭，压力较高，阀芯内部钻井液由于惯性作用仍旧沿阀芯内壁旋转。

3.4 CFD仿真与理论计算压降的对比分析

取阀芯矩形开口的外圆柱面张角为60°，流量系数为0.76^[17-18]。理论计算与CFD仿真所得的最大压降平均值分别为4.818和4.710 MPa。提取CFD仿真数据并与理论计算得到的压降进行对比，结果如图 7所示。

由图 7可知：当阀芯柱面开口与阀座柱面开口重合时，系统压降较小；当阀芯旋转至两开口恰好旋离时，压降突变，该突变值大于平均值，随后下降至接近平均值。这一现象表明，当系统过流面积突变时，压降也出现突变；过流面积不变时，压降逐渐平稳。CFD仿真得到的压降与理论计算压降偏差很小，这表明采用流体仿真软件Fluent的滑移网格分析方法能够满足理论设计要求，并且可以弥补试验研究的高成本和长周期的固有缺陷。CFD分析与理论研究相互补充，能够加快结构优化设计、提高研发效率。

4 结论

(1) 研制了一种采用涡轮作为动力系统的水力振荡器，该工具可将高速流动的钻井液动能转化为机械能并驱动阀系产生周期性的脉冲压力，使工具形成高频轴向往复蠕动，将钻柱与井壁间的静摩擦状态转变为滑动摩擦状态，减小摩阻、提高钻速和钻压传递效率。该振荡器设计有压力平衡组件，可有效减小推力轴承受力，延长工具寿命。

(2) 对阀芯的运动规律进行分析，给出了阀芯任一转角位置阀系的总过流面积计算公式，并根据压降与过流面积的关系计算出了阀系一个周期内的压降变化曲线。

(3) 建立了阀系的CFD模型，应用滑移网格技术分析了阀系的压降变化规律，发现阀芯与阀座开口的周期性连通和关闭改变了阀系的流场结构，使得阀系脉冲压力发生周期性变化。当阀芯与阀座旋合时，系统压力降低，射流作用使钻井液在阀芯内形成旋流，且流向与阀芯转向相反；当阀芯与阀座旋离后，系统处于高压区域，钻井液在惯性作用下仍旧沿阀芯内壁旋转。

(4) 将理论计算与CFD仿真的压降变化规律进行对比，结果表明仿真结果与理论计算偏差很小，证明了滑移网格技术能够满足理论设计的要求，并可弥补试验研究的高成本、长周期等缺陷。