液动冲击器缸体流道结构改进

液动冲击器缸体流道结构改进

0液动冲击器设计方法基于传统旋转孔的开挖方法，可以结合影响和旋转孔的开挖方法，适用于水井、加热、煤层、石油开采等领域。其工作原理是在钻头或者岩心管上端安装1个冲击器,钻进过程中,由高压气体或钻井液驱动的冲击器所产生的高频冲击力不断地施加给钻头,从而实现旋转钻井与冲击钻井的结合。冲击器是冲击钻井技术中的关键,为了更好地提高冲击钻井过程的钻进速度和井身质量,降低钻井成本,设计制造结构合理的冲击器显得尤为重要。由于液动冲击器内部结构复杂,传统的设计方法通常是先设计制造出产品,通过试验来验证它的使用效果,再根据试验结果进行结构改进,然后再试验。为了降低生产成本,缩短设计周期,笔者就ZYH178-Ⅱ型液动冲击器在试验过程中出现冲蚀坑的问题,采用数值模拟方法对其工作过程进行模拟仿真,根据流场模拟结果提出结构改进方法,为液动冲击器结构参数优化,改善其冲击性能提供了依据。1现场应用试验ZYH178-Ⅱ型液动冲击器是针对目前射流式冲击器使用寿命不能满足石油钻井要求而研制的一种新型冲击器,其结构如图1所示。为了解它的工作效果,特对其进行了现场应用试验。试验发现该液动冲击器在纯钻进7.5h后出现异常,经检验发现,液动冲击器缸体的4个出液孔口有对称均布冲蚀坑8处。为解决冲击器缸体现有结构寿命过短的问题,需要对其缸体结构进行改进设计,笔者结合液动冲击器缸体实际工况,采用CFD分析法对缸体结构改进前后的工作过程进行了数值模拟。2数值建模和计算2.1流动过程的数学模型2.1.1连续方程和拉动方程对液动冲击器内部流场做如下假设:①流场模拟过程中不考虑冲击器工作中的旋转;②冲击器缸体入口处流体均匀;③冲击器缸体出口截面处的流动过程已充分发展。根据以上假设可认为液动冲击器内流场为稳态流场,且液体不可压缩,因此其内的流体流动规律服从连续性方程和动量方程。连续性方程:∂ρ∂t+∂∂xi(ρui)=0(1)∂ρ∂t+∂∂xi(ρui)=0(1)动量方程:ρ(∂ui∂t+uj∂ui∂xj)=-∂p∂xi+∂∂xj(μ∂ui∂xj)+∂Rij∂xj(2)ρ(∂ui∂t+uj∂ui∂xj)=−∂p∂xi+∂∂xj(μ∂ui∂xj)+∂Rij∂xj(2)其中,Rij为雷诺应力张量,计算公式为:Rij=-ρ————ui′uj′=2μtSij-23μt∂uκ∂xκδij-23ρκδij(3)Rij=−ρui′uj′————=2μtSij−23μt∂uκ∂xκδij−23ρκδij(3)其中,μt是湍流粘性系数,κ是湍流动能,Sij是变形率张量。Sij=12(∂ut∂xj+∂uj∂xi)(4)Sij=12(∂ut∂xj+∂uj∂xi)(4)2.1.2液动冲击器内流体属于湍流流动,采用标准的κ-ε模型计算雷诺应力来封闭上述流动控制方程,即∂(ρκui)∂xi=∂∂xj[(μ+μtσκ)∂κ∂xj]+μt(∂ui∂xj+∂uj∂xi)∂ui∂xj-ρε(5)∂(ρεui)∂xi=∂∂xj[(μ+μtσε)∂ε∂xj]+C1εεκμt(∂ui∂xj+∂uj∂xi)∂ui∂xj-C2ερε2κ(6)μt可表示成κ和ε的函数,即μt=ρCμκ2ε(7)式(5)、式(6)中各项经验系数取值分别为:Cμ=0.09,C1ε=1.44,C2ε=1.92,σκ=1.0,σε=1.3。2.2流道结构的改进方案对液动冲击器利用GAMBIT软件建立了包含所有细节的三维几何模型,并采用六面体单元进行网格划分。改进前的结构网格划分如图2a所示。针对现有结构进行研究分析,综合考虑流道结构及缸体强度,笔者提出了相应的改进方案,将缸体流道从径向水平改为与水平方向成45°角的结构,网格划分情况如图2b所示。分析中设置入口压力边界条件和出口压力边界条件,入口压力为10MPa,出口压力为8MPa,流体密度为1500kg/m3,流体粘度为0.01Pa·s,其他表面使用了无滑移壁面条件,并采用标准壁面函数确定固壁附近的流体流动。然后采用CFD软件对液动冲击器内流场进行模拟计算。3冲击器缸冲蚀现象图3为冲击器改进前缸体中心截面模拟流场。从图3a可以看出,流体在缸体出液孔口附近速度发生突变,从32.2m/s左右增加到最大速度58.6m/s,从而引起缸体出液孔口附近流体压力发生变化。从图3a还可以看出,流体在此处形成了漩涡,产生了脱流回流现象,这些现象会引起缸体内部流场不均,导致冲击器工作效果不佳。从图3b可以看出,在冲击器缸体出液孔口发生冲蚀的位置流体压力最小为7.08MPa,且低压区域较大。当钻井液中含有的气泡通过此处时就有可能发生破裂,导致汽蚀现象,这也是引起冲击器缸体发生冲蚀的主要原因。图4为冲击器改进后缸体中心截面模拟流场。从图4a可以看出,改进后的结构在缸体出液孔口附近没有出现流速突变,流场得到明显改善,因此在此处流体的压力变化也较小,且流体没有漩涡,从而避免了流体脱流回流等现象。从图4b可以看出,在冲击器缸体出液孔口发生冲蚀的位置流体压力最小为7.58MPa,比改进前的结构大0.5MPa,而且低压区域比改进前小得多,从而大大降低了发生汽蚀的可能性。4液动冲击器缸结构改进的试验数据分析液动冲击器在中原油田文33-419井、文72-174井以及大庆油田徐深6-210井进行了现场试验,试验数据如表1所示。第1次为液动冲击器缸体结构改进前的试验,液动冲击器缸体出液孔口出现显著冲蚀坑;第2次为液动冲击器缸体结构改进后的试验,液动冲击器缸体出液孔口出现轻微冲蚀;第3次是在液动冲击器缸体结构改进的基础上,又进一步改进喷嘴、喷嘴座结构尺寸和配流阀悬挂方式的试验,在钻进16h后,出现钻具断裂,终止试验,液动冲击器结构完好无损。分析表1的试验数据可知:(1)改进后的缸体结构是可行的,有利于改善液动冲击器的工作性能。第2次试验中平均钻速比第1次提高了34%,且液动冲击器的工作寿命有较大幅度延长。(2)第3次试验中改进喷嘴、喷嘴座结构尺寸和配流阀悬挂方式等可以改善液动冲击器缸体的工作状况,进一步延长液动冲击器缸体的工作寿命和提高钻进效率。5水体流道沿径向水平影响(1)液动冲击器缸体是保证冲击器正常钻进的关键零件,改善缸体的结构对于延长液动冲击器的工作寿命