水力脈沖工具流場模擬及應用

孔學云，馬認琦，劉傳剛，魏剛，左凱

（中海油能源發展監督監理技術公司，天津 300452）＊

隨著海洋石油勘探不斷往深處發展，深井和超深井開發也越來越多，鉆井過程中遇到復雜問題也隨之增加，例如地層巖石破碎困難、巖屑壓持效應增加、鉆井速度降低等。常規的復合鉆井技術“動力鉆具＋轉盤鉆井工藝”盡管可很好的破巖，但在這種連續射流下產生的大量巖石無法及時返出清除，巖屑就會反復被切削，降低鉆井效率。

本文通過流場模擬證明水力脈沖工具可以改變井底流場，并改變井底巖石受力狀態，有助于改善巖石破碎效果，提高井底清除巖石效率，避免重復切削，提高機械鉆速。

1 水力脈沖工具結構［1－3］

水力脈沖工具主要由殼體、導流罩、葉輪、噴嘴和葉輪座等主要部件組成，結構如圖1所示。該工具結構可分為3部分。

1）提供葉輪旋轉動力部分該部分主要部件是導流罩，它置于殼體內腔頂部，可改變鉆井液的流動方向和速度，對葉輪的葉片產生切向力促使葉輪連續不斷的高速旋轉。

2）產生脈沖擾動部分該部分主要部件是葉輪，葉輪的高速旋轉可連續改變流道面積，產生脈沖擾動。

3）脈沖放大部分該部分主要部件是噴嘴。葉輪總成產生的水力脈沖相對于噴嘴腔室入口為有源脈沖，位于工具最底部的噴嘴上部腔室對水力脈沖信號放大并產生流體諧振，進而產生壓力波動。

實現3種功能：

1）水力脈沖改善井底流場，提高凈化和清巖效率，減少壓持和重復破巖。

2）空化沖蝕輔助破巖，提高破巖效率。

3）瞬時負壓在井底產生瞬時負壓脈沖，使局部瞬時欠平衡，改變井底巖面應力狀態。

圖1 水力脈沖工具結構

1.1 噴嘴結構

噴嘴結構設計是水力脈沖工具設計的難點和關鍵點，它是基于瞬態流理論和水聲學原理設計的。當穩定流體流過噴嘴腔室的出口收縮斷面時，產生自激壓力激動，這種壓力激動反饋回噴嘴腔室形成反饋壓力振蕩。控制噴嘴腔室尺寸和流體的馬赫數及Strouhal數，使反饋壓力振蕩的頻率與噴嘴腔室的固有頻率相匹配，從而在噴嘴腔室內形成聲諧共振，使噴嘴出口射流變成斷續渦環流。

目前，噴嘴腔室的結構設計主要有風琴管和Helmholtz諧振腔2種。根據前人研究，基于風琴管諧振腔振蕩模型設計的噴嘴可以產生具有良好破巖效果的自振空化射流［1］，本文中噴嘴腔室就是基于風琴管結構原理設計的。

1.2 葉輪材料

葉輪是水力脈沖工具中最容易受損的部件，它需要承受高速流體的沖擊，同時，高速旋轉的葉輪與葉輪軸之間不均勻的摩擦，使葉輪和葉輪軸受力不均勻，因此，葉輪和葉輪軸材質選擇要考慮耐磨性和抗疲勞性。

2 流體計算數學模型

基于水力脈沖工具流場特點和流體性質，可假設流體為不可壓縮，且不考慮重力和溫度影響，采用湍流k－ε模型［4］。

式中：ρ為流體密度；μi為平均速度分量；ε為湍動能耗散率；k為湍動能；t為時間；x為張量形式的空間坐標；υ為流體動力黏度；σk為k 方程的湍流Parandtl常數，σk＝1；σε為ε方程的湍流Parandtl常數；σε＝1.3；Gk為速度梯度產生的湍流動能；μt為湍流速度；C1ε、C2ε、Cμ均為模型常數，C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，Cμ＝0.09。

3 ANSYS FLUENT流場模型

3.1 邊界條件

1）ANSYS FLUENT 銜接的UDF函數編程

為能夠真實模擬水力脈沖工具現場工況，模擬流體介質為鉆井液，密度1.6g／cm3，黏度46s，入口流量為8.6m／s，出口靜壓為3.5 MPa。同時，根據水力脈沖工具原理，產生脈沖擾動是高速流體驅動葉輪轉動，而ANSYS FLUENT 中的標準界面無法直接實現該功能，本模擬采用ANSYS UDF（UDF是用戶根據模擬工況，用C 語言編寫的一個函數，可以和FLUENT 動態鏈接）來實現流體驅動葉輪高速旋轉。

根據水力脈沖工具結構和部件材質，提取旋轉葉輪的質量和轉動慣量。

m＝0.41kg；Ixx＝0.000134kg·m2；Iyy＝0.000134kg·m2；Izz＝0.0001kg·m2。因此，與ANSYS FLUENT 銜接的UDF函數為：

2）收斂設置為了保證將模擬計算收斂性，本模擬基于壓力求解器殘差設置為10－6級，入口和出口界面流體凈通量＜1%。

3）步長設置采用湍流k－ε瞬態計算模型，時間步長為0.001s，計算步長總數220。

3.2 流體模型及邊界設置

根據水力脈沖工具內部腔室尺寸，建立流體模型，并進行網格劃分和邊界條件設定。如圖2

圖2 水力脈沖工具網格模型及邊界設置

與葉輪直接接觸流體區域采用6面體網格，其余流體采用三角形四面體網格單元，局部網格最小單元尺寸1 mm，整體網格設置為基于曲率網格。六面體單元節點為67732個，單元為72466個；四面體單元節點70767個，單元338009個。

在圖2b中，A為入口流速設定面，8.6 m／s；B為出口靜壓設定面，3.5 MPa；C、D、E為壁面條件設置，主要是為UDF 外部函數賦予、旋轉流體域和不旋轉流體域壁面上網格與數據傳輸。

4 模擬結果及分析

4.1 水力脈沖工具速度和壓力場分析

由圖3a速度場可知，葉輪旋轉區域流體出現明顯的脈動現象，最大流速37.66m／s，且出現在脈沖擾動區域。通過流體速度場動畫可以看出，流體脈動幅度隨徑向距離的增加先逐漸增大，在某一徑向距離處達到最大，隨后又逐漸降低；最大脈動幅度并不出現在射流軸心，而是偏離軸心一段徑向距離處；該工具流場模擬中的流體脈動幅度隨徑向距離變化規律與文獻［1］中同類工具流體室內試驗結果相吻合，文獻［1］中試驗結果詳見圖4。由此證明，用ANSYS FLUENT 軟件模擬脈沖工具，能夠真實反映脈沖工具的實際效果。

由圖3b可知，在葉輪旋轉區域存在有負壓，最低負壓達－0.493 MPa。

圖3 水力脈沖工具速度和壓力分布

圖4中，s為試驗過程中噴距值；無因次徑向距離是將最優噴距與噴嘴出口直徑之比；無因次壓力脈動幅度是最優噴距下壓力與不同直徑的噴嘴對應壓力比值；最優噴距是指在泵壓一定條件下，射流沖擊壓力脈動值在某一合適噴距范圍內達到最大，此噴距稱為最優噴距［1］。

圖4 風琴管噴嘴脈沖工具射流壓力脈動幅度沿徑向分布規律［1］

4.2 水力脈沖工具壓力脈動頻率分析

由圖5可知，基于流體模型并選取距離模型出口10mm 處的1個截面，可以明顯看出，該截面上存在明顯壓力脈沖波動；該壓力脈沖波動通過ANSYS傅里葉級數變換得到的脈沖頻率如圖6，可知該脈沖可靠頻率約為100Hz。

圖5 距離出口10mm 截面壓力－時間變化曲線

由ANSYS FlUENT 對水力脈沖工具流場模擬結果分析可知：水力脈沖工具能夠很好地產生脈沖效應，且脈沖頻率基本為100 Hz；流體壓力脈動幅度隨徑向距離增加先增大而后逐漸降低，最大脈動幅度不出現在射流軸心，而是偏離軸心一段徑向距離處；靜壓場中存在有明顯負壓，證明該工具可以產生瞬時負壓和空化效應。

圖6 距離出口10mm 截面壓力脈沖頻率

5 現場應用

該水力脈沖工具于2010年在CFD18－1N－1井進行現場試驗，試驗井段為2600～2899m。該井地層為東營組三段，巖性以高嶺土質粉砂巖、含礫砂巖為主。鉆井參數：鉆壓為20～50kN，轉數為80～95r／min。泵排量為1500～1900L／min，壓力為13～16 MPa。鉆井液密度為1.28～1.29g／cm3，黏度為50～65s。鉆具組合：8－1／2″PDC－BIT＋7″水力脈沖空化射流發生器＋X／O＋6－3／4″PDM（0.75°／209mm 螺旋翼扶正器）＋8－1／2″STB＋6－1／2″F／V（RING）＋6－1／2″DC×8＋6－1／2″（F／J＋JAR）＋5″HWDP×14。

在2600～2899m 井段使用水力脈沖工具，而從2900～3006m 未使用水力脈沖工具，實際鉆進過程中監測了鉆速和純鉆時間等參數，如表1所示。

表1 使用水力脈沖工具與未使用水力脈沖工具鉆進參數對比

使用水力脈沖工具的平均機械鉆速為20.98 m／h，不使用水力脈沖工具平均機械鉆速為13.25 m／h。使用水力脈沖工具后平均機械鉆速提高了58.34%。

由圖7可知，相同地層和巖性井段，使用水力脈沖工具的2600～2899m 井段較未使用水力脈沖工具的2900～3006 m 井段每米鉆進速度明顯提高。

圖7 有無水力脈沖工具鉆進時井深和鉆速關系

6 結論

1）采用ANSYS FLUENT 流體分析軟件模擬了水力脈沖工具的流場，流場中壓力脈動幅度隨徑向距離的增大為先增加后降低；流場中產生約100Hz的流體脈沖擾動，最低負壓約－0.493 MPa，證明水力脈沖工具可以產生水力脈沖、瞬時負壓和空化效應。

2）在CFD18－1N－1井的高嶺土質粉砂巖井段試驗，水力脈沖工具使機械鉆速提高了58.34%。

3）水力脈沖工具中高速旋轉的葉輪與葉輪軸容易斷裂，應提高材質的耐磨性能和抗疲勞性能。

［1］李根生，沈忠厚，周長山，等.自振空化射流研究與應用進展［J］.中國工程科學，2005，7（1）：28－31.

［2］王學杰，李根生，康延軍，等.利用水力脈沖空化射流復合鉆井技術提高鉆速［J］.石油學報，2009，30（1）：117－119.

［3］李燕.脈沖空化射流鉆井技術研究與應用［J］.探礦工程，2011，38（3）：29－31.

［4］王尊榮，王森，徐艷，等.基于FLUENT 軟件的噴砂器磨損規律數值模擬［J］.石油礦場機械，2012，41（8）：11－13.