可鉆式渦輪定轉(zhuǎn)子葉片高度優(yōu)選

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(中國石油大學(xué) (北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249)

近年來，石油勘探開發(fā)領(lǐng)域不斷擴展，各種針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)井和復(fù)雜地層的鉆井技術(shù)的進步對安全、快速、高效下套管提出了重大挑戰(zhàn)。2007年，加拿大公司DEEP CASEING TOOLS以其獨創(chuàng)的可鉆式渦輪技術(shù)，發(fā)明了新型套管下入工具—TurbocaserTMExpress[1]，實現(xiàn)了深層井段鉆、擴、固一體化套管下放作業(yè)，為渦輪鉆具開拓了更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。同常規(guī)渦輪鉆具相比，新型套管下入工具的長度有嚴格限制。可鉆式渦輪水力性能受多種因素影響，其中葉片高度的影響較為突出，而且渦輪葉片的高度影響工具串的最終長度。為了在保證一定輸出性能的條件下盡量縮短其長度，有必要在設(shè)計過程中對可鉆式渦輪定轉(zhuǎn)子高度進行優(yōu)化選擇，為新型套管下入工具渦輪動力旋轉(zhuǎn)引鞋研制提供依據(jù)。

1 方案設(shè)計和計算方法

本文所研究的某尺寸可鉆式渦輪的定轉(zhuǎn)子葉片采用線投影設(shè)計[2]，初始方案的定子高度為10 mm，轉(zhuǎn)子高度為12 mm。在模擬過程中保持定轉(zhuǎn)子軸向間隙均為4 mm[7]。為了確定該尺寸渦輪定子葉片的最優(yōu)高度，在保證渦輪定子相同通過能力前提下，另外設(shè)計定子高度11、12、13、14 mm的新方案。根據(jù)5種方案輸出結(jié)果對比，選擇定子的最優(yōu)高度。基于最優(yōu)定子高度，設(shè)計不同轉(zhuǎn)子高度方案，根據(jù)水力性能和流場分布選擇轉(zhuǎn)子的最優(yōu)高度。

采用CFD軟件NUMECA軟件包，應(yīng)用有限體積法求解圓柱坐標系下三維定常Navier-Stokes(N-S)方程組，選擇Spalart-Allmaras湍流模型[3-6]。S-A模型對邊界層計算效果好，可用于存在流動分離區(qū)的計算，且S-A模型方程數(shù)較少，計算速度更快[3-6]。計算網(wǎng)格使用NUMECA軟件包中的AUTO-GRID模塊，自動生成的H-O-H型網(wǎng)格[7]。計算流體介質(zhì)為清水，排量為25 L/s，轉(zhuǎn)速為0～1 000 r/min[9]。進口邊界條件為給定流體速度大小和方向，出口給定靜壓[7]。為了提高數(shù)值模擬的精度，本文采用模擬3級定轉(zhuǎn)子并讀取中間一級定轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)的方法[7]。

2 定子高度的優(yōu)選

2.1 不同定子高度下渦輪輸出性能對比

渦輪定轉(zhuǎn)子葉片高度影響渦輪的最終水力性能，同時也影響著工具串最終長度。針對以上5種不同高度的定轉(zhuǎn)子葉片組合，在轉(zhuǎn)速200～800 r/min下進行數(shù)值模擬，適當(dāng)延長計算域入口和出口[9]，分析其輸出性能和流場細節(jié)。

從圖1～4可以看出，單級渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速增加而降低，軸向力和壓降隨著轉(zhuǎn)速增加而增大，水力效率先增加后減小；該型號渦輪的水力效率最高點在700 r/min附近。

不同高度定轉(zhuǎn)子組合單級轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩和軸向力隨轉(zhuǎn)速變化曲線如圖1～2所示。分析圖1～2可知：定子高度從10 mm增加至13 mm，可鉆式渦輪轉(zhuǎn)子單級轉(zhuǎn)矩隨著定子高度的增加逐漸增大，定子高度14 mm時單級轉(zhuǎn)矩不再增加；單級渦輪轉(zhuǎn)子軸向力隨著定子高度增加而增大。

圖1 一級渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖2 一級渦輪轉(zhuǎn)子軸向力隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖3 一級渦輪壓降隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖4 一級渦輪水力效率隨轉(zhuǎn)速變化曲線

不同高度定轉(zhuǎn)子組合單級壓降和水力效率隨轉(zhuǎn)速變化曲線如圖3～4所示。從圖3～4可知：定子高度從10 mm增加至13 mm，單級可鉆式渦輪的壓降隨著定子高度的增加而增大，定子高度13 mm和14 mm時壓降很接近；水力效率受定子高度影響較小，定子高度12 mm時，水力效率較高。

2.2 不同高度定子對工作液的加速效果

渦輪鉆具是一種葉片式液動馬達，工作時定子將工作流體的壓能轉(zhuǎn)化為動能[10]。為了衡量5種不同高度的定子對流體的加速效果，取轉(zhuǎn)速600 r/min時定子出口軸向截面分析流體質(zhì)點的加權(quán)平均速度；由于密度不變，單位體積流體質(zhì)量相同，自定義參數(shù)加權(quán)平均速度的平方v2/2衡量質(zhì)點動能大小。如圖5～6所示，高度為12 mm的定子對工作流體的加速效果更好，結(jié)合上述水力性能對比，定子高度選擇12 mm。

圖5 定子出口流體質(zhì)點平均速度

圖6 定子出口流體質(zhì)點平均動能

3 轉(zhuǎn)子高度的優(yōu)選

3.1 不同高度轉(zhuǎn)子渦輪的輸出性能

定子葉片高度保持12 mm，在保證相同通過能力的前提下，渦輪轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計高度分別為10、11、12、13、14 mm。模擬計算結(jié)果如圖7～15。從圖7～10可以看出：轉(zhuǎn)子高度從10 mm增加至14 mm，單個轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)矩逐漸增大，且增幅隨著轉(zhuǎn)速增加而逐漸減小；單個轉(zhuǎn)子葉片的軸向力逐漸增加，且增幅隨著轉(zhuǎn)速增加而逐漸增大。

圖7 單個轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖8 單級渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖9 單個轉(zhuǎn)子葉片軸向力隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖10 單級轉(zhuǎn)子葉片軸向力隨轉(zhuǎn)速變化曲線

從圖11～12可知，轉(zhuǎn)子高度增加，單級渦輪的壓降逐漸增加，且增加的幅度隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大；單級渦輪的水力效率較為接近。

圖11 單級渦輪壓降隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖12 單級渦輪水力效率隨轉(zhuǎn)速變化曲線

產(chǎn)生上述現(xiàn)象原因是：轉(zhuǎn)子葉片高度增加，轉(zhuǎn)子的體積和受力面積增大，摩擦能量損失也會增大，且高度影響轉(zhuǎn)子流場二次流的產(chǎn)生和發(fā)展。綜合以上4種不同高度轉(zhuǎn)子渦輪的水力性能可知：定子高度為12 mm時，轉(zhuǎn)子高度為14mm時單級渦輪輸出轉(zhuǎn)矩最大，壓降升高幅度相對較小，水力效率較高。

3.2 不同高度轉(zhuǎn)子下渦輪流場分析

圖13給出了600 r/min時不同高度轉(zhuǎn)子流道徑向壓力場分布云圖。從圖13可以看出，隨著轉(zhuǎn)子葉片高度的增加，流道內(nèi)低壓區(qū)域逐漸減小，二次流[10-11]發(fā)生的幾率逐漸降低；且隨著轉(zhuǎn)子高度的增加，轉(zhuǎn)子流道出口主流方向由與轉(zhuǎn)子尾緣呈一定角度而逐漸變?yōu)楹娃D(zhuǎn)子尾緣相切，說明隨著轉(zhuǎn)子高度增加，轉(zhuǎn)子葉片流道內(nèi)壓力場更加合理，轉(zhuǎn)子對其尾跡發(fā)展的控制和影響增大[7]。

圖14為600 r/min時轉(zhuǎn)子葉片最大凸度位置質(zhì)點軸向速度分布云圖。由圖14可知，隨著轉(zhuǎn)子葉片高度的增加，轉(zhuǎn)子吸力面和壓力面附面層的影響寬度在逐漸減小[4]，表明轉(zhuǎn)子流場內(nèi)質(zhì)點流速分布更加均勻，對二次流發(fā)展具有一定的抑制作用。

圖13 轉(zhuǎn)子流道徑向壓力場分布

圖14 轉(zhuǎn)子葉片流體質(zhì)點軸向速度分布

圖15是600 r/min時轉(zhuǎn)子出口位置流體質(zhì)點的軸向速度分布云圖。由圖15看出，隨著轉(zhuǎn)子葉片高度的增加，轉(zhuǎn)子出口軸向速度為負值的流體質(zhì)點分布區(qū)域逐漸減小，說明二次流逐漸消失。當(dāng)轉(zhuǎn)子高度為14 mm時，轉(zhuǎn)子出口軸向速度分布均勻，二次流的產(chǎn)生得到了有效抑制。

圖15 轉(zhuǎn)子葉片出口流體質(zhì)點軸向速度分布

綜合對轉(zhuǎn)子葉片流場的分析可知：轉(zhuǎn)子高度從10 mm增加至14 mm過程中，轉(zhuǎn)子葉片流場的壓力分布和速度分布更加合理，二次流的產(chǎn)生與發(fā)展逐步得到抑制。因此，在定子高度12 mm時，相對應(yīng)轉(zhuǎn)子葉片最優(yōu)高度為14 mm。該結(jié)果與水力性能分析結(jié)果一致。

4 結(jié)論

1) 某型可鉆式渦輪定轉(zhuǎn)子通過能力不變，定子高度從10 mm增加至14 mm，整體上渦輪的單級輸出轉(zhuǎn)矩、壓降和軸向力逐漸增大，水力效率變化較小。定子高度為14 mm時輸出性能較差。隨著定子高度增加，定子對工作流體的加速能力先增大后減小，結(jié)合輸出性能，該型號可鉆式渦輪定子最優(yōu)高度為12 mm。

2) 定子高度為12 mm，轉(zhuǎn)子高度從10 mm增加至14 mm：單級渦輪的轉(zhuǎn)矩逐漸增加，且增加的幅度隨轉(zhuǎn)速增加而減小；軸向力和壓降也逐漸增加，且增加的幅度隨轉(zhuǎn)速增加而增大；水力效率變化較小；渦輪轉(zhuǎn)子葉片流場的壓力分布和速度分布逐漸更加均勻合理。轉(zhuǎn)子葉片高度14 mm時，渦輪的輸出性能最佳，且流場分布合理，二次流的產(chǎn)生發(fā)展都得到了有效抑制。由此，該型號可鉆式渦輪轉(zhuǎn)子最優(yōu)高度為14 mm。

3) 不同高度的定子葉片對工作流體的加速能力不同，不同高度的轉(zhuǎn)子葉片也影響著可鉆式渦輪的水力性能和流場分布。可鉆式渦輪定轉(zhuǎn)子高度的優(yōu)選可以在滿足水力性能的同時，有效降低工具串的長度。

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