液動沖擊器缸體流道結(jié)構(gòu)改進

0液動沖擊器設(shè)計方法基于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)孔的開挖方法，可以結(jié)合影響和旋轉(zhuǎn)孔的開挖方法，適用于水井、加熱、煤層、石油開采等領(lǐng)域。其工作原理是在鉆頭或者巖心管上端安裝1個沖擊器,鉆進過程中,由高壓氣體或鉆井液驅(qū)動的沖擊器所產(chǎn)生的高頻沖擊力不斷地施加給鉆頭,從而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆井與沖擊鉆井的結(jié)合。沖擊器是沖擊鉆井技術(shù)中的關(guān)鍵,為了更好地提高沖擊鉆井過程的鉆進速度和井身質(zhì)量,降低鉆井成本,設(shè)計制造結(jié)構(gòu)合理的沖擊器顯得尤為重要。由于液動沖擊器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜,傳統(tǒng)的設(shè)計方法通常是先設(shè)計制造出產(chǎn)品,通過試驗來驗證它的使用效果,再根據(jù)試驗結(jié)果進行結(jié)構(gòu)改進,然后再試驗。為了降低生產(chǎn)成本,縮短設(shè)計周期,筆者就ZYH178-Ⅱ型液動沖擊器在試驗過程中出現(xiàn)沖蝕坑的問題,采用數(shù)值模擬方法對其工作過程進行模擬仿真,根據(jù)流場模擬結(jié)果提出結(jié)構(gòu)改進方法,為液動沖擊器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化,改善其沖擊性能提供了依據(jù)。1現(xiàn)場應(yīng)用試驗ZYH178-Ⅱ型液動沖擊器是針對目前射流式?jīng)_擊器使用壽命不能滿足石油鉆井要求而研制的一種新型沖擊器,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了解它的工作效果,特對其進行了現(xiàn)場應(yīng)用試驗。試驗發(fā)現(xiàn)該液動沖擊器在純鉆進7.5h后出現(xiàn)異常,經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn),液動沖擊器缸體的4個出液孔口有對稱均布沖蝕坑8處。為解決沖擊器缸體現(xiàn)有結(jié)構(gòu)壽命過短的問題,需要對其缸體結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計,筆者結(jié)合液動沖擊器缸體實際工況,采用CFD分析法對缸體結(jié)構(gòu)改進前后的工作過程進行了數(shù)值模擬。2數(shù)值建模和計算2.1流動過程的數(shù)學模型2.1.1連續(xù)方程和拉動方程對液動沖擊器內(nèi)部流場做如下假設(shè):①流場模擬過程中不考慮沖擊器工作中的旋轉(zhuǎn);②沖擊器缸體入口處流體均勻;③沖擊器缸體出口截面處的流動過程已充分發(fā)展。根據(jù)以上假設(shè)可認為液動沖擊器內(nèi)流場為穩(wěn)態(tài)流場,且液體不可壓縮,因此其內(nèi)的流體流動規(guī)律服從連續(xù)性方程和動量方程。連續(xù)性方程:?ρ?t+??xi(ρui)=0(1)?ρ?t+??xi(ρui)=0(1)動量方程: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為雷諾應(yīng)力張量,計算公式為:Rij=-ρ————ui′uj′=2μtSij-23μt?uκ?xκδij-23ρκδij(3)Rij=?ρui′uj′————=2μtSij?23μt?uκ?xκδij?23ρκδij(3)其中,μt是湍流粘性系數(shù),κ是湍流動能,Sij是變形率張量。Sij=12(?ut?xj+?uj?xi)(4)Sij=12(?ut?xj+?uj?xi)(4)2.1.2液動沖擊器內(nèi)流體屬于湍流流動,采用標準的κ-ε模型計算雷諾應(yīng)力來封閉上述流動控制方程,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的函數(shù),即μt=ρCμκ2ε(7)式(5)、式(6)中各項經(jīng)驗系數(shù)取值分別為:Cμ=0.09,C1ε=1.44,C2ε=1.92,σκ=1.0,σε=1.3。2.2流道結(jié)構(gòu)的改進方案對液動沖擊器利用GAMBIT軟件建立了包含所有細節(jié)的三維幾何模型,并采用六面體單元進行網(wǎng)格劃分。改進前的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖2a所示。針對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行研究分析,綜合考慮流道結(jié)構(gòu)及缸體強度,筆者提出了相應(yīng)的改進方案,將缸體流道從徑向水平改為與水平方向成45°角的結(jié)構(gòu),網(wǎng)格劃分情況如圖2b所示。分析中設(shè)置入口壓力邊界條件和出口壓力邊界條件,入口壓力為10MPa,出口壓力為8MPa,流體密度為1500kg/m3,流體粘度為0.01Pa·s,其他表面使用了無滑移壁面條件,并采用標準壁面函數(shù)確定固壁附近的流體流動。然后采用CFD軟件對液動沖擊器內(nèi)流場進行模擬計算。3沖擊器缸沖蝕現(xiàn)象圖3為沖擊器改進前缸體中心截面模擬流場。從圖3a可以看出,流體在缸體出液孔口附近速度發(fā)生突變,從32.2m/s左右增加到最大速度58.6m/s,從而引起缸體出液孔口附近流體壓力發(fā)生變化。從圖3a還可以看出,流體在此處形成了漩渦,產(chǎn)生了脫流回流現(xiàn)象,這些現(xiàn)象會引起缸體內(nèi)部流場不均,導致沖擊器工作效果不佳。從圖3b可以看出,在沖擊器缸體出液孔口發(fā)生沖蝕的位置流體壓力最小為7.08MPa,且低壓區(qū)域較大。當鉆井液中含有的氣泡通過此處時就有可能發(fā)生破裂,導致汽蝕現(xiàn)象,這也是引起沖擊器缸體發(fā)生沖蝕的主要原因。圖4為沖擊器改進后缸體中心截面模擬流場。從圖4a可以看出,改進后的結(jié)構(gòu)在缸體出液孔口附近沒有出現(xiàn)流速突變,流場得到明顯改善,因此在此處流體的壓力變化也較小,且流體沒有漩渦,從而避免了流體脫流回流等現(xiàn)象。從圖4b可以看出,在沖擊器缸體出液孔口發(fā)生沖蝕的位置流體壓力最小為7.58MPa,比改進前的結(jié)構(gòu)大0.5MPa,而且低壓區(qū)域比改進前小得多,從而大大降低了發(fā)生汽蝕的可能性。4液動沖擊器缸結(jié)構(gòu)改進的試驗數(shù)據(jù)分析液動沖擊器在中原油田文33-419井、文72-174井以及大慶油田徐深6-210井進行了現(xiàn)場試驗,試驗數(shù)據(jù)如表1所示。第1次為液動沖擊器缸體結(jié)構(gòu)改進前的試驗,液動沖擊器缸體出液孔口出現(xiàn)顯著沖蝕坑;第2次為液動沖擊器缸體結(jié)構(gòu)改進后的試驗,液動沖擊器缸體出液孔口出現(xiàn)輕微沖蝕;第3次是在液動沖擊器缸體結(jié)構(gòu)改進的基礎(chǔ)上,又進一步改進噴嘴、噴嘴座結(jié)構(gòu)尺寸和配流閥懸掛方式的試驗,在鉆進16h后,出現(xiàn)鉆具斷裂,終止試驗,液動沖擊器結(jié)構(gòu)完好無損。分析表1的試驗數(shù)據(jù)可知:(1)改進后的缸體結(jié)構(gòu)是可行的,有利于改善液動沖擊器的工作性能。第2次試驗中平均鉆速比第1次提高了34%,且液動沖擊器的工作壽命有較大幅度延長。(2)第3次試驗中改進噴嘴、噴嘴座結(jié)構(gòu)尺寸和配流閥懸掛方式等可以改善液動沖擊器缸體的工作狀況,進一步延長液動沖擊器缸體的工作壽命和提高鉆進效率。5水體流道沿徑向水平影響(1)液動沖擊器缸體是保證沖擊器正常鉆進的關(guān)鍵零件,改善缸體的結(jié)構(gòu)對于延長液動沖擊器的工作壽命