振荡螺杆钻具内部流场仿真分析及室内试验.pdf

钻井技术与装备振荡螺杆钻具内部流场仿真分析及室内试验肖 平(中石化石油机械股份有限公司)肖平.振荡螺杆钻具内部流场仿真分析及室内试验 J.石油机械,2023,51(9):41-47.Xiao Ping.Simulation analysis and laboratory test on internal flow field of oscillating positive displacement motor J.China Petroleum Machinery,2023,51(9):41-47.摘要:为了探究振荡螺杆中动阀片的旋转角度对内部流场的影响规律,同时确定工具样机在不同排量下的关键性能参数,以上接头和振荡短节之间的流体域作为研究对象,建立流体仿真物理模型,研究动阀片在 0360范围内旋转时,动静阀片通孔处的过流面积、阀心运动轨迹、静阀片进出口压降随角度的变化规律,以及阀孔直径对压降和振荡力的影响规律。利用自主研制的螺杆钻具整体测试系统对振荡螺杆样机在 1538 L/s 排量下的关键性能参数进行了测试。研究结果表明:动阀片偏心旋转 1 周,阀心运动轨迹以 45为周期,其轨迹形态呈中心对称分布的“花瓣型”;通孔处有效过流面积和静阀片进出口压降以 50为周期从最大值至最小值交替变化;室内测试结果确定了常用排量条件下的性能参数范围,验证了振荡螺杆样机的可靠性和稳定性。研究结果可为振荡螺杆的结构优化设计提供参考。关键词:振荡螺杆;内部流场;振荡短节;室内测试中图分类号:TE921 文献标识码:A DOI:10.16082/ki.issn.1001-4578.2023.09.006Simulation Analysis and Laboratory Test on Internal Flow Field of Oscillating Positive Displacement MotorXiao Ping(Sinopec Petroleum Machinery Co.,Ltd.)Abstract:In order to explore the influence of the rotation angle of moving valve plate in the oscillating posi-tive displacement motor on the internal flow field and simultaneously determine the key performance parameters of the prototype at different displacements,taking the fluid domain between the upper joint and the oscillating nipple as the research object,a fluid simulation physical model was built to study the open area at the through-hole of moving and dead valve plates,the movement trajectory of valve core,the variation of pressure drop between the inlet and outlet of the dead valve plate with angle and the influence of valve orifice diameter on pressure drop and oscillation force when the moving valve plate rotates within the range of 0-360.Moreover,the overall testing system of positive displacement motor developed independently was used to test the key performance parameters of the prototype of oscillating positive displacement motor at a displacement range of 15-38 L/s.The study results show that the moving valve plate rotates eccentrically for one cycle,and the movement trajectory of the valve core takes 45 as the cycle,the trajectory exhibits a central symmetrically distributed“petal shape”;the effective open area at the through-hole and the pressure drop between the inlet and outlet of the dead valve plate alternate from 142023 年 第 51 卷 第 9 期石 油 机 械CHINA PETROLEUM MACHINERY 基金项目:国家重点研发计划项目“超深水特殊钻井配套工具装备应用及海试”(2022YFC2806500);国家自然科学基金联合基金项目“海相深层高温高压钻完井工程基础理论及控制方法”(U19B6003-05);中国石油化工集团有限公司科技项目“特深层钻完井关键工具与装备”。maximum to minimum in a cycle of 50;and the laboratory test results determine the performance parameter range under common displacement conditions,verifying the reliability and stability of the prototype of oscillating positive displacement motor.The study results provide reference for the structural optimization design of oscillating positive displacement motor.Keywords:oscillating positive displacement motor;internal flow field;oscillating nipple;indoor test0 引 言全球油气行业已进入转型和变革期,新一轮油气技术革命蓄势待发,非常规资源正在有效接替常规资源,深水、超深水成为未来重要勘探领域,天然气发展进入黄金期,因而水平井、大位移井的开发越来越普遍1-4。但随之而来的是一系列的工程问题,如在水平井、大斜度井段,钻柱自身重力和岩屑床等引起的托压、黏卡和螺旋屈曲等问题,在滑动钻进过程中尤其突出,严重影响真实、有效、准确的钻压传递,导致钻井效率低下和各种井下复杂情况的发生,制约了水平井和大位移井的延伸能力,低成本高效勘探与开发面临着新的形势和挑战5-7。为了降本增效,进一步提高钻井效率,学者们开展了多种提速工具和相关技术的研究,比如水力振荡器、液力冲击器、螺杆钻具+PDC 等。但是,针对水平井、大位移井等复杂结构井在滑动钻井过程中的“托压”问题,上述工具和配套技术由于无法降低钻柱与井壁之间的摩阻而存在一定的局限性8-10。振荡螺杆将振荡脉冲发生装置与传统螺杆进行组合,从而将进入振荡结构内部的钻井液的水力能量转换为振荡力,使得钻柱在轴向上的滑动摩擦转变为振动摩擦,能有效降低钻柱与井壁之间的摩擦阻力,改善钻井托压问题11-14。针对振荡螺杆,部分学者主要利用仿真方法研究静阀与转阀在不同载荷条件下的最大等效应力和变形量,或利用理论计算、流体仿真方法研究动静阀的运动规律、阀孔尺寸和阀片长度对阀组压降的影响,从而对振荡阀不同形状的内部道口结构和尺寸进行优化设计15-19。虽然学者们针对振荡发生机理和结构优化设计方面做了一定的研究,但是针对振荡螺杆内部的速度和压力分布规律、阀心运动轨迹、动静阀交错运动时过流面积变化规律等方面的仿真分析较少,同时通过建立整机试验系统开展振荡螺杆关键性能参数室内测试的相关研究也较少。上述研究内容对振荡螺杆的结构优化设计,进一步地为改善钻井托压问题相关技术的发展等都具有重要参考意义。因此,本文针对目前存在的技术问题,开展了相应的研究。研究结果可为振荡螺杆的优化设计提供参考。1 内部流场的数值仿真1.1 总体结构及工作原理图 1 为振荡螺杆钻具的三维结构简图,其主要由上接头、振荡短节(核心元件为动阀片、静阀片以及阀座)、马达总成、万向轴总成、传动轴总成及下接头等组成。其中上接头与上部钻柱连接,下接头与钻头连接,振荡短节中的动阀片和静阀片开设有等直径中心孔且偏心安装。在钻井过程中,钻井液由上接头进入振荡短节、马达内腔、万向轴和传动轴壳体内腔,最后经下接头进入钻头。钻井液提供的水力能量驱动马达转子做偏心运动,并驱动动阀片绕静阀片的轴线做周期性偏心旋转运动,因此动、静阀片的通孔之间所形成的有效过流面积会从最小最大最小呈现周期性变化,从而在动阀片上部流道内产生水击压力。该压力波向振荡短节内腔的上部区域传播,最终形成振荡力,并进一步作用于振荡螺杆的壳体,从而与井壁之间形成振动摩擦。1上接头;2振荡短节;3马达;4万向轴总成;5传动轴总成;6下接头;7静阀片;8动阀片。图 1 振荡螺杆钻具的三维结构Fig.1 3D structure of oscillating positive displacement motor1.2 数学模型为了探究振荡短节中动静阀片位于不同位置时的过流面积、压降以及振荡力等关键参数的变化规律,利用 Workbench 仿真平台开展数值模拟研究。流体连续性方程和动量守恒方程为:t+(ux)x+(uy)y+(uz)z=0(1)24 石 油 机 械2023 年 第 51 卷 第 9 期(ui)t+(uiu)=psi+ijsx+yisy+zisz+fi(2)选择计算精度和计算效率较高的标准 k-湍流模型模拟内部流体的旋转流动,其中 k 和 的控制方程为20-23:kt+uikxi=p-+xit1 kxi()(3)kt+uikxi=C1kp-C22k+xit2 xi()(4)式中:k 为湍动能,m2/s2;为湍动能耗散率,m2/s3;为流体密度,kg/m3;ux、uy、uz分别为X、Y、Z 方向的速度,m/s;u 为流体速度,m/s;s 为流体域在空间上的位置,m;p 为流体微元体上的压力,MPa;t 为流动时间,s;为在黏性力作用下,流体微元体所受到的黏性应力,MPa;f为上述各个方向的单位质量力,m/s2;其中下标 i表示沿着 X、Y、Z 方向的分量;t为黏性系数,t=t/;C1、C2、Cu、1、2为上述模型的计算系数,t=Cuk2/。1.3 物理模型选择上接头至振荡短节的流体域作为研究对象。依据工具内部的结构特点,建立流体域物理模型,并划分网格,如图 2 所示。模型左侧(上接头处)为入口,下部(振荡短节底部)为出口。其中流体介质为清水,密度为 1 000 kg/m3,入口设定为速度入口,出口压力设定为 10.5 MPa。图 2 流体域物理模型和网格划分Fig.2 Physical model and grid division of fluid domain2 结果分析 首先,利用数值模拟方法研究动阀片位于不同位置时,动、静阀片之间通孔所形成的过流面积,静阀片进出口压降,动阀片阀心运动轨迹的变化规律,以及不同阀孔直径对压降和振荡力的影响规律;其次,利用自主研制的螺杆钻具整机测试系统,对振荡螺杆的关键性能参数,如转速、频率、压降和振荡力等进行了室内测试和规律分析。2.1 仿真结果分析通过对动阀片从 0旋转至 360位置时内部流场进行数值计算,首先选择 2 个极端位置,即当动、静阀片之间的通道处于最小状态时和处于最大状态时的速度和压力分布规律进行分析,如图 3a和图 3b 所示。图 3 动静阀片位于开口最小和最大位置时的速度和压力分布Fig.3 Velocity and pressure distribution of moving and dead valve plates at the minimum and maximum opening positions从图 3a 可以看出:从上接头区域至振荡短节的内腔,压力呈逐渐递减的趋势,其中最大压力位于上接头内腔区域且值为 1.82 MPa;动阀片与静阀片之间的通孔形成的过流面积较小,因此在通孔处流体的流速最高,其值为 58.4 m/s,与工具轴线呈一定夹角向下部区域流动。与图 3a 所处的位置进行对比,图 3b 所示为动静阀片通孔所形成的过流面积最大,因此对应的速度和压力小,最大压力值为 0.674 MPa,最大速度为 33 m/s,其流动方向与工具轴向方向的夹角减小。图 4a 和图 4b 为过流面积和静阀片出入口压降随动阀片旋转角度的变化规律。从图 4a 和图 4b 可以看出,随着动阀片位置从 0360变化,过流面积发生变化,范围为 450 825 mm2。并且动阀片每旋转 50,过流面积在最大和最小值区间内出现1 个周期变化。同理,因为过流面积呈现上述周期性变化规律,当动阀片每旋转 50时,出入口压降随着过流面积的增大而减小,且在 0.6 1.8 MPa范围内变化。图 4c 为动阀片阀心随角度变化时的运动轨迹。从图 4c 可以看出,其运动轨迹沿着 X 坐标和 Y 坐标的中心呈对称分布,在 0360区间内,其运动轨迹可以划分为 8 个完全相同的运动形态,即动阀片每旋转 45,则其运动轨迹会重复 1 个周期。图 4d 为不同阀孔直径条件下,位移极限位置342023 年 第 51 卷 第 9 期肖 平:振荡螺杆钻具内部流场仿真分析及室内试验 时的压降以及振荡力的变化规律。从图 4d 可以看出,随着阀孔直径从 34 mm 逐渐增大至 40 mm,最小和最大过流面积时的压降以及振荡力呈逐渐减小的趋势。随着阀孔直径的增大,动阀片与静阀片的通孔之间形成的过流面积逐渐增大,结合图 4a和图 4b 可知,其对应的压降会逐渐减小。当处于最小过流面积时,随着通孔直径的增大,其对应的压降变化范围为 26 MPa;当处于最大过流面积时,随着通孔直径的增大,其对应的压降变化范围为 0.61.2 MPa。最后,依据最小极限位置和最大极限位置所得到的压差,计算得到振荡力的变化范围为 2 50025 000 N。图 4 动阀片位于不同位置条件下的数值仿真结果Fig.4 Numerical simulation result analysis of moving valve plate at different positions2.2 室内试验结果分析为了对振荡螺杆的性能参数进行进一步地研究,基于自主研制的螺杆钻具整机测试系统和振荡螺杆样机,对振荡螺杆的关键性能参数进行了室内测试。2.2.1 测试系统及基本流程图 5 为螺杆钻具的整机测试系统。系统主要包括测试台架、流体循环系统、软件监测与控制系统、压力传感器、流量传感器以及其他管线和信号测试的辅助装置。利用上述测试系统,开展对振荡螺杆钻具的性能测试,其关键测试流程如下:(1)在室温下,利用流体循环系统,通过入口循环管线向无载荷状况下的振荡螺杆输入清水介质;当以较小排量循环一段时间后,检查流体循环系统、控制与监测系统、压力传感器、流量传感器等是否正常工作。(2)逐渐增加流量到推荐的最小工作流量,观察旁通阀是否可正常关闭,然后在额定流量下运转 10 min 后,减少输入流量直至关闭泵,旁通阀应能顺利开启。(3)在额定输入流量下逐渐加载,直至额定工况并运转 30 min,检查螺杆钻具有无异常。(4)根据待测排量范围,逐渐将排量从 15 L/s 增大至 38 L/s,测量螺杆钻具的入口压力、出口压力、输出转速值,利用监测系统记录测试结果。(5)对测量数据进行整理,并计算得到对应条件下的频率和振荡力。2.2.2 测试结果分析图 6 为振荡螺杆的室内测试结果。由图 6a 可知,随着排量从 15 L/s 逐渐增加至 38 L/s,转速逐渐增大,其变化范围为 70 180 r/min。通过对比理论计算和实际测试的结果可知,室内测试的转速随排量的变化更为显著,其递增速率更大,理论计算结果总体呈线性分布。两者的误差范围在2%12%之间,但是总体误差在 10%以内,符合44 石 油 机 械2023 年 第 51 卷 第 9 期误差精度要求。由图 6b 可以看出,随着排量从 15 L/s 逐渐增加至 38 L/s,振荡螺杆的测试压差、频率和振荡力逐渐增大,其中测试压差的变化范围为 0.4 1.0 MPa,频率的变化范围为 8 16 Hz,测试振荡力的变化范围为 512 kN。图 5 螺杆钻具室内整机测试系统Fig.5 Indoor complete machine testing system of positive displacement motor图 6 振荡螺杆的关键性能参数室内测试结果Fig.6 Indoor test results of key performance parameters of oscillating positive displacement motor3 结 论本文首先依据振荡螺杆的总体结构,建立了仿真物理模型,研究了动阀片位于不同角度位置时的过流面积、压降以及运动轨迹等的变化规律;其次,利用自主研制的螺杆钻具整机测试系统和振荡螺杆样机,对关键性能参数进行了测试。结合数值模拟仿真分析和室内测试对振荡螺杆进行了研究,得到如下结论:542023 年 第 51 卷 第 9 期肖 平:振荡螺杆钻具内部流场仿真分析及室内试验 (1)明确了动静阀片之间的有效过流面积和静阀片进出口压降的周期性变化规律。动阀片在从0360做偏心旋转时,每旋转 50位置,有效过流面积和压降在最大和最小值区间内出现 1 个周期变化。动阀片与静阀片通孔处的流速最高,随着过流面积增大,其流动方向与工具轴线之间的夹角逐渐减小。(2)通过数值仿真方法获得了动阀片阀心的运动规律。运动轨迹呈中心对称分布;在 0360区间内,其运动轨迹可以划分为 8 个完全相同的运动形态,动阀片每旋转 45,则其运动轨迹会重复1 个周期。(3)确定了振荡螺杆工具的关键性能参数在常用排量条件下的变化范围。排量从 15 L/s 逐渐增加至 38 L/s,转速的变化范围为 70180 r/min,压差的变化范围为 0.4 1.0 MPa,频率的变化范围为 816 Hz,振荡力的变化范围为 512 kN。测试结果可以为振荡螺杆的结构优化设计提供参考。参 考 文 献1 唐玮,张国生,徐鹏.“十四五”油气勘探开发科技创新 重 点 领 域 与 方 向 J.石 油 科 技 论 坛,2022,41(5):7-15.TANG W,ZHANG G S,XU P.Analyze key areas and orientations of technological innovation for oil and gas exploration and development in 14th five-year plan period J.Petroleum Science and Technology Forum,2022,41(5):7-15.2 何骁,陈更生,吴建发,等.四川盆地南部地区深层页岩气勘探开发新进展与挑战 J.天然气工业,2022,42(8):24-34.HE X,CHEN G S,WU J F,et al.Deep shale gas exploration and development in the southern Sichuan ba-sin:new progress and challenges J.Natural Gas In-dustry,2022,42(8):24-34.3 马永生,蔡勋育,云露,等.塔里木盆地顺北超深层碳酸盐岩油气田勘探开发实践与理论技术进展J.石油勘探与开发,2022,49(1):1-17.MA Y S,CAI X Y,YUN L,et al.Practice and theo-retical and technical progress in exploration and 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