馮 進(jìn)，遲少林，張慢來，陳 維，黃新宇

（1.長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北荊州 434023；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司氣舉試驗(yàn)基地多相流研究室，湖北武漢 430100）

海上平臺(tái)廣泛應(yīng)用叢式井，由于其井?dāng)?shù)多、井距小，井眼一旦發(fā)生碰撞，會(huì)導(dǎo)致套管破損、鉆井液泄露，若被碰撞的井為生產(chǎn)井，則會(huì)直接影響產(chǎn)量，甚至停工停產(chǎn)[1-2]，因此進(jìn)行井眼軌道設(shè)計(jì)和鉆井時(shí)都要注意防碰。為了防止井眼發(fā)生碰撞，在所鉆井底部安裝震源發(fā)生器，在鄰井或地面安置震源信號(hào)接收器，當(dāng)震源發(fā)生器發(fā)生震擊時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)有力的震擊信號(hào)，震源信號(hào)接收器接收到該震擊信號(hào)后，會(huì)計(jì)算出震源位置，從而監(jiān)測(cè)兩井的相對(duì)位置，然后根據(jù)安全要求，采取相應(yīng)的防碰技術(shù)措施。工程上通過井眼軌道設(shè)計(jì)、隨鉆測(cè)量和防碰掃描等技術(shù)防止兩井相碰：井眼軌道設(shè)計(jì)時(shí)留出了防碰距離，但在鉆進(jìn)時(shí)，因產(chǎn)生各種誤差，井眼軌跡會(huì)偏離井眼軌道，這時(shí)要通過兩井的隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算兩井間的距離，防止兩井相碰；或利用防碰掃描技術(shù)防止兩井相碰。隨鉆測(cè)量技術(shù)在鉆進(jìn)硬地層時(shí)能充分發(fā)揮其作用，但在鉆進(jìn)軟地層時(shí)由于產(chǎn)生的信號(hào)不穩(wěn)定或強(qiáng)度不夠會(huì)導(dǎo)致信號(hào)破譯失??；防碰掃描能較好地估算中遠(yuǎn)距離的井距，但井距較近時(shí)精度達(dá)不到要求[3-5]。

J.R.Bailey[6]開發(fā)的連續(xù)鉆頭定位系統(tǒng)和美國(guó)Western Atlas International 公司開發(fā)的TOMEXTM 系統(tǒng)[7]都以鉆頭破巖產(chǎn)生的震動(dòng)為震源，但在鉆進(jìn)軟地層時(shí)產(chǎn)生的震源強(qiáng)度不足。劉剛等人[8-9]設(shè)計(jì)的機(jī)械式井下震源發(fā)生器能產(chǎn)生合適的震源強(qiáng)度，但由于工藝較復(fù)雜，限制了其推廣應(yīng)用。邵冬冬等人[10]研制的水力脈沖鉆井工具在斜井和大位移井中能產(chǎn)生足夠的能量，但井下工藝更加復(fù)雜。李博[11]利用MATLAB 軟件模擬分析了YZX 液動(dòng)沖擊器性能的影響因素：隨著流量或沖錘質(zhì)量增大，沖擊功和沖擊功率增大；隨著沖錘自由行程增長(zhǎng)，沖擊頻率和能量利用率降低。葉曉平等人[12]利用MATLAB 軟件模擬了雙作用液動(dòng)沖擊器的輸出性能，其結(jié)果和實(shí)際工況相仿；Wu Tao 等人[13]利用ANSYS 有限元軟件分析了潛孔錘的沖擊應(yīng)力，認(rèn)為潛孔錘采用滑動(dòng)軸承可以延長(zhǎng)其疲勞壽命。

傳統(tǒng)機(jī)械式震源發(fā)生器在停鉆時(shí)通過大幅提拉鉆柱進(jìn)行蓄能，再采取推拉活塞的方式釋放沖錘能量。針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械式震源發(fā)生器存在的問題，筆者等人設(shè)計(jì)了一種能產(chǎn)生強(qiáng)沖擊且操作便捷的液壓蓄能式井下震源發(fā)生器，正常作業(yè)時(shí)能利用鉆井液給沖擊裝置蓄能且不產(chǎn)生誤震，需要測(cè)井距時(shí)，通過簡(jiǎn)單的操作便能獲得沖擊功。為了使井下震源發(fā)生器性能最佳，基于CFD 技術(shù)模擬分析了彈簧剛度、沖錘質(zhì)量、節(jié)流面積、出口直徑和數(shù)量等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)震源發(fā)生器動(dòng)力性能的影響，并基于分析結(jié)果進(jìn)行了正交試驗(yàn)，得到了設(shè)計(jì)參數(shù)最優(yōu)組合。

1 井下震源發(fā)生器結(jié)構(gòu)與原理

井下震源發(fā)生器主要由活塞、沖錘、彈簧、鐵砧和延時(shí)裝置等組成，如圖1 所示。該發(fā)生器的基本工作原理是通過液壓裝置蓄能，利用彈簧力驅(qū)動(dòng)沖錘沖擊鐵砧，產(chǎn)生較大的震擊力。

圖1 井下震源發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of downhole seismic generator

正常鉆進(jìn)時(shí)，井下震源發(fā)生器不會(huì)產(chǎn)生震擊，只是作為鉆具的一部分傳遞扭矩和鉆壓。鉆井液推動(dòng)活塞并帶動(dòng)沖錘在軸向上運(yùn)動(dòng)，壓縮彈簧蓄能，而沖錘和活塞組合處于鋼球卡點(diǎn)處時(shí)，鋼球部分伸出卡住沖錘的弧形下端。為防止即拉即震或誤震，設(shè)計(jì)了液壓延時(shí)裝置，其工作原理是高壓鉆井液通過單向閥進(jìn)入液壓腔中，當(dāng)停泵微提鉆柱時(shí)，鐵砧在下接頭所連接動(dòng)力鉆具的重力和摩擦力作用下壓縮液壓腔，迫使鉆井液通過細(xì)縫擠出，起到延時(shí)作用；延時(shí)結(jié)束后，止推套筒也相應(yīng)下行一小段距離，鋼球在彈簧力的作用下退縮到外筒和固定套筒之間的腔體中，即卡點(diǎn)消失，彈簧釋放能量，驅(qū)動(dòng)沖擊錘和活塞組合迅速下行沖擊鐵砧，實(shí)現(xiàn)一次有效震擊。

2 模型建立與網(wǎng)格劃分

根據(jù)井下震源發(fā)生器的工作原理，建立了沖錘流道的三維模型，如圖2 所示。為了縮短計(jì)算時(shí)間、提高計(jì)算結(jié)果精度，選用六面體網(wǎng)格對(duì)沖錘流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并分析模擬結(jié)果與網(wǎng)格的相關(guān)性。將沖錘流道模型分別劃分為27×104，32×104，36×104，40×104和53×104個(gè)網(wǎng)格，進(jìn)行模擬計(jì)算，得到?jīng)_錘運(yùn)動(dòng)面最大速度與網(wǎng)格數(shù)量之間的關(guān)系，如圖3 所示。從圖3可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于36×104時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果便與網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)，為了避免網(wǎng)格數(shù)量過多導(dǎo)致計(jì)算機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)選擇網(wǎng)格數(shù)量為40×104個(gè)。

圖2 沖錘流道模型Fig.2 Flow passage model of impact hammer

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)量下沖錘的最大速度Fig.3 Maximum velocity of impact hammer under different mesh numbers

基于CFD 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，利用Fluent 軟件模擬沖錘運(yùn)動(dòng)過程，選擇基于壓力求解方式、瞬態(tài)計(jì)算、標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型，流體選擇不同密度鉆井液，壓力出口設(shè)為零，在動(dòng)網(wǎng)格界面定義沖錘運(yùn)動(dòng)面和網(wǎng)格更新方式，采用C 語(yǔ)言編制的UDF（user define function）指定運(yùn)動(dòng)面的運(yùn)動(dòng)形式，采用Coupled 算法求解壓力速度耦合方程。

3 井下震源發(fā)生器性能影響因素

井下震源發(fā)生器輸出性能的影響因素較多，本文主要分析彈簧剛度、節(jié)流面積、沖錘質(zhì)量、出口直徑和數(shù)量等結(jié)構(gòu)參數(shù)及鉆井液密度的影響。以沖擊功和沖擊效率最大為優(yōu)化目標(biāo)，通過調(diào)整井下震源發(fā)生器結(jié)構(gòu)參數(shù)和水力參數(shù)（如流量、背壓、沖錘結(jié)構(gòu)尺寸等），分析單因素對(duì)震源發(fā)生器性能的影響及采用正交試驗(yàn)分析多因素的影響，優(yōu)選井下震源發(fā)生器的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.1 沖錘輸出性能參數(shù)變化規(guī)律

分析各因素對(duì)沖錘輸出性能的影響，需要了解沖錘一個(gè)運(yùn)動(dòng)行程內(nèi)各輸出性能參數(shù)的變化。為此，利用CFD 軟件模擬了沖錘一個(gè)行程內(nèi)各輸出性能參數(shù)的變化，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 沖錘一個(gè)行程內(nèi)各輸出性能參數(shù)的變化規(guī)律Fig.4 Variation law of output parameters of the impact hammer within a stroke

從圖4 可以看出：沖錘速度的變化趨勢(shì)是先升高后降低，這是因?yàn)閺椈闪χ饾u減小，而流體阻力相對(duì)增大，導(dǎo)致沖錘加速度逐漸變小；沖錘的位移與時(shí)間呈二次函數(shù)關(guān)系，可認(rèn)為每一個(gè)微小時(shí)間段內(nèi)加速度恒定，符合勻加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律；沖錘沖擊功的變化趨勢(shì)與沖錘速度相似；沖錘的沖擊效率也是先增大后減小，這是因?yàn)闆_錘起始階段的動(dòng)能是逐漸增加的，之后彈簧的彈性勢(shì)能和沖錘的重力勢(shì)能不只是轉(zhuǎn)化為沖錘的動(dòng)能，還轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，導(dǎo)致沖錘的動(dòng)能增加量相對(duì)勢(shì)能減少量要小，造成后期沖錘沖擊效率減小。

3.2 單因素變化對(duì)輸出性能的影響

3.2.1 彈簧剛度

彈簧是井下震源發(fā)生器的主動(dòng)力蓄能裝置，直接影響井下震源發(fā)生器的動(dòng)力輸出性能，故有必要分析彈簧剛度對(duì)沖錘動(dòng)力性能的影響。欲使沖錘獲得最佳輸出性能，應(yīng)該在彈簧形變范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，故以彈簧實(shí)際行程為運(yùn)動(dòng)行程。井下震源發(fā)生器彈簧的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 彈簧的相關(guān)參數(shù)Table 1 Relevant parameters of spring

保持井下震源發(fā)生器其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和水力參數(shù)不變，利用CFD 軟件模擬不同彈簧剛度下沖錘的輸出性參數(shù)，結(jié)果如圖5 所示。從圖5 可以看出：隨著沖錘彈簧剛度增大，沖錘的最大速度呈遞增趨勢(shì)，而沖錘位移則隨著沖錘彈簧剛度增大呈減小趨勢(shì)，彈簧剛度越大，達(dá)到最大速度的位移越?。粵_錘的沖擊功和沖擊效率均呈遞增趨勢(shì)，沖錘速度、沖擊功呈線性增大，而沖擊效率的遞增幅度逐漸減小，這是由于沖錘運(yùn)動(dòng)行程加長(zhǎng)，阻力做負(fù)功，沖錘的動(dòng)能增加量相對(duì)勢(shì)能減少量減小的緣故；沖錘的位移與彈簧選型有關(guān)。

圖5 不同鉆井液密度下沖錘輸出性能參數(shù)隨彈簧剛度的變化Fig.5 Variation of the output performance parameters of impact hammer with spring stiffness under different drilling fluid densities

從圖5 還可以看出，沖錘在不同密度的鉆井液中工作時(shí)，隨著彈簧剛度增大，沖錘輸出性能參數(shù)的變化規(guī)律基本相同。井下震源發(fā)生器在密度相對(duì)較低的鉆井液中工作，沖錘可獲得更佳的輸出性能。彈簧剛度為54.81 N/mm 時(shí)，在密度1100 kg/m3鉆井液中工作與在密度1200 kg/m3鉆井液相比，沖錘最大速度提高了2.79%，最大沖擊功提高了6.03%，最大速度對(duì)應(yīng)的沖擊效率提高了3.93%，但達(dá)到最大速度所對(duì)應(yīng)的位移也相應(yīng)增大了3.58%，而達(dá)到最大速度的實(shí)際行程不足90 mm，增加的位移可忽略。

3.2.2 節(jié)流面積

井下震源發(fā)生器的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，改變節(jié)流面積，利用CFD 軟件模擬不同節(jié)流面積下沖錘的輸出性能參數(shù)，結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可以看出：隨著節(jié)流面積增大，沖錘的各項(xiàng)輸出性能參數(shù)呈遞增趨勢(shì)，且增大速率逐漸變小，這是因?yàn)楣?jié)流面積變大，對(duì)沖錘的阻力變小，沖錘動(dòng)能相對(duì)增大；沖錘位移增大，這是因?yàn)樽枇﹄S著節(jié)流面積增大而減小，加速度轉(zhuǎn)換方向的時(shí)間延長(zhǎng)，達(dá)到最大速度的時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)，則位移增大；節(jié)流面積增大到一定值之后，節(jié)流面積繼續(xù)增大，沖錘速度的增大幅度變小，說明繼續(xù)增大節(jié)流面積對(duì)沖擊功影響不顯著，這為節(jié)流面積的選擇提供了依據(jù)。從圖6 還可以看出，節(jié)流面積為2875.19 mm2時(shí)沖錘的輸出性能最佳。

圖6 沖錘輸出性能參數(shù)隨節(jié)流面積變化的規(guī)律Fig.6 Variation laws of output performance parameters of impact hammer with throttling area

3.2.3 沖錘質(zhì)量

井下震源發(fā)生器的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，改變沖錘質(zhì)量，利用CFD 軟件模擬不同沖錘質(zhì)量下沖錘的輸出性能參數(shù)，結(jié)果如圖7 所示。從圖7 可以看出：隨著沖錘質(zhì)量增大，沖錘的最大速度呈下降趨勢(shì)，這是由于沖錘合外力變化不明顯，而沖錘質(zhì)量增加相對(duì)突出，使加速度變小的緣故；沖錘的沖擊功呈遞增趨勢(shì)，沖擊功與沖錘質(zhì)量和沖錘速度平方的乘積正相關(guān)，沖錘質(zhì)量增大幅度相對(duì)于沖錘速度的降低幅度更大，使沖擊功呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；沖擊效率呈遞增趨勢(shì)并逐漸趨于平緩，這是因?yàn)闆_錘總勢(shì)能轉(zhuǎn)化為沖錘動(dòng)能的量隨著沖錘質(zhì)量增大而增大，但阻力做功的增量亦會(huì)增大，且大于動(dòng)能增量，使沖擊功增量相對(duì)減少。因此，可根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)和沖錘質(zhì)量的特性曲線選擇沖錘質(zhì)量，以獲得最佳的輸出性能。

3.2.4 出口直徑和數(shù)量

圖7 沖錘輸出性能參數(shù)隨沖錘質(zhì)量變化的規(guī)律Fig.7 Variation laws of output performance parameters of hammer with its mass

圖8 沖錘輸出性能參數(shù)隨出口數(shù)量變化的規(guī)律Fig.8 Variation laws of output performance parameters of impact hammer with the number of outlets

井下震源發(fā)生器出口數(shù)量和出口直徑影響流道中鉆井液及時(shí)排出。保持井下震源發(fā)生器的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，僅改變出口數(shù)量或出口直徑，利用CFD 軟件模擬分析了不同出口數(shù)量和不同出口直徑時(shí)的沖錘輸出性能參數(shù)，結(jié)果如圖8 和圖9。從圖8 和圖9 可以看出：隨著井下震源發(fā)生器出口數(shù)量增多或出口直徑增大，沖錘的最大速度呈遞增趨勢(shì)，但遞增趨于變緩，這是因?yàn)樵跊_錘勢(shì)能不變的條件下，無論是出口數(shù)量增多還是出口直徑增大，都使水力阻力減小，使沖錘合外力為正，之后沖錘勢(shì)能降低，阻力相對(duì)穩(wěn)定，沖錘加速度變小，沖錘速度增大趨勢(shì)變緩；沖錘的沖擊功呈遞增趨勢(shì)，這是因?yàn)闆_擊功與沖錘速度正相關(guān)，沖擊功與沖錘速度協(xié)同變化；沖擊效率呈遞增趨勢(shì)，則是因?yàn)闆_錘總勢(shì)能轉(zhuǎn)化為沖錘動(dòng)能的增量呈上升趨勢(shì)；沖錘速度和沖擊功后期增長(zhǎng)緩慢，說明出口數(shù)量繼續(xù)增多或出口直徑繼續(xù)增大對(duì)沖擊功的影響不顯著，因此可以選擇相對(duì)較少的出口數(shù)量或較小的出口直徑，使沖錘獲得最佳輸出性能。

圖9 沖錘輸出性能參數(shù)隨出口直徑變化的規(guī)律Fig.9 Variation laws of output performance parameters of impact hammer with outlet diameter

3.3 多因素對(duì)沖錘輸出性能的影響

上文分析了單因素對(duì)井下震源發(fā)生器輸出性能的影響，而優(yōu)化井下震源發(fā)生器的綜合性能時(shí)，一般采用正交試驗(yàn)方法評(píng)估各因素對(duì)沖錘輸出性能影響的顯著性[14-18]。因此，設(shè)計(jì)了六因素三水平正交試驗(yàn)的因素和水平（見表2），選擇L8（27）作為正交試驗(yàn)方案，以沖擊功為考察指標(biāo)，利用CFD 軟件模擬計(jì)算了沖擊功，結(jié)果見表3（其中，為各因素指標(biāo)的均值）。對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了方差分析，結(jié)果見表4（其中，A，B，C，D，E 和F 為各因素代號(hào)）。

表2 各影響因素的水平Table 2 The level of each influencing factors

表3 正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Orthogonal test scheme and the test results

4 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)了一種蓄能式井下震源發(fā)生器，建立了正源發(fā)生器沖錘的流道模型，基于CFD 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)分析了沖錘的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2）采用單因素分析法，分析了各因素對(duì)井下震源發(fā)生器輸出性能的影響，結(jié)果表明：節(jié)流面積、出口數(shù)量、出口直徑和鉆井液密度與井下震源發(fā)生器輸出性能參數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系；彈簧剛度越大，沖錘最大沖擊功對(duì)應(yīng)的位移越小；沖錘的質(zhì)量越大，沖錘的速度越小。

3）采用正交試驗(yàn)法，通過方差分析了各因素對(duì)井下震源發(fā)生器輸出性能的影響，發(fā)現(xiàn)出口直徑對(duì)井下震源發(fā)生器輸出性能的影響極為顯著，而鉆井液密度對(duì)其影響不顯著，并根據(jù)分析結(jié)果篩選出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合方案。

表4 正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果Table 4 Variance analysis of orthogonal test