黃壯，宋順平，李小鵬，夏成宇，黃和祥，許煒，何宇航

(1.長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北荊州 434023；2.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶鉆井總公司，陜西西安 710016)

0 前言

為了提高水力噴砂射孔技術(shù)的射流壓力，本文作者在井下增壓鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了能應(yīng)用于水力噴砂射孔的井下水力增壓器。在井下水力增壓器中，活塞的運(yùn)動(dòng)是決定增壓器實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、獲得高壓射流的關(guān)鍵。因此，針對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程的研究對(duì)井下水力增壓器的性能好壞和增壓效率具有重要的意義。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，井下增壓技術(shù)開(kāi)始了長(zhǎng)足的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研究者們先后研制了各種基于不同原理的井下增壓裝置，并對(duì)其增壓性能進(jìn)行了大量的研究。但這些研究往往只分析活塞加壓過(guò)程對(duì)增壓器增壓效果的影響，忽略活塞回程時(shí)引起的變化，對(duì)增壓器性能的分析不全面。針對(duì)上述問(wèn)題，本文作者根據(jù)井下水力增壓器活塞正反行程中流體實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況建立相應(yīng)的流體域模型，利用Fluent動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)研究增壓器在工作過(guò)程中的工作性能，并分析增壓器工作頻率與固有頻率之間的關(guān)系，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該裝置的可行性，以期為后續(xù)增壓器的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 井下水力增壓器工作原理

如圖1所示，井下水力增壓器主要由輸入流道、輸出流道、換向?qū)U、換向塊、活塞、擋塊、單向閥、高壓流道等部分組成。在工作過(guò)程中，該裝置由液體提供動(dòng)力，通過(guò)換向塊的移動(dòng)控制活塞上下腔與不同流道的連通，以改變活塞上下兩端的壓力差，將液體的壓力能轉(zhuǎn)化為活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，將部分液體增壓至超高壓，然后帶動(dòng)磨料沖擊套管、水泥環(huán)以及地層巖石，實(shí)現(xiàn)水力噴砂射孔技術(shù)井下增壓的目的；其余液體則從低壓流道流出，起到清洗井底巖屑的作用。

圖1 井下水力增壓器基本結(jié)構(gòu)

2 工作性能分析

2.1 理論控制模型

2.1.1 動(dòng)網(wǎng)格控制模型

活塞的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起活塞腔流域形狀的改變，這種變化的流場(chǎng)是動(dòng)邊界流場(chǎng)的基本形式，因此需要應(yīng)用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)計(jì)算活塞腔流域需要考慮動(dòng)邊界移動(dòng)的影響，列表達(dá)式如下：

(1)

式中：為通用變量；為控制體積，m；為液體密度，kg/m；?為控制體積的邊界；為動(dòng)網(wǎng)格邊界移動(dòng)速度，m/s；為速度矢量，m/s；為源項(xiàng)；為擴(kuò)散系數(shù)。

2.1.2 活塞運(yùn)動(dòng)UDF編譯

為了清楚描述活塞在活塞腔中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程并獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，需要利用UDF編譯活塞在活塞腔中的運(yùn)動(dòng)函數(shù)?；钊诨钊恢械倪\(yùn)動(dòng)主要由活塞兩端的壓力以及自身的重力產(chǎn)生，每個(gè)時(shí)刻的加速度由上個(gè)時(shí)刻的迭代產(chǎn)生，可得活塞增壓過(guò)程中第個(gè)迭代時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)加速度函數(shù)為

(2)

活塞復(fù)位過(guò)程中第個(gè)迭代時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)加速度函數(shù)為

(3)

式中：()為第個(gè)迭代時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)活塞運(yùn)動(dòng)的加速度，m/s；和分別為活塞上側(cè)的邊界上第個(gè)網(wǎng)格的壓力(MPa)和面積(m)；和分別為活塞下側(cè)的邊界上第個(gè)網(wǎng)格的壓力(MPa)和面積(m)。

第個(gè)迭代時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)速度公式為

()=(-1)+()Δ

(4)

式中：()為第個(gè)迭代時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)活塞運(yùn)動(dòng)速度，m/s；Δ為每一步迭代的時(shí)間步長(zhǎng)，s。

在每次迭代的時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，F(xiàn)luent先計(jì)算UDF函數(shù)中的加速度，然后將加速度值傳遞給Fluent求解器，以求解每一步迭代中的邊界運(yùn)動(dòng)速度值。

2.2 增壓行程仿真分析

2.2.1 活塞腔增壓模型和網(wǎng)格劃分

為了精確分析活塞增壓行程中增壓器的增壓特性，根據(jù)增壓器基本結(jié)構(gòu)和增壓行程中流體流動(dòng)方式建立活塞腔流體域增壓模型。該流體域模型尺寸如下：初始段液體長(zhǎng)度為10 mm，活塞的厚度為50 mm，活塞行程為500 mm，活塞腔的直徑為66 mm，活塞桿的直徑為56 mm，活塞腔的入口面積為3.42×10m，活塞腔的出口面積為5.03×10m。將流體域模型導(dǎo)入Fluent中，為提高網(wǎng)格質(zhì)量，網(wǎng)格劃分時(shí)采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和O形切分，且流體域網(wǎng)格邊界之間采用Interface配對(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，最終形成如圖2所示的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖2 活塞腔流體域增壓模型

2.2.2 邊界條件及動(dòng)網(wǎng)格更新

將流體域模型填充液態(tài)水，且將其置于大氣壓環(huán)境中，根據(jù)輸入壓力技術(shù)要求和流體流動(dòng)方式，將活塞腔上端入口面設(shè)置為壓力入口，總壓設(shè)為30 MPa，靜壓設(shè)為0.1 MPa，將出口面設(shè)置為壓力出口，出口壓力設(shè)為0.1 MPa。計(jì)算條件設(shè)置采用Simple算法，迭代時(shí)間步長(zhǎng)取0.000 005 s，迭代步數(shù)取6 000步。動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置采用動(dòng)態(tài)層更新法實(shí)現(xiàn)活塞腔網(wǎng)格更新，并選用常值比例法進(jìn)行網(wǎng)格層的分割。

2.2.3 增壓過(guò)程仿真結(jié)果分析

圖3為增壓行程中不同時(shí)刻活塞腔壓力云圖?？芍?增壓行程中活塞下腔的壓力變化可以分為起始段和穩(wěn)態(tài)段。在起始段，活塞上腔的壓力比活塞下腔大，由此形成壓差，該壓差推動(dòng)活塞下行，并對(duì)活塞下腔的液體加壓，從而導(dǎo)致活塞下腔的壓力升高。隨后由于噴嘴憋壓的影響，噴嘴處也建立起壓力，因此隨著活塞繼續(xù)下移，活塞下腔的壓力逐漸趨于穩(wěn)定。在穩(wěn)態(tài)段，其壓力均值約為103 MPa，活塞下腔的壓力從0.015 s后開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)態(tài)段。

圖3 增壓行程中不同時(shí)刻活塞腔壓力云圖

為了清楚分析增壓行程中噴嘴處流體出射速度變化規(guī)律，提取如圖4所示的噴嘴處向流體出射速度云圖進(jìn)行研究?？芍?增壓行程中噴嘴處流體出射速度隨時(shí)間呈現(xiàn)出先增大后逐漸趨于穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)越靠近噴嘴中心區(qū)域其流體出射速度越大。在穩(wěn)態(tài)段，向流體出射速度穩(wěn)態(tài)均值約為460 m/s，其出射速度在0.02 s附近進(jìn)入穩(wěn)態(tài)段。

圖4 增壓行程中不同時(shí)刻噴嘴處流體速度云圖

2.3 復(fù)位行程仿真分析

2.3.1 活塞腔復(fù)位模型網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置

為了精確分析活塞復(fù)位行程中增壓器的各項(xiàng)特性，根據(jù)增壓器基本結(jié)構(gòu)和復(fù)位行程中流體流動(dòng)方式建立活塞腔流體域復(fù)位模型。如圖5所示，在復(fù)位模型中，初始段液體長(zhǎng)度為40 mm，活塞腔入口面積為1.54×10m，活塞腔的出口1面積為5.03×10m、出口2面積為1.26×10m；復(fù)位行程仿真設(shè)置與增壓行程仿真設(shè)置一致，其中，邊界條件設(shè)置中，壓力入口總壓設(shè)為30 MPa，靜壓設(shè)為0.1 MPa，壓力出口1和壓力出口2均設(shè)為0.1 MPa。

圖5 活塞腔流體域復(fù)位模型

2.3.2 復(fù)位過(guò)程仿真結(jié)果分析

圖6為復(fù)位行程中不同時(shí)刻活塞腔壓力云圖。可知：復(fù)位行程中活塞腔的壓力變化也可以分為兩個(gè)階段，起始段和穩(wěn)態(tài)段。在起始段，從進(jìn)口進(jìn)入的流體中一小部分從出口1經(jīng)高壓流道從噴嘴射出，由于出口1的直徑比進(jìn)口小很多，該處形成憋壓，因此大部分流體進(jìn)入活塞下腔，致使活塞下腔的壓力升高。而此時(shí)活塞上腔與增壓器外部連通，壓力低，因此活塞在壓差的作用下上行。在活塞上行的過(guò)程中，活塞上腔的壓力先升高后逐漸趨于穩(wěn)定。還可以看出：活塞上腔的壓力在=0.006 s附近進(jìn)入穩(wěn)態(tài)段，且穩(wěn)態(tài)壓力均值為3 MPa。

圖6 復(fù)位行程中不同時(shí)刻活塞腔壓力云圖

為了分析增壓器的工作特性，將增壓行程和復(fù)位行程的計(jì)算結(jié)果加以整理得出如圖7所示的活塞運(yùn)動(dòng)對(duì)增壓器增壓特性影響曲線(xiàn)。可知：活塞增壓過(guò)程是影響增壓器增壓效果的關(guān)鍵因素，且增壓行程中活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)間為0.027 2 s，復(fù)位行程中活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)間為0.029 3 s。分析圖7(a)可知：與復(fù)位行程相比，增壓行程中活塞運(yùn)動(dòng)的速度略大，活塞運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)入穩(wěn)定所用的時(shí)間越短。分析圖7(b)可知：增壓行程中經(jīng)過(guò)增壓后的高壓流體穩(wěn)態(tài)速度出射均值為352 m/s，復(fù)位行程中流體穩(wěn)態(tài)速度出射均值為190 m/s，且在復(fù)位行程中流體出射速度在=0.002 5 s附近進(jìn)入穩(wěn)態(tài)段。分析圖7(c)可知：增壓行程中經(jīng)過(guò)增壓后的流體穩(wěn)態(tài)壓力均值為103 MPa，復(fù)位行程中由于活塞上腔與增壓器外界連通，所以活塞上腔壓力低，其壓力均值為3 MPa。

圖7 活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程對(duì)增壓器增壓性能的影響

通過(guò)上述分析可知:所設(shè)計(jì)的井下水力增壓器在增壓行程中可以將部分流體加壓至103 MPa，高壓流體出射速度可達(dá)352 m/s，基本能夠?qū)崿F(xiàn)利用高壓流體混合磨料進(jìn)行噴砂射孔壓裂作業(yè);在回程過(guò)程中，噴嘴處流體出射速度均值為190 m/s，噴射時(shí)間長(zhǎng)，噴射穩(wěn)定，具備良好的混砂效果。

2.4 增壓器模態(tài)分析

井下水力增壓器在工作過(guò)程中，活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)引起增壓器腔體的軸向振動(dòng)，其工作頻率主要受到活塞行程長(zhǎng)度影響。為避免增壓器的工作頻率和其固有頻率重合而引起共振現(xiàn)象進(jìn)而影響增壓器的使用壽命，需要對(duì)井下水力增壓器的固有頻率進(jìn)行分析，同時(shí)也為井下水力增壓器的行程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

在進(jìn)行增壓器模態(tài)分析時(shí)，考慮到增壓器實(shí)際工況，對(duì)增壓器的上端面施加固定約束，下端看作自由端，并對(duì)增壓器材料性能參數(shù)進(jìn)行如下定義：增壓器選用40CrNiMo材料，彈性模量=2.09×10Pa，泊松比=0.29，材料的密度=7 870 kg/m。在實(shí)際應(yīng)用中，低階模態(tài)的影響往往比高階模態(tài)要大，此次主要計(jì)算增壓器前6階固有頻率。計(jì)算結(jié)果如表1和圖8所示。

表1 增壓器前6階固有頻率

圖8 增壓器前6階振型

3 增壓器地面試驗(yàn)

為驗(yàn)證井下水力增壓器設(shè)計(jì)的可行性，在地面對(duì)增壓器進(jìn)行了功能性試驗(yàn)。井下水力增壓器地面測(cè)試裝置如圖9所示。試驗(yàn)過(guò)程中，泵進(jìn)出水閥門(mén)被打開(kāi)，離心泵將儲(chǔ)水箱的水輸送至增壓器，增壓器開(kāi)始工作;隨后，增壓器產(chǎn)生的高壓脈沖射流從噴嘴射出并沖擊凹槽擋板，最后回彈至蓄水池2中;增壓器低壓流體則從低壓出口流入蓄水池1中，兩個(gè)蓄水池的水通過(guò)回水管流入流砂箱，經(jīng)流砂箱過(guò)濾后流入儲(chǔ)水箱。

圖9 井下水力增壓器地面測(cè)試裝置示意

此次試驗(yàn)采用清水作為試驗(yàn)介質(zhì)，分別用泵排量為5.5 L/s、泵壓為1.8 MPa以及泵排量為7.6 L/s、泵壓為2.7 MPa的離心泵進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。通過(guò)試驗(yàn)可知：井下水力增壓器運(yùn)行穩(wěn)定，增壓器噴嘴出口明顯可見(jiàn)高壓脈沖射流，驗(yàn)證了井下水力增壓器的可行性，實(shí)現(xiàn)了水力噴砂射孔技術(shù)井下增壓的目的。

圖10 井下水力增壓器地面試驗(yàn)

4 結(jié)論

(1)結(jié)合井下增壓技術(shù)與水力噴砂射孔技術(shù)研制了井下水力增壓器，通過(guò)地面試驗(yàn)可知，該裝置運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象，能夠?qū)崿F(xiàn)井下增壓的目的。

(2)在活塞運(yùn)動(dòng)單一行程中，活塞運(yùn)動(dòng)速度、噴嘴處的流體出射速度、活塞腔流體壓力均隨時(shí)間呈現(xiàn)出先增大后逐漸趨于穩(wěn)定的規(guī)律。

(3)仿真分析表明：井下水力增壓器可以將部分液體壓力加壓至100 MPa以上，流體出射速度提升至350 m/s以上，增壓可靠，且該裝置工作頻率與固有頻率不重合，不會(huì)引起共振，工作性能良好，能有效應(yīng)用于水力噴砂射孔技術(shù)中。