论文部分内容阅读
摘要：本文通过Fluent软件对摆动式扭力冲击器进行静态流道的动力仿真，验证其扭力冲击器节流口设计的合理性。通过对设计好的模型其进行合理的简化后，建立其流道模型，并且得出模拟仿真的结果。并通过与相似结构液压式扭力冲击器各参数对比，验证仿真结果的可靠性。
关键词：摆动式扭力冲击器;节流口;动力仿真
引言
摆动式扭力冲击器是一种旋冲式的井下工具，可以有效的解决硬地层钻井难题。摆动式扭力冲击器通过钻井液的高低压差提供动力使其产生一定频率的脉冲扭矩，并将动力传递给钻头。
1.摆动式扭力冲击器工作原理与其节流口的设计
净化后的液体流进冲击器经过旋流诱导轮分流。大部分通过节流口形成低压液，另一部分仍然以高压的形式通过碰撞锤。来源于钻井液的高低压差使得动力锤往复运动，流量和喷嘴产生的压降来设置液压锤的受力。压降产生的钻井液的高压与低压的压差分别推动液动锤与换向阀芯做往复碰撞换向运动。摆动式扭力冲击器建模后整体结构如图1-1所示。
图1-1摆动式扭力冲击器整体结构
扭力冲击器的摆动式扭力冲击器的动力部分通过碰撞部分来实现。碰撞锤与换向阀芯顺时针与逆时针交替往复运动与主轴的冲击面碰撞，实现巨大的扭矩产生的机械冲击能量由驱动短节内的驱动轴集中均匀地传送到钻头上，实现能量直接传输。液动锤与换向阀芯做往复运动依靠钻井液的高压与低压的压差分别推动。而高低压的实现依靠流量和喷嘴产生的压降来实现。通过节流嘴横截面积的大小设定，图1-2为摆动式扭力冲击器流道三维模型图（通过其剖面可以清楚地看出两个节流口）。
图1-2为摆动式扭力冲击器流道三维模型图
2.摆动式扭力冲击器的整体流道的动力仿真
摆动式扭力冲击器的脉冲主要由液动锤与阀芯的往复运动所形成。每个碰撞周期都分为四个部分、两个状态：碰撞状态与换向状态。而碰撞件往复摆动的动力来自与钻井液的高低压差。本节利用Fluent软件分别对碰撞与换向状态进行模拟与仿真，进一步验证节流口尺寸设计的合理性。
2.1模型的建立
本模型是通过UG建立而成的。分别对摆动式扭力冲击器的换向状态与碰撞状态两种瞬态情况分别进行流体的动力仿真。为了便于计算机的运算，一些被阻截的流道被省略。
2.2前处理与后处理
由于模型为旋转对称结构，故利用workbench网格工具规定网格大小为2mm，接着定义边界条件（入口与出口）。
在mesh的下拉菜单中选择check。接在在定义模型的粘度为keosilon。接着定义材料为液体水。接着定义边界条件入口为入口速度4.763m/s与9.96m/s，湍流强度设为5%，湍流粘度比设为5。在出口的回流湍流强度与回流湍流粘度比也设为相同的数值。接着在solution control的松弛系数一栏，压力选0.2，动量选0.5。接着将绝对收敛标准的的精度改为1e-06。在初始化中选择入口。最后在计算中选择迭代步数为1000步。
2.3结果分析
由于模型为旋转对称结构通过1000步的计算，得到残差分析曲线，、压力云图以及速度云图。处于换向状态时压力云图如图2-2所示。
图2-2 压力云图
通过应力云图可清楚地展现出通过节流口后的流道的高低压变化情况，这符合流体力学中的应力分布云图的分布趋势。残差曲线平稳，说明计算收敛，计算结果较为准确。
处于换向状态的瞬态流道模拟结果：压降以及流量的计算结果显示压差
分别为217KPa和751KPa;进出口流量满足初始设定流速。证明计算结果合理性。
处于碰撞状态的瞬态流道模拟结果：压降以及流量的计算结果显示压差
分别为256KPa和804KPa;进出口流量满足初始设定流速。证明计算结果合理性。
3.模拟得到压降值与标准参数的对比
运用Fluent软件仿真的结果与阿特拉公司的液压式扭力冲击器的各部分参数对比见表4-1。
表4-1 Fluent仿真结果与标准参数的对比
标准参数
仿真结果
流量
18.33-38.33
18.287-38.33
压降
350-1200
217.13-804
参照表4-1的对比结果，仿真得到的数据与标准参数线性相关。满足设计要求。
4.结论
针对摆动式扭力冲击器流道复杂难以运用理论方法求解但是易于建模的特点。通过Fluent软件对摆动式扭力冲击器进行静态流道进行动力仿真，得到通过节流口的压降值。并通过与标准压降参数的对比，验证其扭力冲击器节流口设计的合理性。
参考文献：
关键词：摆动式扭力冲击器;节流口;动力仿真
引言
摆动式扭力冲击器是一种旋冲式的井下工具，可以有效的解决硬地层钻井难题。摆动式扭力冲击器通过钻井液的高低压差提供动力使其产生一定频率的脉冲扭矩，并将动力传递给钻头。
1.摆动式扭力冲击器工作原理与其节流口的设计
净化后的液体流进冲击器经过旋流诱导轮分流。大部分通过节流口形成低压液，另一部分仍然以高压的形式通过碰撞锤。来源于钻井液的高低压差使得动力锤往复运动，流量和喷嘴产生的压降来设置液压锤的受力。压降产生的钻井液的高压与低压的压差分别推动液动锤与换向阀芯做往复碰撞换向运动。摆动式扭力冲击器建模后整体结构如图1-1所示。
图1-1摆动式扭力冲击器整体结构
扭力冲击器的摆动式扭力冲击器的动力部分通过碰撞部分来实现。碰撞锤与换向阀芯顺时针与逆时针交替往复运动与主轴的冲击面碰撞，实现巨大的扭矩产生的机械冲击能量由驱动短节内的驱动轴集中均匀地传送到钻头上，实现能量直接传输。液动锤与换向阀芯做往复运动依靠钻井液的高压与低压的压差分别推动。而高低压的实现依靠流量和喷嘴产生的压降来实现。通过节流嘴横截面积的大小设定，图1-2为摆动式扭力冲击器流道三维模型图（通过其剖面可以清楚地看出两个节流口）。
图1-2为摆动式扭力冲击器流道三维模型图
2.摆动式扭力冲击器的整体流道的动力仿真
摆动式扭力冲击器的脉冲主要由液动锤与阀芯的往复运动所形成。每个碰撞周期都分为四个部分、两个状态：碰撞状态与换向状态。而碰撞件往复摆动的动力来自与钻井液的高低压差。本节利用Fluent软件分别对碰撞与换向状态进行模拟与仿真，进一步验证节流口尺寸设计的合理性。
2.1模型的建立
本模型是通过UG建立而成的。分别对摆动式扭力冲击器的换向状态与碰撞状态两种瞬态情况分别进行流体的动力仿真。为了便于计算机的运算，一些被阻截的流道被省略。
2.2前处理与后处理
由于模型为旋转对称结构，故利用workbench网格工具规定网格大小为2mm，接着定义边界条件（入口与出口）。
在mesh的下拉菜单中选择check。接在在定义模型的粘度为keosilon。接着定义材料为液体水。接着定义边界条件入口为入口速度4.763m/s与9.96m/s，湍流强度设为5%，湍流粘度比设为5。在出口的回流湍流强度与回流湍流粘度比也设为相同的数值。接着在solution control的松弛系数一栏，压力选0.2，动量选0.5。接着将绝对收敛标准的的精度改为1e-06。在初始化中选择入口。最后在计算中选择迭代步数为1000步。
2.3结果分析
由于模型为旋转对称结构通过1000步的计算，得到残差分析曲线，、压力云图以及速度云图。处于换向状态时压力云图如图2-2所示。
图2-2 压力云图
通过应力云图可清楚地展现出通过节流口后的流道的高低压变化情况，这符合流体力学中的应力分布云图的分布趋势。残差曲线平稳，说明计算收敛，计算结果较为准确。
处于换向状态的瞬态流道模拟结果：压降以及流量的计算结果显示压差
分别为217KPa和751KPa;进出口流量满足初始设定流速。证明计算结果合理性。
处于碰撞状态的瞬态流道模拟结果：压降以及流量的计算结果显示压差
分别为256KPa和804KPa;进出口流量满足初始设定流速。证明计算结果合理性。
3.模拟得到压降值与标准参数的对比
运用Fluent软件仿真的结果与阿特拉公司的液压式扭力冲击器的各部分参数对比见表4-1。
表4-1 Fluent仿真结果与标准参数的对比
标准参数
仿真结果
流量
18.33-38.33
18.287-38.33
压降
350-1200
217.13-804
参照表4-1的对比结果，仿真得到的数据与标准参数线性相关。满足设计要求。
4.结论
针对摆动式扭力冲击器流道复杂难以运用理论方法求解但是易于建模的特点。通过Fluent软件对摆动式扭力冲击器进行静态流道进行动力仿真，得到通过节流口的压降值。并通过与标准压降参数的对比，验证其扭力冲击器节流口设计的合理性。
参考文献：
[1]赵云利.冲击回转钻具研究与性能测试[学位论文].硕士，2005.
[2]李国华.旋冲钻井破岩和冲击器设计基础理论及其应用研究[学位论文].博士，2004.
[3]朱德武.国外新型钻井工具技术进展[J].中外能源，2011，16（4）.