摘 " 要：旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)是目前廣泛應用的定向鉆井工藝技術系統(tǒng)，流道轉(zhuǎn)換器是該系統(tǒng)的關鍵機械零件，具有儀器內(nèi)流道轉(zhuǎn)換、電氣連接等功能。針對流道轉(zhuǎn)換器的功能需求，設計了一種三肋形式的流道轉(zhuǎn)換器結構，并采用CFD方法對其進行全三維數(shù)值模擬，分析了流道轉(zhuǎn)換器內(nèi)流場情況，依據(jù)分析結果對流道設計進行了改進。研究發(fā)現(xiàn)：流道轉(zhuǎn)換器出口總壓分布均勻，但流體流線較亂，且流經(jīng)流道轉(zhuǎn)換器的液體壓力損失仍較大，在優(yōu)化倒角后壓力損失有所降低。通過結構設計與仿真分析，完成三肋流道轉(zhuǎn)換器的選材及結構定型，最終完成三肋流道轉(zhuǎn)換器的研制。

關鍵詞：旋轉(zhuǎn)導向；流道轉(zhuǎn)換器；流體仿真；數(shù)值模擬；優(yōu)化設計

中圖分類號：TE921.2 " " " " 文獻標志碼：A " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.06.009

Design and Research of Three-ribbed Channel Converter for Rotary Steerable Drilling System

YANG Hengcan1，ZHANG Yulin1，LIN Haoyu1，JIAN Zhijun1，BAO Dongsheng1，HUANG Yue2

（ 1.China Oilfield Services Co.， Ltd.， Langfang 065201， China;2.School of Aerospace Engineering， Xiamen University， Xiamen 361102， China）

Abstract：Rotary Steerable Drilling System is a directional drilling technology system which is widely used at present. The flow channel converter is the key mechanical part of the system， which has the functions of flow channel conversion and electrical connection in the instrument. According to the functional requirements of the flow channel converter， a three-rib structure of the flow channel converter was designed， and the flow field inside the flow channel converter was analyzed by CFD method. It is found that the total pressure distribution at the outlet of the flow channel converter is uniform， but the fluid flow line is chaotic， and the fluid pressure loss through the flow channel converter is still large， and the pressure loss is reduced after the optimization of the chamfer. Through structural design and simulation analysis， the material selection and structure adjustment of the three-ribbed flow channel converter were completed， and the development of the three-ribbed flow channel converter was finally completed.

Key words：rotary steering; channel converter; fluid simulation; numerical simulation; optimal design

隨著我國油氣勘探開發(fā)向著深水、深層及非常規(guī)油氣進軍與水平井、大位移井的廣泛應用，旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術得以蓬勃發(fā)展，該技術能夠在旋轉(zhuǎn)鉆井過程中，控制鉆井軌跡，精確導向進入油層的最佳位置，是當今世界上實現(xiàn)定向鉆井的高端系統(tǒng)，可極大提升油氣開發(fā)效率和開發(fā)能力［1-5］。

在鉆井過程中，需要一直循環(huán)鉆井液，從鉆桿及鉆井工具內(nèi)孔流入，通過鉆頭后經(jīng)鉆井工具、鉆桿的外徑與井眼形成的環(huán)空，攜帶巖屑返回上去［6］。由于旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)結構復雜，儀器內(nèi)部鉆井液流道，需要根據(jù)鉆井工藝需求隨時調(diào)節(jié)，即環(huán)空流道與中心流道相互轉(zhuǎn)換［7］。流道轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)儀器流道變化，是旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)關鍵零部件。

同時，旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)采用高壓泥漿驅(qū)動渦輪，帶動發(fā)電機為井下儀器供電［8］。整個系統(tǒng)由流道轉(zhuǎn)換器、渦輪、發(fā)電機及連接機構組成，流道轉(zhuǎn)換器作為關鍵部件，其性能優(yōu)劣將直接影響旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的發(fā)電供電能力。因此設計一款適用于旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的流道轉(zhuǎn)換器對提高系統(tǒng)性能及應用可靠性十分重要。

目前，國內(nèi)外針對旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)流道轉(zhuǎn)換器等部件的設計研究較少。藥曉江等［9］對某型隨鉆測井儀流道轉(zhuǎn)換器進行了優(yōu)化設計，并對4種設計方案進行了模擬和對比，認為影響流道轉(zhuǎn)換器流場性能的主要因素是擴張角和內(nèi)流道截面積的連續(xù)性。李杰等［10］對流道轉(zhuǎn)換接頭內(nèi)部鉆井液流動進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)流道轉(zhuǎn)換接頭的截面變化處與流道內(nèi)表面最容易被沖蝕，提出了新型流道轉(zhuǎn)換接頭結構和加工工藝，以延長使用壽命。Ivan Okhotnikov等［11-13］設計了一種旋轉(zhuǎn)液壓流量控制閥，提出了閥芯驅(qū)動器和輔助機構的選型標準，推導了計量特性和穩(wěn)流力矩的解析表達式，并應用計算流體動力學評估了閥門的水力性能。

已知文獻研究內(nèi)容均未針對流道轉(zhuǎn)換器進行對比分析與強度計算，沒有基于特定儀器的功能進行設計，也沒有根據(jù)仿真結果進行針對性優(yōu)化，對影響鉆井過程中鉆井液循環(huán)能力的流體壓力分析較少。因此，本文采用計算流體力學方法，基于流道轉(zhuǎn)換器功能進行設計，運用三維數(shù)值模擬［14-15］，計算了流經(jīng)流道轉(zhuǎn)換器的流體壓力損失，確定了壓力損失較大的區(qū)域，并根據(jù)分析結果對模型進行了改進，最終完成了流道轉(zhuǎn)換器的設計優(yōu)化。

1 流道轉(zhuǎn)換器設計計算

流道轉(zhuǎn)換器的設計極其復雜，在滿足功能需求、機械強度的基礎上還要符合流體力學規(guī)律。根據(jù)功能需求與工作環(huán)境，完成了流道轉(zhuǎn)換器的初始結構設計與材料選擇，并通過有限元軟件進行了初步仿真模擬，確定了設計的合理性。

1.1 結構設計

該流道轉(zhuǎn)換器的功能主要包括三項：①環(huán)空流道轉(zhuǎn)換為中心流道，確定流道轉(zhuǎn)換器流道結構如圖1a所示；②提供線束通過孔道并承壓，確定流道轉(zhuǎn)換器走線結構如圖1b所示；③上下部件的機械連接、承壓密封［12］，確定流道轉(zhuǎn)換器結構特征，如圖1c所示。

參照結構設計構思，通過三維設計軟件完成結構模型設計如圖2所示。模型總長度355 mm，環(huán)形流道最小直徑？準101.5 mm，中心流道為錐形，大端直徑？準128.9 mm，小端直徑？準50.8 mm。

流道轉(zhuǎn)換器密封及走線如圖3所示，虛線框1部分為密封部分，采用高溫O形密封圈的形式；較大的

槽為扶正結構，保證流道轉(zhuǎn)換器在鉆鋌內(nèi)的居中；虛線框2內(nèi)是沿圓周均布的3個走線孔，用以貫連電路結構；虛線框3內(nèi)是連接特征，采用螺紋連接將其上下端固定。

1.2 材料選擇與參數(shù)設計

流道轉(zhuǎn)換器屬于承壓件，需要承受高壓、彎曲等復雜載荷，內(nèi)部流道與泥漿直接接觸并經(jīng)受常溫至150 ℃富氯離子泥漿介質(zhì)的腐蝕。由于流道的變換，流道轉(zhuǎn)換器被沖蝕失效的風險很大，要求材料具有高強韌、耐腐蝕的性能。同時由于流道轉(zhuǎn)換器與磁力計安裝較近，為提高測量精度，要求材料的磁導率較低。綜合上述條件，選擇鎳基合金作為流道轉(zhuǎn)換器材料，具體材料屬性，如表1所示。

流道轉(zhuǎn)換器有限元分析如圖4所示。確定材料后，采用靜力學方法對流道轉(zhuǎn)換器進行仿真計算，旋轉(zhuǎn)導向儀器設計指標為承壓140 MPa，因此在流道區(qū)域施加140 MPa均質(zhì)載荷。靜力學分析的最大應力值為1 324 MPa，而常規(guī)鎳基合金的屈服極限通常為1 100～1 200 MPa?；诜治鼋Y果，最終選擇超高強韌鎳基合金作為流道轉(zhuǎn)換器材料，即在常規(guī)材料基礎上通過優(yōu)化合金成分設計、高純凈低偏析冶金技術、時效強化調(diào)控技術等方法，來提高材料的屈服極限［13］，該超高強韌鎳基合金屈服強度應不小于1 400 MPa。

基于實際工況，選擇流經(jīng)流道轉(zhuǎn)換器內(nèi)部流道的泥漿配比為1.0，流體入口壓力10 MPa，體積流量1.0 m3/min，該配比的具體參數(shù)，如表2所示。

1.3 流道模型提取及網(wǎng)格劃分

在采用CFD方法對流道轉(zhuǎn)換器進行計算之前，需要先獲得模型內(nèi)流體流道結構，通過對流道轉(zhuǎn)換器幾何模型進行處理修補，提取出的流道模型，如圖5所示。

流道模型網(wǎng)格劃分結果，如圖6所示。采用全六面體非結構網(wǎng)格對流道轉(zhuǎn)換器進行網(wǎng)格劃分，總體網(wǎng)格數(shù)量為156萬。壁面、附面層，第一層網(wǎng)格尺寸均為0.01 mm。

1.4 仿真分析

應用壓力基求解器，該求解器建立在完全耦合隱式全馬赫方法的基礎上，以良好的精度表現(xiàn)出了高達兩個數(shù)量級的高度魯棒性收斂和加速，湍流模型采用k-omega sst，能夠很好地捕捉流場細節(jié)。

流道轉(zhuǎn)換器總體壓力云圖如圖7所示，出口總壓分布基本均勻，各處壓力值變化不大，整體總壓無突變位置，證明流道轉(zhuǎn)換器長度適中。模型出口壓力最小處的值約為9.997 MPa，通過計算進出口平均總壓算得流體在流經(jīng)流道轉(zhuǎn)換器后壓力損失約為2 158 Pa，壓力損失略大，需要進行設計優(yōu)化。

2 流道轉(zhuǎn)換器設計優(yōu)化

2.1 結構優(yōu)化

提取計算的流線和切面壓力云圖進行分析。原始流道轉(zhuǎn)換器流線結果如圖8所示，模型內(nèi)流體流線較為紊亂，在肋的前緣部分、靠近根部和頂部部分均有較大的分離。

切面靜壓云圖如圖9所示，原始三肋流道轉(zhuǎn)換器在軸向中部位置有明顯的局部低壓區(qū)，出現(xiàn)了明顯的流場分析現(xiàn)象。

原始流道轉(zhuǎn)換器切面總壓云圖如圖10所示，在流道轉(zhuǎn)換器的后部，同樣出現(xiàn)了較為明顯低總壓局部區(qū)域，因此需要針對該區(qū)域進行相應優(yōu)化?；诹黧w力學理論，考慮減小三個部位的倒圓角，保證從進口到出口的流線更為光順，繼而減小總壓損失。

2.2 仿真分析

對流道轉(zhuǎn)換器進行優(yōu)化調(diào)整，重新提取流體計算域如圖11所示。采用與優(yōu)化前的三肋流道轉(zhuǎn)換器相同的網(wǎng)格拓撲對流道轉(zhuǎn)換器進行網(wǎng)格劃分，總體網(wǎng)格數(shù)量為217萬。網(wǎng)格劃分如圖12所示。

為了排除不同工況的影響，采用修改前和修改后的兩個模型分別對不同泥漿配比與體積流量下的壓力損失進行計算，流體進口壓力同樣取10 MPa，泥漿采用1.0、2.4兩種不同配比，流量采用1.0、1.4、1.8、2.2 m3/min。

采用與仿真分析相同流道轉(zhuǎn)換器流線，優(yōu)化后的流道轉(zhuǎn)換器流線較為均勻，沒有出現(xiàn)明顯的分離，如圖13所示。優(yōu)化后的切面靜壓云圖與總壓云圖，如圖14～15所示，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后的三肋流道轉(zhuǎn)換器消除了低壓區(qū)，流體在流經(jīng)流道尺寸變化區(qū)域時壓力變化更為平順。多種工況下優(yōu)化前后總壓損失對比情況，如表3所示，通過對比可以看出，在泥漿配比為1.0時，優(yōu)化后流道轉(zhuǎn)換器總壓損失可以減少30%以上，在泥漿配比為2.4時，優(yōu)化后流道轉(zhuǎn)換器總壓損失也有至少16%的減小，因此認為對流道轉(zhuǎn)換器的結構優(yōu)化有效。

在旋轉(zhuǎn)導向儀器中，流道轉(zhuǎn)換器上端連接裝有加速度計、磁通門、陀螺儀的7軸方向探管與發(fā)電組件，下端連接裝有測量控制電路的骨架，如圖16所示。因7軸方向探管在儀器中需要居中放置測量，受限于電路板的尺寸，電路板需要安裝在骨架外部，所以需要將泥漿通道由環(huán)空區(qū)域變?yōu)橹行膮^(qū)域。同時為了向下端電路板供電及傳輸姿態(tài)測量數(shù)據(jù)，需要在流道轉(zhuǎn)換器中開通線路槽，三肋流道轉(zhuǎn)換器在支撐肋中開過線孔，既保證了流道完整性，又滿足過線及承壓要求。三肋的形狀及流道尺寸成為設計流道轉(zhuǎn)換器的重點，設計不合理會造成高壓降及沖蝕破壞，進而導致儀器失效。經(jīng)過流道轉(zhuǎn)換器流體仿真，完成三肋以及流道結構尺寸優(yōu)化，加工出優(yōu)化后的流道轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過水循環(huán)測試，壓降損失情況與仿真結果差異較小，效果良好。儀器通過實鉆驗證，拆卸檢查流道轉(zhuǎn)換器結構完整，如圖17所示，無沖蝕損傷。

3 結論

1） 流道轉(zhuǎn)換器是旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)關鍵機械零件，根據(jù)其功能完成了一款三肋流道轉(zhuǎn)換器的結構設計，并基于其工況選擇屈服強度大于1 400 MPa的超高強韌鎳基合金作為材料。

2） 基于實際工況，對流經(jīng)流道轉(zhuǎn)換器的流體壓力損失進行了仿真計算，結果表明該流道轉(zhuǎn)換器出口總壓分布均勻，但壓力損失仍較大，分析發(fā)現(xiàn)在支撐肋的前緣、根部和頂部位置流線出現(xiàn)紊亂，有局部低壓現(xiàn)象。

3） 通過對局部低壓區(qū)域的倒角進行優(yōu)化，來保證內(nèi)部流線的光順，可以有效降低液體流經(jīng)流道轉(zhuǎn)換器的壓力損失，優(yōu)化后總壓損失最多可減少34%。

參考文獻：

［1］ 何俊杰，毛良杰，楊森，等.推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)鉆具組合力學性能分析 ［J］.石油機械，2024，52 （4）： 41-48.

［2］ 吳超，菅志軍，郭云，等.旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)關鍵技術研究與實鉆試驗［J］.中國海上油氣，2012，24（3）：52-53.

［3］ 菅志軍，尚捷，彭勁勇，等. Welleader及Drilog系統(tǒng)在渤海油田的應用［J］.石油礦場機械，2017，46（6）：57-62.

［4］ 馮定，王鵬，張紅，等.旋轉(zhuǎn)導向工具研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.石油機械，2021，49（7）：8-15.

［5］ 張光偉，尹福來，程禮林，等.全旋轉(zhuǎn)指向式導向鉆井工具結構設計與仿真［J］.機械設計與制造，2024，（5）：136-140.

［6］ 傅小明，楊在志，孫虎.材料制備技術與分析方法［M］.南京：南京大學出版社：2020，（7）：302.

［7］ 朱德武.國外新型鉆井工具技術進展［J］.中外能源，2011，

16（4）：41-46.

［8］ 李杰，劉尊文，馬宗軍，等.擴眼器+旋轉(zhuǎn)導向在克深X區(qū)塊膏鹽巖造斜段的應用及效果評價［J］.西部探礦工程，2022，34（8）：88-90.

［9］ 藥曉江，董景新，尚捷，等. 隨鉆測井用渦輪發(fā)電機葉輪組水力性能分析［J］.石油機械，2015，43（6）：6-10.

［10］ 藥曉江，盧華濤，尚捷，等. 隨鉆測井儀流道轉(zhuǎn)換器優(yōu)化設計與數(shù)值分析［J］.石油鉆探技術，2021，49（5）：121-126.

［11］ 李杰，羅瑜林，劉西恩. 隨鉆用流道轉(zhuǎn)換接頭損傷規(guī)律研究及改進方法［J］.石油礦場機械，2018，47（3）：14-18.

［12］ Ivan Okhotnikov， Siamak Noroozi，Philip Sewell，et al. Evaluation of steady flow torques and pressure losses in a rotary flow control valve by means of computational fluid dynamics［J］. International Journal of Heat and Fluid Flow，2017，64：80-102.

［13］ 王智明，王紅亮，鄧曉清，等. 隨鉆儀器機電接口標準化推進產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化［J］.石油工業(yè)技術監(jiān)督，2017，33（12）：

19-22.

［14］ 單玉奇，殷曉丹. 石油探井用流道轉(zhuǎn)換器加工方法研究 ［J］. 現(xiàn)代制造技術與裝備， 2024， 60 （5）： 118-120. ［15］ 吳淑培. 自動反沖洗過濾器反沖洗過頻的分析與解決方案［J］.化學工程與裝備， 2019，（12）： 167-170.