张伟毅
北京市燃气集团有限责任公司，100035
【摘要】钻井工具中比较常见的结构类型就是涡轮结构，很多时候研究者对该系统进行实验研究的时候，经常选择的介质为清水，但是在研究涡轮结构在井下的工作特征，这种方式却不能实现。为了解决这一问题，本文便通过建立三维模型的方式，对涡轮结构的输出扭矩和效率与钻井液流体的关系进行了分析。最终得出了结论：在影响涡轮结构输出扭矩和效率的因素中，钻井液的密度、动切力，与稠度指数和流变指数进行比较，更加显著的是密度和动切力。所以，钻井液的密度和动切力，才是致使涡轮性能发生变化的主要方面。
【关键词】钻井液；流体特性；井下涡轮性能；影响
涡轮结构的应用范围比较广泛，除了涡轮钻具，其他井下工具中也多有应用。涡轮结构的性能指标中最能对其造成影响的就是扭矩和效率。相关学者在研究涡轮结构的时候，受客观条件的限制，没有采用实际钻井液，而是使用清水代替，最后的实验结果当然和实际工作的存在差异，因而得出的结果，也不能客观代表井下环境下涡轮工作的情况。本次研究借助了非牛顿流体模型的方式，分析了钻井液流体特性对井下涡轮性能的影响。
1.数值模型
1.1控制方程
以下将运用k-epsilon双方程模型，作为湍流模型的主要方式，双方程模型中含有两个新变量。方程具体为：
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图1 单周期计算模型
2.仿真分析
2.1网格无关性
在进行仿真模拟分析的过程中，模型的计算速度、结果与网格数量具有非常紧密的联系，因此，在对模型计算前，应当进行网格无关性的分析。分析网格的无关性，首先要对计算模型大小进行详细的分析，然后计算出不同的网格模型。在计算的过程中，网格是在不断增加的，在这一状态下，确定计算模型符合网格无关性要求的标准是：计算结果的变化保持在5%以内。
2.2响应面法分析
响应面法从根本上来讲，即为多项式拟合，本次实验选择的响应面法为Box-Behnken，通过此设计方法，便可以计算出钻井液流体性质，以及涡轮结构输出特性两者之间内在的联系。
2.3响应面拟合结果
拟合形式为线性模型、二阶模型和三阶模型的测试结果，同时分析计算结果存在的误差，并将其进行比较。
拟合结果是否准确，具有一定的衡量标准，在本次实验的拟合期间，应用的衡量标准为标准偏差、R-Squared、调整R-Squared、预测R-Squared以及残差平方和。由表中多模型评价参数，能够知晓线性模型拟合的准确度，与二阶和三阶模型相比较，是更低的，所以不在本次实验的考虑范围内。表1数据能够清晰显示出：二阶和三阶模型，在标准偏差和预测残差平方两个类型指标下，三阶高于二阶，但是在其他三个类型指标下，两者存在的差异可以忽略不计。表2数据能够显示出，预测残差平方和，在其他指标处于接近状态下，二阶模型明显优于三阶模型，从各项数据的充分考虑下，本次实验的拟合参数选择二阶模型。
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将模型计算的结果和实际模拟结果相比较，其差异并不明显，基本是一致的，即便有差异，也在标准误差范围之间，所以可以确定，数学模型计算的结果是有效的，也就是说，多项式拟合结果和模拟结果两者之间是相符合的。
3.钻井液性质对涡轮输出特性的影响
从响应面法的基本理论中，能够得出钻井液流体参数与涡轮结构输出扭矩和效率的关系式，进而也能得出不同参数对涡轮特性所产生的影响。本次实验中，为了得到各因素之间的主次关系，运用极差分析法，计算和分析了不同因素对于涡轮输出特性的极差值，经结果显示，涡轮输出扭矩的影响因素中，最主要的是钻井液的密度，然后是动切力，影响比较小的因素为流变指数和稠度系数，这一结果和响应面关系式结论基本一致。
由极差分析法，能够分别得出在转速为1200rpm的状态下，各因素对扭矩的极差值，钻井液密度、流变指数、稠度系数、动切力对扭矩的极差值分别为0.8939N·m、0.0189N·m、0.0195N·m、0.1004N·m。据此结果，能够看出对涡轮效率影响最大的因素为钻井液密度，另外三项因素对涡轮效率的影响都不大。另外，从计算中也能够得出，在对水力效率的影响因素中，排在第一位的是切动力，第二位是钻井液密度，另外流变指数和稠度系数两项的影响相较而言就比较小。
同样由极差分析法进行计算，各因素对效率的极差值存在差异，钻井液密度、流变指数、稠度系数、动切力对效率的极差值分别为2.5705N·m、0.3007N·m、0.2628N·m、23.8104N·m。有这四项数据能够看出，对效率影响最大的因素为动切力，其余因素的影响都不大。
4.结语
经实验研究，涡轮输出特性的预测，能够通过响应面法的拟合结果来确定，关系式和模拟计算值存在一定的误差，且误差的结果与正态分布规律相符合。另外，在对钻井液流体参数对涡轮输出特性影响的分析中，同样得出了比较客观的结果：在影响涡轮结构输出扭矩和效率的因素中，钻井液的密度、动切力，与稠度指数和流变指数进行比较，更加显著的是密度和动切力。
【参考文献】
[1]常腾腾,邹俊,王瑜,王志乔,夏柏如. 基于涡轮-转阀驱动的小直径水力振荡减阻器设计研究[J]. 地质与勘探,2020,56(04):832-837.
[2]沙俊杰. 钻井液特性对涡轮钻具输出性能影响研究[D].中国地质大学(北京),2020.
[3]苟如意. 高速涡轮钻具推力轴承的混合润滑和表面损伤研究[D].西南石油大学,2018.
[4]沈跃,尹笛,贾甲,路林林,张令坦,盛利民. 负载力矩对旋转阀转速的影响分析及转速控制[J]. 科学技术与工程,2018,18(12):71-77.
[5]夏天鸿. 新型旋转振动工具工作机理及降粘特性研究[D].西南石油大学,2017.