出品 |《阀门》期刊作者 |赵国山，刘永旺，贾维江

摘要：为提升旋转阀脉冲器在井下恶劣工况下的可靠性与信号传输质量，本文采用计算流体动力学（CFD）数值模拟方法建立脉冲阀组有限元模型，系统分析了定转子轴向间隙、钻井液排量等关键参数对压力脉冲信号强度的影响。结果表明：信号强度随钻井液排量增大而增强，随定转子轴向间隙增大而减弱。针对阀组冲蚀问题，通过将转子叶片宽度设计在冲蚀停滞区内、在阀座加装硬质合金耐磨环以及优化流道形状，有效减缓了关键部件冲蚀，延长了阀组寿命。工程应用证实，优化后的脉冲器故障率显著降低，为旋转阀脉冲器结构优化与工程适配设计提供了理论依据与技术支撑。

关键词：旋转阀脉冲器；冲蚀分析；计算流体动力学；结构优化

基金项目：新型油气勘探开发国家科技重大专项(2025ZD1404603)；国家自然科学基金面上项目（52074324）；国家自然科学基金面上项目（51674284）；国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项（2021YFE0111400）；深层油气全国重点实验室自主研究课题（SKLDOG2024-ZYTS-10）；东营市科技发展指导计划项目（2025ZDJH38）

1 概述

在定向井技术中，随钻测量（Measurement While Drilling，简称MWD）是在钻井过程中进行井下信息实时测量和上传的技术，是实现井眼轨迹精确测控的关键技术。其中，脉冲发生器是信息传输的核心装备，承担着将井下测量数据以钻井液脉冲信号形式传输至地面的重要任务。

钻井液脉冲传输技术利用钻井液作为信息载体，通过调制其压力传递井下数据，是目前应用最广泛的随钻测量传输方式，主要包括正脉冲、负脉冲与连续波三种类型。其中，正脉冲发生器由于信号稳定、结构简单、便于操作维护等优势，在国内外得到广泛采用。其井下阀体总成包括运动部件与固定部件，电机驱动运动部件按设定规律动作。当阀体通流面积达到最小时，上游钻井液受压缩导致压力升高，钻井液经定转子轴向间隙溢流卸压。运动部件持续周期性运动，从而在井筒中生成一系列正脉冲压力信号。该类信号发生器属于节流型机制，结构示意如图1所示。近年来，旋转阀式钻井液正脉冲发生器使用规模逐渐增大，该型脉冲发生器适用于较宽范围的钻井液环境与钻井工况，不易出现堵卡等情况。

图 1 旋转阀阀体结构示意图

旋转阀脉冲器长期工作在井下恶劣环境中，随着“高排量、高钻压、高转速”的三高强化钻井参数施工模式的推广应用，该工况面临着诸多新挑战，高速冲刷、高压环境以及复杂的泥浆化学成分均会对脉冲器的阀组造成严重损伤，易出现冲蚀、腐蚀、负载超限等问题，导致其性能下降甚至失效，这不仅增加了钻井成本，还影响了油气勘探开发的进度。因此，开展阀组结构优化设计，并对易冲蚀部件进行耐冲蚀优化，对于提高旋转阀脉冲器井下工作的可靠性有重要意义。

2 脉冲器工作特性分析模型

压力波脉冲信号的主要性能指标是信号强度，产生有效的压力波信号是旋转阀结构优化设计的关键之一，信号强度的大小直接影响到整个脉冲器的响应效果和性能表现。

2.1 基于信号强度的脉冲阀组有限元模型

为了优化压力波脉冲信号的性能，首先通过仿真分析方法研究主要工况参数对压力信号的影响，通过调整阀型结构，优化信号的变化平滑度，确保压力波脉冲的输出更为平稳，减少转动过程中由于流通面积突变而引发的单周期双峰峰度现象，从而提升整个系统的稳定性和精度。

2.1.1 模型简化及前处理

对原几何模型（见图2）进行了简化处理，在确保几何形状简化的同时不影响阀体结构的主要功能。在模型中不考虑任何配合公差，填充模型内部所有配合间隙，简化了连接部分的复杂性；去除所有螺纹孔、壁面孔、密封槽及螺栓、定位销等，仅保留关键特征；移除转子上的圆角处理及转子内部的复杂结构；简化后的转子独立且完全填充。

图2 阀组结构简化示意图

2.1.2 网格划分及网格质量控制

采用滑移网格模型能够更真实地再现定子与转子间的相互干涉现象，该模型尤其适用于具有周期性特征的流动问题，能够有效捕捉定子与转子之间的相对运动与流场变化。为了对整个流场进行合理划分，仿真模型将定子区域（进口区域）、转子区域（旋转域）与下游出口区域分别进行网格划分，各区域之间通过网格交界面实现数据传递，确保不同区域间流体动力学的连续性与准确性。

在网格划分方面，采用多面体-六面体混合（Poly-Hexcore）网格，Poly-Hexcore划分的网格具备高质量、低数量的特点，通过这种方式，不仅能确保流体动力学计算的高效性，还能保证在不同区域的细节捕捉上有足够的精度。

定子区域及出口区域网格设置参数如下：交界面优化添加局部尺寸，网格大小为0.7 mm；面网格最小尺寸为0.4 mm，最大尺寸为2 mm；所有壁面添加3层边界层；利用Poly-hexcore生成体网格，最小单元长度为0.4 mm，最大为1.6 mm。

转子区域网格设置参数如下：交界面优化添加局部尺寸，网格大小为0.7 mm；面网格最小尺寸为0.4 mm，最大尺寸为1 mm；所有壁面添加3层边界层；利用Poly-hexcore生成体网格，最小单元长度为0.4 mm，最大为0.8 mm。

2.1.3 理论假设及计算设置

在阀组数值模型中，入口设为速度入口条件，依据实际流量设定速度值；出口设为压力出口。为提高计算收敛性，将钻井液视为不可压缩流体，密度与黏度设为定值，忽略流动冲击引起的结构变形及温变效应。湍流模型选用k–epsilon模型，离散格式采用二阶迎风差分。

2.2 脉冲信号强度计算分析模型

2.2.1 正脉冲信号的计算

钻井液具有一定的压缩性，在钻柱中流动时会形成压力信号波。旋转阀转子周期性运动导致局部过流面积发生变化，激发水击压力，并分别向上、下游传播。阀口前后压差可由下式表示：

式中 ΔP(t)——阀口出入口压差，MPa

ρ——钻井液密度，kg/m³

Q——流量，m³/s

C_Q——旋转阀处的流量系数

A(t)——流过旋转阀阀口的钻井液面积，m²

2.2.2 理想正脉冲信号波

转子正反转交替运动，引起钻井液压力相应变化。在旋转阀周期运动中，当通流面积逐步缩小时，压力信号逐渐增强；经过一段时间后，通流面积达到最小值，此时压力信号达到最大值。保持此最小通流面积一段时间后，再通过控制阀体组件使通流面积开始增大；当经过一段时间后通流面积恢复至最大值时，压力降低至最小值。伴随通流面积由最大到最小、再由最小恢复至最大这一完整过程，脉冲器将在流体中产生一个正脉冲压力信号。

3 脉冲器性能影响因素分析

3.1 阀体总成冲蚀特性分析

根据脉冲器旋转阀的工作原理，阀体部分只需考虑单叶片掠过单孔为一个周期即可分析全过程运动情况，即转子正方向旋转45°，反方向旋转45°为一个周期。转子速度为典型的分段函数类型：设定单个正脉冲周期为1 s，其中转子启闭时间各为0.2 s，系统在全开和全闭状态分别维持0.6 s。

钻井液经定子导流后进入转子区域，流动方向因转子运动发生剧烈变化，固体颗粒在流体曳力作用下冲击阀座内表面。当颗粒冲击速度与角度达到临界条件时，将加剧阀座冲蚀。

阀体总成冲蚀速度与压力分布如图3所示，泥浆流过定转子轴向间隙后，在转子流域速度显著升高，梯度增大。同时，主流在压力梯度驱动下，在转子背面形成强烈涡流，造成能量损失，对转子及阀座产生明显冲蚀，影响仪器整体使用寿命。

(a)

(b)

(a)速度云图 (b)压力云图

图3 阀组冲蚀速度和压力云图

实际维护情况表明，阀体总成是冲蚀最易导致失效的组件，尤以阀座内腔和转子为甚。图4中红色标记区域即为阀座实际冲蚀部位。

图4 阀座主要冲蚀部位分布图

3.2 信号强度主要因素研究

3.2.1 钻井液流量对信号强度的影响

为分析钻井液流量对信号强度的影响，本文绘制了二者的关系曲线，如图5所示。结果显示，信号强度随流量增大而提高，表现出明显的正相关性。

图5 流量与信号强度关系图

3.2.2 轴向间隙对信号强度的影响

当转子处于完全关闭状态时，为抑制钻井液内部压力过高，需充分考虑该状态下的溢流卸压作用。因此，设计时在定子与转子之间保留了一定的轴向间隙。通常情况下，轴向间隙值的范围设计为0~2.03 mm。

本文针对0.76 mm、1.14 mm、1.52 mm、2.03 mm四种不同的轴向间隙值进行了数值计算分析，结果如图6所示。转子叶片将定子孔口完全遮蔽，钻井液主要经由轴向间隙以溢流形式卸压，信号强度在此过程中变化显著。当轴向间隙值增大时，较大的间隙允许更多的流体溢流，降低了压力波的强度，信号强度逐渐减弱。

图6 定转子轴向间隙与信号强度关系图

综上所述，选择较小的轴向间隙可以有效提高转子关闭状态下的信号强度，从而确保数据的有效传输。然而，间隙过小可能会导致局部应力或流动不畅等问题，在实际应用中需综合考虑设备寿命、可靠性以及信号强度要求，平衡各项因素后确定最优的轴向间隙值。

4 优化设计分析

4.1 转子结构优化

转子在工作过程中主要承受钻井液冲蚀，从完全关闭状态可知，叶片迎液面冲击角接近90°，冲蚀显著，而在冲蚀停滞区内叶片受影响较小。因此，将转子叶片宽度控制在停滞区范围内，并在径向与侧向预留适当间隙，有助于缓解冲蚀并改善溢流条件。

定子流道偏斜设计如图7所示，该设计不仅使关闭状态下的叶片处于冲蚀低区，还增大了溢流能力，从而延长转子寿命。材料方面，选用高强、高韧与耐磨的钨钴硬质合金，采用粉末冶金工艺成型。叶片背面设计为流线型，有助于降低高速钻井液引起的冲刷风险。在传动结构上，主轴与电机通过磁力联轴器实现非接触传动，既能有效传递动力，又可隔离井下振动与冲击，保护转子稳定运转。

图7 定子流道偏斜设计

4.2 阀座优化

阀座作为承受高压与冲蚀的关键部件，在通流面积最小时承受最大水击压力。选用马氏体沉淀硬化不锈钢作为基材，内腔表面施加耐磨涂层，并加装硬质合金耐磨环，使其覆盖整个转子对应区域，同时扩大下游腔室容积。该结构使钻井液在流过轴向间隙后直接作用于耐磨环，减轻对阀座本体的冲蚀，延长其服役周期。耐磨环作为易损件，损坏后仅需更换环件而不必更换整个阀座，有利于控制维护成本。此外，阀座与钻铤装配采用双沟槽单边密封结构，以提升密封效果，防止钻井液侵入外表面引起附加冲蚀。

在保证添加耐磨套后，套筒内壁直径始终一致，严格控制公差范围，即使得定子安装位置外径、套筒内壁直径以及套筒上方泥浆出口内径相同，避免微小泥沙颗粒由于短时间内无法随高速流束排出而随着湍流高速冲击套筒材料引发多处冲蚀点位，若条件允许，可将耐磨套内壁适当加工凸起，凸起形状符合流线发展。

4.3 不同排量阀组适配性优化

MWD在设定井深、设定排量、设定泥浆密度下产生的压强信号，高排量条件下阀组冲蚀情况加剧，为了提升阀组工况参数适配性，本文设计有低排阀组、标排阀组和高排阀组，其核心区别在于定子开孔直径与转子外径的尺寸组合，通过协同调节这两个关键尺寸，改变流道面积，从而匹配不同的排量需求。如图8所示，以5.25′′阀组在311.2 mm井眼应用为例进行分析，增大定子开孔直径与转子外径尺寸，可将阀组适用最高排量60 L/s提升至80 L/s，极大增强了阀组的工程适用性。

(a)

(b)

(a) 标排阀组分析 (b) 高排阀组分析

图8 高排阀组与标排阀组排量适用性分析图

为验证阀组优化后的可靠性，选取优化前和优化后各两个脉冲器，统计共20口井的应用数据，对比其使用累计时间及阀组冲蚀情况。优化前的2个脉冲器在高排条件下，平均累计使用时间都在400小时左右，并且阀组壳体、定子与转子均有明显冲蚀，需要更换。优化后的2个脉冲器在高排条件下，平均累计使用时间都在600小时左右，并且阀组壳体、定子与转子情况良好。优化后的脉冲器可靠使用时间提升50%左右，现场应用验证了优化后脉冲器的工程可靠性。

5 结语

本文围绕保障随钻测量信号质量这一核心目标，通过建立旋转阀脉冲器的CFD分析模型，深入研究了阀组间隙、钻井液排量等关键操作参数对脉冲信号强度的影响机理。研究明确了信号强度随排量增大而增强、随轴向间隙增大而减弱的规律，为现场参数优选提供了指导。在结构优化方面，针对阀组冲蚀问题，提出了基于冲蚀停滞区理论的转子叶片优化设计、阀座耐磨环加装以及流线型流道改进等方案，有效提升了脉冲器的耐冲蚀性能和井下工作寿命。工程应用结果表明，优化后的脉冲器在不同工况下均表现出更高的可靠性和稳定性，显著降低了维护成本与作业风险。该研究为高性能旋转阀脉冲器的设计与工程应用提供了重要的理论依据和实践参考。

*本文节选自《阀门 · 学术版》2026年第2期，文章内容不代表《阀门》立场，如有不同观点，可以留言讨论，友好交流，共同进步。