王興義，魏凱，馬龍，方瓊瑤，嚴(yán)梁柱，宋波凱，馬金山

(1.長江大學(xué)油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430100；2.中國石油東部井控應(yīng)急救援響應(yīng)中心，天津 300280；3.中國石化勝利油田分公司孤島采油廠，山東東營 257231)

0 前言

控壓鉆井技術(shù)能夠有效控制井筒液柱壓力剖面，達(dá)到安全、高效鉆井，降低成本，縮短非生產(chǎn)時(shí)間的效果，顯著改善石油開采水平。節(jié)流閥是控壓鉆井系統(tǒng)最為關(guān)鍵的裝備之一，在井噴事故發(fā)生后，需要利用節(jié)流閥長時(shí)間對(duì)井內(nèi)流體進(jìn)行節(jié)流和壓力控制，要求節(jié)流閥有較強(qiáng)的線性控壓與抗沖蝕能力。但在閥門的節(jié)流作用下，閥門下游極易產(chǎn)生漩渦、回流、二次流等不穩(wěn)定渦流結(jié)構(gòu)，這些復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)的產(chǎn)生和發(fā)展是導(dǎo)致閥門運(yùn)行失效的主要內(nèi)在因素之一。

目前，控壓鉆井技術(shù)選用節(jié)流閥大部分是流動(dòng)介質(zhì)為固液混合物的閥門，但國內(nèi)外研究者主要從流體流動(dòng)特性角度對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行深入研究。范紅康等通過對(duì)常用節(jié)流閥的管內(nèi)流體及顆粒物穩(wěn)態(tài)流動(dòng)性能進(jìn)行二維數(shù)值模擬，系統(tǒng)分析了節(jié)流閥閥芯的相對(duì)位置和閥芯的厚薄程度等因素對(duì)于對(duì)流體的流速、壓力的影響；楊友勝等利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)單噴嘴止回閥內(nèi)部的流體特征展開深入研究，并通過對(duì)不同湍流模式下的穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較分析，提出湍流模式可以較為準(zhǔn)確地描述閥內(nèi)的流體狀況；孔祥偉等重點(diǎn)分析閥門開度和進(jìn)口速度對(duì)閥門內(nèi)部以及閥后流動(dòng)形態(tài)、空化性能等流動(dòng)特征的影響。

考慮到當(dāng)前平板節(jié)流閥難以線性控壓與沖蝕嚴(yán)重等問題，本文作者提出了“盾牌形”節(jié)流閥閥孔形狀，并采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)所優(yōu)化的新型直通式平板節(jié)流閥進(jìn)行了仿真分析，研究節(jié)流閥流場(chǎng)特征及沖蝕特性，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)“盾牌形”閥板形狀進(jìn)行了優(yōu)化。所形成的節(jié)流閥開度壓降特性曲線線性程度較高，沖蝕影響較小，提高了該閥在控壓鉆井中的應(yīng)用效果。

1 平板節(jié)流閥控制模型的建立

1.1 平板節(jié)流閥物理模型的建立

通過調(diào)研國內(nèi)外文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，超過90%的平板節(jié)流閥閥板、閥座表面易遭受侵蝕，原因是節(jié)流閥高壓驅(qū)動(dòng)的流體是固液混合物，以較高壓力從井底噴出，當(dāng)流體通過節(jié)流閥時(shí)，隨著流動(dòng)面積急劇收縮使流動(dòng)速度進(jìn)一步增大、沖蝕加劇。本文作者對(duì)油田目前在用節(jié)流閥進(jìn)行了數(shù)值模擬，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 直通式平板節(jié)流閥示意圖及現(xiàn)場(chǎng)閥座沖蝕圖[5]

根據(jù)理論分析可知，閥板處會(huì)形成高速流體并對(duì)閥板、閥座產(chǎn)生沖蝕破壞，同時(shí)閥座后端的漩渦也影響了閥門的調(diào)控特性。為了降低高速?zèng)_蝕破壞，同時(shí)又提高平板節(jié)流閥的壓降控制精度，本文作者分析得出壓降梯度的變化與過流面積相關(guān)，且超過40%開度下節(jié)流閥兩端流體壓降較小可忽略不計(jì)。油田在用的圓形閥孔開度在20%～40%時(shí)面積變化梯度較大導(dǎo)致流體壓降變化不能被精確控制，對(duì)閥板做了結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，閥孔設(shè)計(jì)為盾牌形。本文作者以通徑為103 mm的直通式平板節(jié)流閥為研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)值模擬研究，閥板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 盾牌形閥板示意

由于節(jié)流過程涉及固液兩相(不考慮氣相影響)在節(jié)流閥中的流動(dòng)，因此揭示兩相的流動(dòng)過程是分析控壓鉆井節(jié)流閥節(jié)流效率的基礎(chǔ)。為了提高控制模型的適應(yīng)性，將固相顆粒均勻地分散在流體中，并將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

假設(shè)條件：(1)節(jié)流閥內(nèi)部流體為均勻兩相流；(2)模型流動(dòng)采用穩(wěn)態(tài)模型；(3)忽略流體壓縮性。

1.2 流體流動(dòng)控制方程

實(shí)際流體具有黏性，但在它流動(dòng)時(shí)，因?yàn)榱黧w與邊界的碰撞、流體與流體之間的碰撞而形成摩擦力；同時(shí)，因?yàn)槟承┚植垦b置受到了流體流動(dòng)的影響而形成附加摩擦力，使流體所具有的能量從局部裝置處突然下降。這些因克服阻力所損失的動(dòng)能變成了熱量而逐漸流失。所以，當(dāng)實(shí)際流體沿流束流動(dòng)時(shí)，沿流體方向總比性能是越來越小的。據(jù)此，在直通式平板節(jié)流閥內(nèi)部流動(dòng)時(shí)采用Navier-Stokes模式描述上述流體的流變性能更加符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際：

(1)

式中：為流體密度，kg/m；為動(dòng)力黏度，Pa·s；為重力加速度，m/s；為流體壓力，Pa；為流體速度，m/s。

1.3 顆粒沖蝕模型

在節(jié)流閥的實(shí)際工作下，由于介質(zhì)流體中不但有液體，而且還存在部分固相顆粒，為分析控壓式鉆井節(jié)流閥中的沖蝕磨損從而得出沖蝕較為嚴(yán)重部位，對(duì)節(jié)流閥進(jìn)行固液兩相流沖蝕的模擬分析。MCLAURY提出一種預(yù)測(cè)水中砂沖蝕率的模型，該模型主要用于模擬泥漿侵蝕過程中的侵蝕速率，與本文作者所研究內(nèi)容吻合。MCLAURY沖蝕率表示為

(2)

式中：為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，無量綱；為顆粒沖擊速度，m/s；為壁面材料的布氏硬度；為指數(shù)，無量綱(鋼：=-0.59)。

沖擊函數(shù)()定義為

()=+≤

(3)

()=cossin()+sin()+>

(4)

式中：顆粒碰撞速度假定為10 m/s。

2 數(shù)值求解

2.1 劃分網(wǎng)格

通過CFD軟件對(duì)平板節(jié)流閥壓降與沖蝕過程進(jìn)行數(shù)值模擬。圖3為簡(jiǎn)化平板節(jié)流閥模型后的網(wǎng)格劃分示意。采用ICEM CFD結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，考慮到過流斷面處流體參數(shù)變化劇烈，對(duì)該處的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，以捕捉細(xì)致的幾何特征，提高模型收斂性與精度。

圖3 節(jié)流閥網(wǎng)格劃分示意

節(jié)流閥由于斷面突然收縮參數(shù)發(fā)生急劇變化，橫向壓力梯度大，會(huì)出現(xiàn)漩渦、反彈等情況。為了直觀地反映沖蝕情況，假設(shè)節(jié)流閥內(nèi)部流體滿足連續(xù)性介質(zhì)模型，流體介質(zhì)采用砂水混合物模擬現(xiàn)場(chǎng)泥漿。

2.2 定解條件

根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型并結(jié)合簡(jiǎn)化方案，可以確定相應(yīng)的定解條件如下：

(1)初始條件

模型內(nèi)部位置充滿砂水混合物，顆粒質(zhì)量流量為氣體質(zhì)量流量的0.5%，此條件下固體顆粒體積濃度小于10%，符合CFD中離散相模型的要求，節(jié)流閥所處空間的大氣壓力為，所處空間的初始溫度為。

(2)邊界條件

模型左側(cè)為入口，設(shè)置為速度邊界：

(5)

式中：為入口截面平均流速，m/s；為砂水混合物流量，m/s；為入口截面面積，m。

模型右側(cè)為出口，設(shè)置為自由出口壓力邊界。

3 結(jié)果與分析

通過模擬分析，優(yōu)化了閥板關(guān)鍵參數(shù)，如表1所示，并對(duì)優(yōu)化后的閥的壓力場(chǎng)、沖蝕特性等進(jìn)行了分析。

表1 通徑103 mm直通式平板節(jié)流閥各項(xiàng)參數(shù) 單位:mm

31 壓降特征

參考現(xiàn)場(chǎng)研究，選擇入口處的砂水混合物速度為42(節(jié)流閥的直徑為103時(shí)，體積流量為35)這一工況時(shí)，分別計(jì)算開度為20、22、24、26、28、30、32、34、36、38、40下節(jié)流閥兩端壓差大小。盾牌形、圓形及現(xiàn)場(chǎng)壓降如圖4所示。

圖4 節(jié)流閥壓降隨開度變化示意

由圖4可知：采用數(shù)值仿真模擬所得的圓形壓降隨開度變化曲線與油田現(xiàn)場(chǎng)所得實(shí)際壓降曲線變化趨勢(shì)相同，且相同開度下壓降值接近，則說明數(shù)值仿真技術(shù)用于文中研究效果較好。當(dāng)節(jié)流閥閥孔形狀為盾牌形時(shí)，其內(nèi)部壓降如圖4所示。20開度下節(jié)流閥兩端壓降為1242，隨著開度的增大節(jié)流閥線性程度可達(dá)8814，滿足現(xiàn)場(chǎng)控壓鉆井精確控壓的要求。

32 顆粒流動(dòng)及沖蝕特征

為了研究閥孔形狀對(duì)節(jié)流閥沖蝕磨損的影響，分別對(duì)盾牌形閥孔的平板節(jié)流閥的磨損進(jìn)行了分析。其沖蝕特征如圖5所示。

圖5 盾牌形節(jié)流閥沖蝕特征

在顆粒的沖擊下節(jié)流閥閥板的前后表面和閥體內(nèi)部腔表面存在較大的磨損。閥體內(nèi)腔磨損分布都較為混亂，但是磨損最嚴(yán)重的區(qū)域都在壁面交界區(qū)域。

圖6所示為不同開度下顆粒分布和速度分布。

圖6 不同開度下的顆粒分布和速度分布

(1)在直通式平板節(jié)流閥進(jìn)口處及左邊流道內(nèi)速度方向幾乎平行，速度大小不變，可知泥漿在該段是平穩(wěn)的。當(dāng)流體經(jīng)過閥口時(shí)，截流面積發(fā)生變化導(dǎo)致流線開始收縮，速度大小與方向都發(fā)生明顯變化，在閥芯與管道相連接的部位出現(xiàn)了一個(gè)局部的高流速區(qū)。隨著閘閥開度的逐漸減小，顆粒速度逐漸增大。由圖6可知：開度從40變小時(shí)，顆粒最大速度顯著增大。其原因是流道的突然改變促使閘板底部的高速射流增大，進(jìn)而帶動(dòng)了顆粒最大速度的增長。

(2)閘板前后壁面頂部顆粒量比較少，速度也非常小。其原因主要有兩個(gè)方面：①在重力的作用下，液體攜帶能力不足以帶動(dòng)全部顆粒充滿整個(gè)流道；②閥板的阻擋作用使這些位置存在大小不同的渦流，降低了液體在這些位置的速度，進(jìn)而導(dǎo)致顆粒速度的進(jìn)一步降低。

(3)在閘板的阻擋作用下，顆粒與閥板前壁面的碰撞反彈數(shù)量隨著閥門開度的減小而增加，但是大部分顆粒都能順利通過閥門結(jié)構(gòu)，進(jìn)入下游管道。

(4)無論節(jié)流閥處于哪種開度，槽道內(nèi)都存在一個(gè)渦流，帶動(dòng)顆粒在槽道內(nèi)運(yùn)動(dòng)。雖然隨著開度的減小，凹槽內(nèi)的顆粒數(shù)量逐漸增大，但是顆粒在凹槽內(nèi)的總運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)還是受到渦流的控制。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)控壓鉆井節(jié)流閥壓降梯度大、沖蝕較強(qiáng)等問題，采用數(shù)值仿真模擬方法研究油田常用的直通式平板節(jié)流閥，并與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，所得壓降曲線與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相符；

(2)建立了較高精度的直通式平板節(jié)流閥流體模型，以常用103閥體為例，對(duì)閥板做了結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，閥孔設(shè)計(jì)為盾牌形，其閥孔分為3段：第一段為515的半圓，第二段為103×365的長方形，第三段為長軸103、短軸30的半橢圓。通過數(shù)值模擬方法獲得了節(jié)流閥壓降曲線、沖蝕位置以及固相顆粒流動(dòng)情況。且開度在20～40情況下，盾牌形閥板所產(chǎn)生的壓降曲線線性度達(dá)到8814、沖蝕速率較小、固相顆粒對(duì)壁面的碰撞較弱；

(3)由于數(shù)值模擬所選用的固體顆粒為砂礫，這與實(shí)際鉆井過程存在差異，并且在實(shí)際鉆井過程中固體顆粒比例存在隨機(jī)性，所以數(shù)值模擬所獲壓降曲線、蝕痕位置、大小等數(shù)據(jù)與實(shí)際控壓鉆井可能存在一定差異，在后續(xù)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中作者將改變顆粒大小及顆粒所占比例，以更符合現(xiàn)場(chǎng)的情況。