油田井控放噴彎管流場分析

李延慶，顏廷杰，張雪艷，張麗穩(wěn)

（1.勝利石油管理局鉆井培訓中心，山東東營257064；2.北京化工大學機電工程學院，北京100029） ①

油田井控放噴彎管流場分析

李延慶1，顏廷杰1，張雪艷1，張麗穩(wěn)2

（1.勝利石油管理局鉆井培訓中心，山東東營257064；2.北京化工大學機電工程學院，北京100029） ①

根據(jù)計算流體力學（CFD）的原理和方法，以流場數(shù)值模擬為基礎，研究油田放噴管線用120°彎頭和90°緩沖靶模型中固液兩相流在低濃度（固相體積分數(shù)為2%）下的流場分布。結(jié)果表明：120°彎頭與緩沖靶最大磨損位置不同，緩沖靶的最大磨損率約為120°彎頭的1／2。

井控；彎管；沖蝕作用；CFD

放噴管線是井控管匯的重要組成部分。由于受井場面積、設備布局、工藝要求等限制，井控管匯需要通過彎管連接，以繞過其他設備或目標。放噴管線中流動的高壓、高速流體攜帶地層顆粒沖蝕、刺毀管線，導致井噴失控、爆炸、著火等事故［1］，沖刷磨損是管件的一種常見失效形式［2］。根據(jù)SY／T 6426—2005《鉆井井控技術(shù)規(guī)程》相關(guān)要求，目前國內(nèi)油田普遍采用120°的鑄鋼彎管。對于現(xiàn)場需要90°轉(zhuǎn)彎處，需采用多個120°彎管組合的形式完成。圖1是某油田井控管匯彎管沖蝕磨損的現(xiàn)場照片。為有效解決現(xiàn)場井控管匯彎管磨損及場地問題，國外油田采用緩沖靶技術(shù)［3］，把90°彎管加工成類似三通的形式，致使高速來流在轉(zhuǎn)彎處得到緩沖，從而降低管線沖蝕程度，同時也解決了直角轉(zhuǎn)彎的問題。此技術(shù)的應用將對我國石油井控安全生產(chǎn)及其他行業(yè)的安全生產(chǎn)和提高經(jīng)濟效益具有重要意義。

圖1 油田現(xiàn)場彎管磨損情況

本文通過數(shù)值模擬的方法研究目前油田常用的120°彎頭與緩沖靶結(jié)構(gòu)的流場分布情況，通過對比分析，研究在彎管內(nèi)徑、進口速度、砂粒攜帶率均相同的情況下，砂礫對不同彎管的沖蝕磨損規(guī)律。

1 控制方程及磨損模型

采用Fluent流體模擬仿真軟件，其流體湍流模型采用標準k－ε雙方程湍流模型，混合模型選用歐拉－拉格朗日多相流模型。通過模擬計算，可得到彎管壁面磨損情況，為評價和預測彎管內(nèi)磨損部位及磨損率提供理論依據(jù)。

1.1 控制方程

液體作為連續(xù)相存在于流場中，采用歐拉法模擬液相的流動；顆粒相則分散在整個流場內(nèi)，利用拉格朗日法對固相顆粒進行逐個跟蹤。由于進口速度較高，彎管內(nèi)的流體流動屬于充分發(fā)展的湍流流動，湍流模型采用最簡單的完整的標準k－ε雙方程湍流模型，假設各相具有相同的湍動能和耗散率，其相應的k－ε方程為［4］

式中，Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項；ε為耗散率；i，j的指標范圍是（1，2，3）；μ為黏度；ρ為密度；C為經(jīng)驗常數(shù)。

1.2 沖蝕磨損模型

為了更準確地預測彎管的沖蝕磨損部位及磨損率，本文在模擬過程中使用Fluent中的自定義函數(shù)，即UDF準確定義適用于金屬彎管的沖蝕磨損模型。目前國內(nèi)外學者應用試驗、數(shù)值計算等方法對固液兩相流對彎管的沖蝕磨損做了大量的研究，并形成了幾種不同的沖蝕預測模型。本文采取一種簡單而又通用的沖蝕磨損模型，表達式［5］為

式中，E為壁面磨損量；Mp為固體顆粒的質(zhì)量；K為與顆粒性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，通常取K＝1.8×10－9；采用Haugen所作的假設，取F（α）＝1；Vp為顆粒相對于壁面的速度，對于直徑相同的球形顆粒，選取Lee和Bozzini給出的指數(shù)常量，取n＝2.4。

2 數(shù)值模擬與分析

2.1 幾何結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格劃分

彎管內(nèi)徑為76mm，為保證彎管內(nèi)流動的充分發(fā)展，取模型進出、口長度各為350mm。120°彎頭、緩沖靶結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 120°彎頭及緩沖靶結(jié)構(gòu)

在三維模型的模擬計算中，六面體網(wǎng)格優(yōu)于四面體網(wǎng)格，因此本文選擇六面體網(wǎng)格，即cooper網(wǎng)格進行劃分。在壁面處要滿足無滑移條件，壁面附近用邊界層網(wǎng)格加密技術(shù)進行處理。得到120°彎頭240 900個網(wǎng)格單元，緩沖靶模型共計429 953個網(wǎng)格單元。

2.2 邊界條件

1） 入口邊界條件 入口選擇速度入口。根據(jù)現(xiàn)場工況及油田井噴高度，模擬仿真時取流速為40 m／s。因為速度很高，認為流體在管內(nèi)流動時處于充分的湍流狀態(tài)。

2） 出口邊界條件 出口選擇自由溢流口。出口流動按充分發(fā)展處理，各流動參數(shù)的法向梯度為零。

3） 壁面條件 認為壁面無滑移且不可滲漏，并利用標準壁面函數(shù)方程來計算剪應力、近壁處的湍動能和湍流擴散率。

采用勝利油田沙一段、沙二段、沙三段2 000m井深的數(shù)據(jù)作為仿真數(shù)據(jù)。

1） 連續(xù)相（水相） 進口初始速度40m／s，且假設流動已充分發(fā)展為湍流。

2） 顆粒相（砂礫） 密度為2 650kg／m3，假設顆粒均為球形顆粒，直徑取0.6mm，速度與流體初始速度相同，且在入口處均勻分布，忽略顆粒間的相互作用，砂礫初始體積含量為2%。

2.3 計算結(jié)果和對比分析

2.3.1 120°彎頭的沖蝕磨損

依據(jù)上述模型，通過計算得出120°彎頭內(nèi)的顆粒分布及磨損率云圖，如圖3所示。

圖3 120°彎頭模擬結(jié)果

由圖3a可知：水平管段砂礫分布甚少，且均勻，而彎頭轉(zhuǎn)彎的外側(cè)砂礫體積分數(shù)高達39.2%。這是因為砂礫比重較大，慣性力也大，流體作用在砂礫上的牽引力很難改變砂礫的運動方向。這樣砂礫還沒來得及轉(zhuǎn)彎就直接撞擊在管壁上，而彎頭內(nèi)側(cè)的砂礫分布極少，出現(xiàn)“無粒子區(qū)”。由圖3b可以看出：砂礫集中的地方也是彎管磨損最嚴重的地方，管壁處的磨損率約為5.88×10－7mm／s。彎管轉(zhuǎn)彎外側(cè)為磨損最嚴重的部位，這與油田現(xiàn)場的磨損情況一致。

2.3.2 緩沖靶沖蝕磨損

緩沖靶模擬結(jié)果如圖4所示。由圖4a可知：緩沖靶轉(zhuǎn)彎部位的外側(cè)壓力高于內(nèi)側(cè)，內(nèi)側(cè)壓力先增大后減小，有些部位壓力甚至為零；在外側(cè)，壓力沿流動方向先減小后增大。由圖4b可知：由于緩沖部位的存在，使得砂礫在緩沖部位的速度幾乎為零，而在水平管段上部達到速度最大值62.7m／s，在水平管段的中心線以下部位的速度值明顯低于上部；由圖4c可以看出：顆粒首先經(jīng)過垂直管段到達緩沖部位，再由緩沖部位緩慢運動至水平管段；垂直管段砂礫主要受重力作用影響，水平管段砂礫主要受來自液體的曳力作用。由于進口速度較高且固液兩相存在密度差，在緩沖部位固液兩相表現(xiàn)出截然不同的運動形式，固體粒子慣性較大，來不及進入水平管段時，直接沖入緩沖部位，砂礫在緩沖部位相互碰撞，消耗了大量能量，之后再進入水平管段，從而大幅降低了砂礫對管壁的磨損。

由圖4d可知：最大磨損率發(fā)生在水平管段的上部，也是磨損最嚴重的部位。由磨損模型可知，磨損率與速度的2.4次方成正比，水平管段的砂礫速度達到最大值，砂礫體積分數(shù)也相對垂直管段較大，磨損云圖與磨損模型保持一致。雖然緩沖部位的砂礫體積分數(shù)達到60%以上，但是該區(qū)域的砂礫速度幾乎為零，遠小于水平管段或垂直管段的速度，所以緩沖部位磨損率不大，這與磨損云圖不矛盾。

不論是普通彎頭還是緩沖靶模型，其模擬結(jié)果與《DNV Recommended practice RP－O501Erosive Wear in Piping Systems》中的彎管沖蝕率磨損云圖（如圖5）是一致的，這也進一步驗證了數(shù)值模擬的正確性。

圖5 《RP－O501》標準中各模型的磨損示意

2.3.3 對比分析

1） 幾何結(jié)構(gòu)。與彎頭相比，緩沖靶模型由于緩沖部件的存在，高速流體經(jīng)過彎管彎曲段時，無法直接沖擊到管壁，進入緩沖部位，從而避免來流直接沖擊管壁。

2） 固體顆粒體積分數(shù)分布及磨損率。彎管沖蝕磨損主要由固體顆粒直接沖擊管壁引起的。由圖3a、圖4c可知：對于緩沖靶模型，顆粒相多集中在緩沖部位，經(jīng)過緩沖部位后顆粒速度大幅降低，之后再進入水平直管段，大幅降低了砂礫對壁面的磨損率；對于普通彎頭，來流中顆粒相與液體速度相同，由于固體顆粒密度較大，顆粒相慣性力大于液體慣性力，因此顆粒直接撞擊彎頭外側(cè)，加速彎頭磨損。

4 結(jié)論

1） 不同彎管中砂礫集中位置不同。120°彎管砂礫體積分數(shù)含量最高的部位發(fā)生在彎管轉(zhuǎn)彎的外側(cè)，而緩沖靶結(jié)構(gòu)中砂礫多集中在緩沖部位。

2） 120°彎頭與緩沖靶模型的最大磨損位置不同。120°彎頭的最大磨損位置為彎頭轉(zhuǎn)彎的外側(cè)，與砂礫集中位置相同；而緩沖靶模型的最大磨損位置則發(fā)生在水平管段的上部，遠離緩沖靶的管壁。

3） 在相同的工況下，內(nèi)徑相同的120°彎頭和緩沖靶模型最大磨損率相差較大。根據(jù)模擬結(jié)果可知，緩沖靶模型壁面的最大磨損率為2.89×10－7mm／s，120°彎頭壁面的最大磨損率為5.88×10－7mm／s，由此可知，緩沖靶模型的最大磨損率僅為120°彎頭的1／2。

4） 緩沖靶模型體積小，磨損率低，在油田生產(chǎn)中有廣闊的應用前景。

［1］ 馬宗金.總結(jié)經(jīng)驗教訓提高天然氣井鉆井井控能力［J］.鉆采工藝，2004，27（4）：1－5.

［2］ 孟慶武，韓文靜，王憲明，等.油管材料在砂油水液條件下的沖蝕磨損性能［J］.石油礦場機械，2008，36（2）：52－54.

［3］ DNV RP－O501，Erosive Wear in Piping Systems［S］.

［4］ 王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京：清華大學出版社，2004：124－126.

［5］ Huser A，Kvernvold O.Prediction of sand erosion in process and pipe components［J］.Proc 1st North American Conference on Multiphase Technology.Banff，Canada，1998，31：217－227.

Flow Field Analysis and Optimization of Bent Blowout Pipeline in Oilfeild

LI Yan－qing1，YAN Ting－jie1，ZHANG Xue－yan1，ZHANG Li－wen2
（1.Drilling Training Centre，Shengli Petroleum Administration，Dongying257064，China；2.College of Mechanical and Electronic Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing100029，China）

In views of the erosion of blowout pipeline in oil field，according to the principles and methods of Computational Fluid Dynamics（CFD），based on the numerical simulation，studies were made for the erosion of 120°bending duct and the 90°buffer target model under low concentration condition of liquid－solid two－phase flow（solid concentration by volume 2%）.The results showed that the erosion positions were different between 120°bending duct and the buffer target model.The erosion of the buffer target model was half of the 120°bending duct.

well control；bend；washing action；CFD

1001－3482（2012）08－0059－04

TE921.5

A

2012－02－28

李延慶（1964－），男，山東安丘人，高級工程師，主要從事鉆井技術(shù)培訓及管理方面的工作，E－mail：13563358910＠163.com