翻板浮閥閥芯流道兩相流流場分析*

龔 彥，張 也，張 津，周 權

(1.西南石油大學機電工程學院，四川成都 610500;2.中石化石油工程機械有限公司第四機械廠，湖北荊州 434024;3.寶石機械成都裝備制造分公司，四川成都 610500)

0 引言

浮閥是一種重要的鉆具內防噴工具，它通過鉆桿螺紋連接在鉆柱中，用以控制鉆桿底部流體的流動，防止井底流體由鉆柱內流道返回進口。翻板浮閥是一種常用的浮閥，由閥體及閥芯兩部分組成，使用時閥芯總成裝在閥體內。閥芯總成由閥座、浮板、扭簧、銷軸、密封圈等組成。翻板浮閥主要有兩個工作狀態(tài)，鉆進時，在泵或壓縮機作用下的鉆井介質(鉆井液或氣體)使得翻板浮閥浮板開啟，鉆井介質正常循環(huán);鉆進停止時，浮板在扭簧及底部鉆井液的作用下自動關閉。因鉆井介質含有各種固相顆粒，在流過翻板浮閥閥芯流道時，因受到流道形狀的影響會發(fā)生固相顆粒沉積，從而會影響浮板的正常開啟與關閉。故對翻板浮閥閥芯內部流道的兩相流流場分析由為重要，其數(shù)值模擬結果有助于對閥芯流道的結構設計。

1 閥芯流道數(shù)值計算模型的建立

1.1 閥芯內部流道結構簡化

以Φ120 mm翻板浮閥為例，采用Fluent對其閥芯內部流道進行數(shù)值模擬，其結構如圖1所示［1］。

圖1 翻板浮閥結構圖

在一定外形尺寸條件下，對閥芯流道形狀影響最大的是流道錐角，錐角的改變對閥芯流道內流場的影響很大，根據(jù)現(xiàn)有情況，后面將分析該翻板浮閥四種不同錐度的閥芯流場，各錐度下對應的流道結構參數(shù)如表1所列。根據(jù)圖1所示翻板浮閥的結構特點，將其閥芯的內部流道建立為一個二維平面模型流場區(qū)域，將其導入ICEM中，采用BLOCK方法對其進行分塊，然后設定劃分單元的大小并進行二維結構化網(wǎng)格劃分，劃分結果如圖2所示。

表1 不同錐度的流道結構參數(shù)

圖2 流道結構化網(wǎng)格劃分

1.2 流場參數(shù)設定

計算時，采用基于壓力的穩(wěn)態(tài)分析，設定沿軸向的重力加速度為9.8 m/s2，設置多相流模型為歐拉模型，并設定相數(shù)為2相，以及湍流模型為κ－ε模型。選取流體材料為air和yanxie，其中yanxie為自定義材料［2－3］，其巖屑材料參數(shù)如下:比熱容為 1 100 J(kg·k)，密度為2 600，導熱系數(shù)為0.3 W/(m·k)，粘度為1.8 e－5 pa·s。

設定兩相流中的主相為air，次相為yanxie，且?guī)r屑的直徑為0.5 mm。邊界條件設置為:①流場入口邊界采用速度入口，設定湍動強度為5%和水力直徑為38.8 mm，根據(jù)現(xiàn)場使用參數(shù)，設定入口氣體軸向(X方向)速度為26 m/s，入口巖屑軸向速度為18 m/s，入口巖屑的體積分數(shù)為1%;②流場出口邊界采用自由流出;③流場壁面采用無滑移邊界條件。求解方式采用Phase Couple Simple算法和一階迎風格式，設定體積分數(shù)的松弛因子為0.5，壓力和動量的松弛因子分別為0.3和0.7，湍動能和湍動耗散率松弛因子為0.8，其余均為1。在上述設定完成后，參照入口參數(shù)對流場進行初始化。最后，設定迭代次數(shù)為1 000次，進行數(shù)值計算。

2 數(shù)值計算結果分析

2.1 氣流速度場分析

根據(jù)表1所列的結構參數(shù)，計算得到四種流道的內流場，對巖屑在流道中的分布及沉積影響最大的速度場，速度場的分布情況可以較為直觀地反映其對巖屑分布的影響，如速度場產(chǎn)生漩渦的地方會造成巖屑在此沉積。考察氣流速度場的分布情況，可以用來指導流道形狀的設計，以使得氣流能較好地將巖屑帶走，改變氣流對巖屑分布及沉積的影響。不同錐角的氣流速度場如圖3～6所示。

圖3 錐角1°的氣流速度場

圖4 錐角3°的氣流速度場

圖5 錐角5°的氣流速度場

圖6 錐角7°的氣流速度場

根據(jù)圖3～6所示的氣流速度場分布情況可知，錐角為1°、3°、5°和 7°的情況下，氣體最大速度分別為 29.3 m/s、32.6 m/s、38.5 m/s、48.3 m/s;可見隨著入口錐度的增大，氣體的最大速度也逐漸增大。同時，在氣體最大速度增大情況下，錐度對氣體域的速度分布也有顯著地影響，錐角逐漸增大，氣流出現(xiàn)最大速度的范圍逐漸增大。在入口錐度增大的同時，閥芯內部流場中閥板所在位置處的紊流情況加劇，流道中出現(xiàn)了較大范圍的漩渦，且漩渦的強度也是隨著錐角的增大而增大。此外，在錐度為3°和7°時，流道中氣流在出口處的速度相比進口速度大，流道形狀對氣流產(chǎn)生了一定的加速作用，而在錐度為5°時，氣流的進出口速度則大小相當，相對均衡。

2.2 巖屑速度場分析

巖屑速度場的分布直接反映了流道形狀對巖屑分布及沉積的影響。若巖屑的速度場中出現(xiàn)了漩渦，表明巖屑會在漩渦中心出現(xiàn)沉積，不同錐角條件下巖屑速度場分布情況如圖7～10所示。

根據(jù)圖7 ～9 分析知，錐角為 1°、3°、5°和 7°的情況下，巖屑的最大速度分別為 18.1 m/s、18.2 m/s、18.5 m/s、18.8 m/s;可見隨著入口錐度的增大，巖屑的最大速度也逐漸增大，但變化不大。當錐角為1°、3°時，流道中巖屑的速度場比較平穩(wěn);當錐角為5°、7°時，流道中巖屑的速度場出現(xiàn)了紊流和漩渦，更容易導致巖屑的沉積。

圖7 錐角為1°巖屑速度場

圖8 錐角為3°巖屑速度場

圖9 錐角為5°巖屑速度場

圖10 錐角為7°巖屑速度場

2.3 巖屑體積分數(shù)分布情況

錐角3°、5°、7°三種模型的巖屑體積分數(shù)云圖如圖11～14。

圖11 錐角為1°巖屑體積分數(shù)分布

圖12 錐角為3°巖屑體積分數(shù)分布

根據(jù)圖11 ～14 可知，錐角為 1°、3°、5°和 7°的情況下，巖屑的最大體積分數(shù)分別為 0.514、0.859、0.737、0.371，其中，1°時，巖屑體積分數(shù)的整體分布較為均勻，而其他三種情況，在流道最小直徑處出現(xiàn)體積分數(shù)增加的情況，即在此處發(fā)生了巖屑堆積或沉積的情況，巖屑沉積的情況隨著錐角的增加而嚴重，巖屑發(fā)成沉積的范圍也逐漸增大。

圖13 錐角為5°巖屑體積分數(shù)分布

圖14 錐角為7°巖屑體積分數(shù)分布

3 結論

(1)隨著入口錐度增大，氣體的最大速度也逐漸增大，氣體出現(xiàn)最大速度的范圍也逐漸增大;在入口錐度增大的同時，閥芯內部流場中閥板所在位置處的紊流情況加劇，并出現(xiàn)漩渦。

(2)隨著入口錐度的增大，不同錐角的閥芯內流場中，巖屑的最大速度逐漸增大;且隨著錐角的增大，閥芯內流場中巖屑的速度場越來越不平穩(wěn)，出現(xiàn)紊流現(xiàn)象，產(chǎn)生漩渦，更容易導致巖屑的沉積。

(3)隨著入口錐度的增大，巖屑體積分數(shù)的整體分布越來越不均勻，并在流道最小直徑處出現(xiàn)體積分數(shù)增加，發(fā)生巖屑堆積;且?guī)r屑沉積的情況隨著錐角的增加而嚴重，堆積的范圍也增大。

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