楔形節(jié)流閥沖蝕數(shù)值模擬研究

劉少胡 (長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

廖明 (西部鉆探克拉瑪依鉆井公司新疆克拉瑪依鉆井公司設(shè)備管理中心，新疆 克拉瑪依 834009)

吳晗，劉旭輝，沈同賀 (長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

楔形節(jié)流閥沖蝕數(shù)值模擬研究

劉少胡 (長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

廖明 (西部鉆探克拉瑪依鉆井公司新疆克拉瑪依鉆井公司設(shè)備管理中心，新疆 克拉瑪依 834009)

吳晗，劉旭輝，沈同賀 (長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

針對楔形節(jié)流閥(2段斜面組成)的閥芯表面容易受到?jīng)_蝕的問題，基于液固兩相流與沖蝕理論，通過利用fluent軟件，采用控制變量法研究了不同楔形角度對閥芯沖蝕的影響，得出了不同楔形角度下沖蝕率的變化規(guī)律。根據(jù)變化規(guī)律，選出了最優(yōu)的楔形角度組合，對提高楔形節(jié)流閥的抗沖蝕能力具有借鑒意義。

楔形節(jié)流閥；沖蝕；閥芯；楔形角

節(jié)流閥是控制壓力鉆井的關(guān)鍵設(shè)備，在油田壓井工作中，通過改變節(jié)流閥的開度大小來調(diào)節(jié)節(jié)流閥兩端的壓差，從而使井口產(chǎn)生一定的壓力來平衡井底地層壓力[1]。目前國內(nèi)外學(xué)者對節(jié)流閥閥芯結(jié)構(gòu)的研究較多，其中以楔形節(jié)流閥的工作更加穩(wěn)定可靠。在高壓工況下，楔形節(jié)流閥閥芯在泥漿的沖蝕下容易降低控壓特性甚至引起失效，因此提高楔形節(jié)流閥的抗沖蝕能力顯得更加重要。

目前，有多位學(xué)者對楔形節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及失效機(jī)理進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[2]對楔形節(jié)流閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到最佳結(jié)構(gòu)(由2段斜面組成)的楔形節(jié)流閥，通過油田應(yīng)用證明2段斜面組成的楔形節(jié)流閥的使用壽命是錐形閥的5～7倍；文獻(xiàn)[3]證明了由2個斜坡面組成的閥芯結(jié)構(gòu)的可行性；文獻(xiàn)[4]對高壓井控節(jié)流閥內(nèi)的三維流場進(jìn)行了模擬，得出節(jié)流閥內(nèi)部流場分布規(guī)律以及閥芯失效位置。盡管楔形節(jié)流閥的相關(guān)研究較多，但針對楔形節(jié)流閥楔形角的優(yōu)化仍少見報(bào)道，因此開展楔形節(jié)流閥楔形角的優(yōu)化對于提高閥芯的壽命以及抗沖蝕能力具有重要意義。

圖1 楔形節(jié)流閥結(jié)構(gòu)示意圖

1 節(jié)流閥流道幾何模型

節(jié)流閥在實(shí)際工作中，其流體介質(zhì)為泥漿，閥腔內(nèi)流體的運(yùn)動規(guī)律復(fù)雜。筆者根據(jù)節(jié)流閥的實(shí)際尺寸，建立完整的節(jié)流閥閥腔內(nèi)的流體模型，出、入口直徑均為50mm，節(jié)流閥開度為1/3，如圖1所示。

2 節(jié)流閥三維紊流流場數(shù)值模擬

高壓下節(jié)流閥閥腔流體是復(fù)雜的液—固兩相三維紊流問題。連續(xù)相為液相，離散相為泥沙顆粒，在拉格朗日坐標(biāo)系下求解粒子相的運(yùn)動方程，離散相軌道模型可以完整的考慮顆粒與液體間的耦合作用。節(jié)流閥三維紊流流場模擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，得到相應(yīng)的控制方程[5～7]。

2.1 節(jié)流閥閥腔表面沖蝕模型

節(jié)流閥閥腔表面的沖蝕速率定義為單位時(shí)間內(nèi)由于沖蝕引起材料質(zhì)量的減少量，即:

(1)

圖2 離散顆粒運(yùn)移圖

式中,Nparticle為顆粒數(shù)目；mp為顆粒質(zhì)量流量,kg/s;f(α)為沖擊角α的函數(shù);v0為沖擊速度,m/s;n為沖擊速度指數(shù);C(dp)為顆粒直徑的函數(shù);Aface為沖蝕面積,m2。

如圖2所示，當(dāng)顆粒撞到一個固體表面時(shí)，顆粒的動能會釋放一部分，并且以低于沖擊速度大小的速度和不同于沖擊角的反射角進(jìn)行反彈。反彈系數(shù)可以確定顆粒的反射速度和反射角，其中反彈系數(shù)分為切向反射系數(shù)和法向反射系數(shù)，定義如下：

(2)

(3)

式中，VT2為切向反彈后速度，m/s;VT1為切向初始速度，m/s;VN2為法向反彈后速度，m/s;VN1為法向初始速度，m/s。

計(jì)算中取反彈系數(shù)如下[5]：

eT=0.988-0.029θ+0.000643θ2-(3.56e-6)θ3

(4)

eN=0.993-0.0307θ+0.000475θ2-(2.61e-6)θ3

(5)

2.2 網(wǎng)格生成及邊界條件

圖3 網(wǎng)格圖

采用四面體網(wǎng)格對流場模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對流體模型的外壁面以及進(jìn)出口壁面進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，如圖3所示。邊界條件如下：入口泥沙的顆粒直徑為0.2mm，質(zhì)量流量為0.01kg/s；進(jìn)口壓力為20MPa，出口壓力設(shè)為0；固定壁面采用無滑移[8]。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路

如圖4所示，楔形節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)尺寸為閥芯直徑D=50mm，閥芯行程S=50mm，2段斜面的楔形角分別為θ=0、5、10、15°，β=30、35、40、45、50°。

1)選用1/3開度進(jìn)行沖蝕模擬，因?yàn)檩^小的開度下，流體速度高，沖蝕效果比較明顯，便于對不同結(jié)構(gòu)閥芯的沖蝕情況進(jìn)行比較。

2)β角一定， 通過改變θ角度的大小，來研究θ角對流道沖蝕的影響， 并確定最優(yōu)的閥芯θ角。

3)保持較優(yōu)的θ角不變，通過改變β角的大小，來研究β對流道沖蝕的影響，并確定最優(yōu)的閥芯β角。

4)通過上述比較，確定最優(yōu)的θ角和β角組合。

2.4 數(shù)值仿真與結(jié)果分析

圖4 楔形節(jié)流閥閥芯結(jié)構(gòu)圖

利用fluent軟件，通過對特定工況下的楔形節(jié)流閥閥腔內(nèi)流場分析，得出了閥腔內(nèi)表面的沖蝕速率圖、粒子軌跡圖以及速度矢量圖,如圖5～圖7所示。由圖5～圖7可以看出，閥芯第2段楔面處的沖蝕率最大(3.63×10-2kg/(m2·s))，閥芯處粒子撞擊閥芯表面后改變了流動方向，且高速流體集中在閥芯表面。這是因?yàn)殚y芯處存在節(jié)流口，高壓情況下，泥漿中的顆粒狀物質(zhì)以較大速度沖擊閥芯表面，形成較大的切削力，因此長時(shí)間下，閥芯的楔形面易失效。

圖5 沖蝕速率圖 圖6 粒子軌跡圖

圖7 速度矢量圖

2.4.1 θ角對沖蝕率的影響

由圖8和圖9可以看出，當(dāng)β角一定，θ角為10～15°時(shí)，閥芯的沖蝕率較低，這是因?yàn)棣冉菫?0～15°時(shí)，閥芯楔面過度較平滑，流體與閥芯表面的碰撞損失的能量較少，因此閥芯表面材料受到的沖蝕磨損也較少。基于前文的優(yōu)化思路，當(dāng)θ為15°時(shí)，分析不同β角對閥芯沖蝕率的影響，從而確定較優(yōu)的β角。

圖8 最大沖蝕率圖 圖9 平均沖蝕率圖

圖10 θ為15°時(shí)不同β角的最大沖蝕率圖

2.4.2 β角對沖蝕率的影響

由圖10可以看出，當(dāng)θ一定，β角為40～50°時(shí)，閥芯的最大沖蝕率最低。綜上所述，計(jì)算得出較優(yōu)的楔形角范圍為：θ為10～15°，β為40～50°。

3 結(jié)論

1)通過模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，楔形節(jié)流閥閥芯部位的沖蝕最嚴(yán)重，特別是閥芯2段斜面的交界處，在高速流體的沖蝕下，容易導(dǎo)致閥芯刺漏失效。

2)計(jì)算得出由2段斜面組成的楔形節(jié)流閥較優(yōu)的楔形角范圍為：θ為10～15°，β為40～50°，閥芯表面的沖蝕率相對較低。由此得出，改變楔形角角度可提高節(jié)流閥的抗沖蝕能力。

[1]張祥來, 劉清友.井控節(jié)流閥沖蝕機(jī)理及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].天然氣工業(yè), 2008, 28(2):83～84.

[2] 練章華, 劉干, 易浩, 等.高壓節(jié)流閥流場分析及其結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].石油機(jī)械, 2004, 32(9):22～24.

[3] 王予東.楔形節(jié)流閥優(yōu)化結(jié)構(gòu)的可行性[J].油氣田地面工程, 2012, 31(12):43～44.

[4] 付玉坤, 劉炯, 王娟, 等.高壓井控楔形節(jié)流閥三維流場模擬及閥芯失效分析[J].石油礦場機(jī)械, 2010, 39(7):5～8.

[5] Shah S N, Jain S.Coiled tubing erosion during hydraulic fracturing slurry flow[J].Wear，2008，264：279～290.

[6] 劉少胡, 張益維, 管鋒, 等.含缺陷連續(xù)管沖蝕規(guī)律研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2016, 12(10):11～14.

[7] 劉清友, 包凱, 付玉坤, 等.高壓節(jié)流閥節(jié)流特征及流固耦合失效分析[J].流體機(jī)械, 2014, 42(6):50～54.

[8] 梁光川, 聶暢, 劉奇, 等.輸氣管道中節(jié)流閥沖蝕數(shù)值模擬[J].實(shí)驗(yàn)研究, 2013(9):39～40.

[編輯] 洪云飛

2016-07-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51604039);湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃青年人才項(xiàng)目(Q20161310);長江青年基金項(xiàng)目(2015cq6n44)。

劉少胡(1984-)，男,博士,副教授，現(xiàn)主要從事管柱力學(xué)、計(jì)算流體動力學(xué)及鉆完井工具方面的教學(xué)與研究工作；E-mail：liushaoh@126.com。

TE248

A

1673-1409(2016)31-0046-04

[引著格式]劉少胡，廖明,吳晗，等.楔形節(jié)流閥沖蝕數(shù)值模擬研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(31)：46～49.