基于FLUENT的流量控制工具閥的仿真研究

劉欣， 劉元杰， 郭曉亮， 張凱

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院振動工程研究所，遼寧大連 116024）

0 引言

經(jīng)過多年的開采，石油資源越來越緊缺，世界原油總產(chǎn)量出現(xiàn)供不應(yīng)求，而且新油井的性能也會隨時間慢慢變差，出現(xiàn)油層出水等現(xiàn)象。當(dāng)油層出水時，采出液中含水，而且其含水量會隨時間越來越高，這會增加提取難度，降低生產(chǎn)效率，增加開采成本，導(dǎo)致原油產(chǎn)量降低[1-2]。

20多年前，國外成功地研發(fā)出了井下流量控制裝置ICD（Inflow Control Device）和井下流量控制閥ICV（Inflow Control Valve）,提高了原油產(chǎn)量，使開采系統(tǒng)智能化。ICD和ICV均能在一定程度上降低油層出水的程度，提高開采效率。但因ICD裝置不可調(diào)控，其靈敏性較差，而且無法適應(yīng)井下環(huán)境的變化，只能適用于單一環(huán)境下的油井；而ICV裝置可調(diào)控，井下裝置通過傳感器系統(tǒng)反饋的信息自動調(diào)整，其靈活性和適應(yīng)性較強(qiáng)，但其生產(chǎn)成本較高，無法滿足高強(qiáng)度作業(yè)，可靠性較差，使用壽命較短。國內(nèi)外在智能井方向越來越成熟，但是還存在一些不足。本文針對以上問題，并依據(jù)現(xiàn)有研究成果，現(xiàn)研發(fā)出一種流量控制工具閥（以下簡稱工具閥），減輕油層出水的問題，達(dá)到控水增油的效果[3-9]。

1 工具閥的初始研究

1.1 工具閥的初始模型

根據(jù)工具閥的工作原理分析,工具閥中碟片是唯一的活動部件，通過改變開度（開度定義為碟片上表面與工具閥內(nèi)唇的距離，平衡開度定義為工具閥在平衡位置時，碟片上表面與工具閥內(nèi)唇的距離）來達(dá)到控水增油的效果，且需保證工具閥的入口面積與工具閥達(dá)到最大開度時的過流面積相等，設(shè)計出合理的內(nèi)流通道，保證工具閥出口面積總和大于入口面積。所設(shè)計的工具閥結(jié)構(gòu)如圖1所示（設(shè)計之初，在底座中增加排砂孔，以便保證工具閥的長期工作性能），工具閥的結(jié)構(gòu)形式簡單，主要由碟片、底座、閥體和內(nèi)套4個部分構(gòu)成。

1.2 工具閥的工作原理-流線圖說明

圖1 工具閥的三維結(jié)構(gòu)圖

圖2所示為工具閥的原理圖，碟片可以根據(jù)流入流體的性質(zhì)和流動狀態(tài)自動改變開度大小，無需外界提供任何動力，碟片動作屬于純機(jī)械式的。工具閥工作原理主要是依據(jù)伯努利方程。理想狀態(tài)下液體的伯努利方程表示為

圖2 工具閥的工作原理圖

工具閥中的流體受到質(zhì)量力和表面力（又分為正壓力和切向力），將作用在單位面積流體上的正壓力稱為靜壓，將流體運動時的能量稱為動壓。能量守恒定律表明，實際流體在流動時需克服由于黏性所產(chǎn)生的摩擦阻力，存在能量損耗，但在流體流線方向，流體的靜壓ps（p1、p2），動壓）和損耗壓力Δp損三者總和不變，工具閥是以這種規(guī)律為基礎(chǔ)的。

工具閥的內(nèi)部流線圖如圖3所示，流體在通過閥門到流出腔體前具有一定的動壓，且靜壓較??；流體在碟片最遠(yuǎn)端時，會有一個轉(zhuǎn)向的過程，此時動壓變靜壓產(chǎn)生pst，滯止壓力pst沿碟片邊緣傳遞到下方，碟片兩表面產(chǎn)生一定的壓力差，帶動碟片的上下移動。低黏度流體時，流速較快即動壓較大，在碟片邊緣產(chǎn)生的滯止壓力pst較大，碟片兩邊面的壓力差較大，碟片向入口方向移動，碟片開度變小，流體的流動截面變小，流體流量較小。

圖3 工具閥的內(nèi)部流線圖

圖3中，流體在通過碟片上邊面時，高黏度流體相對低黏度流體的流速較小，形成的滯止壓力pst較小，在碟片下方的壓力場較小。當(dāng)水通過工具閥時，流速較快，較大的滯止壓力形成較大的壓力場，使碟片向入口方向移動，碟片趨于關(guān)閉的狀態(tài)，此時流體流量較小，工具閥表現(xiàn)的是節(jié)流作用；當(dāng)高黏度流體流進(jìn)閥體時，由于較小的壓力場，碟片會趨于全開狀態(tài)，此時流體流量較大[10-12]。

1.3 工具閥的工作原理-壓力云圖說明

圖4、圖5分別表示工具閥在碟片開度H=2.00 mm時，低黏度流體（水）和高黏度流體（高黏度油）流場的壓力云圖。低黏度流體時，碟片下方流場的壓力較大，推動碟片向入口方向移動。如圖6所示為碟片平衡位置時低黏度流場的壓力云圖，低黏度流體時，碟片開度較小，工具閥的流量較小，表現(xiàn)為工具閥的控水效果；而高黏度流體時，碟片下方流場的壓力較小，導(dǎo)致碟片底部的壓力不足，如圖7所示為碟片平衡位置時高黏度流場的壓力云圖，高黏度流體時，碟片開度較大，工具閥的流量較大。

圖4 碟片開度H=2.00 mm時，低黏度流體流場的壓力云圖

圖5 碟片開度H=2.00 mm時，高黏度流體流場的壓力云圖

圖6 碟片平衡位置時，低黏度流體流場的壓力云圖

圖7 碟片平衡位置時，高黏度流體流場的壓力云圖

工具閥的內(nèi)部流線圖和流場的壓力云圖均表明所設(shè)計的工具閥高黏度流體流量較大，低黏度流體流量較小，即實現(xiàn)了工具閥控水增油的目的。

1.4 工具閥仿真方法

仿真計算時，采用動態(tài)網(wǎng)格技術(shù)雖然能很好地說明工具閥內(nèi)部流體的動作形態(tài),但是動網(wǎng)格仿真操作復(fù)雜，工作量較大，且周期時間較長，不適于短時間內(nèi)的理論研究。現(xiàn)通過選取碟片不同的開度，人為分析碟片的受力情況，通過不同碟片的受力大小，確定碟片的運動趨勢，然后通過多個碟片開度的受力情況，畫出EXCEL圖表，得到碟片的平衡開度以及工具閥的流量大小和相關(guān)云圖，然后用這種方法來驗證工具閥的控水增油的效果以及增強(qiáng)了工具閥控水效果的可靠性[13－17]。

1.5 引壓孔的引用

該工具閥設(shè)計的初衷是達(dá)到控水增油的目的，研究發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的工具閥雖然能起到很好的控水效果，但通過壓力云圖發(fā)現(xiàn)低黏度時碟片下方流場的壓力依然較小，如果能將壓力更多地引導(dǎo)到碟片下方流場，碟片依然會有向入口方向移動的趨勢，控水效果會進(jìn)一步增強(qiáng)。為了達(dá)到這種效果，在碟片上設(shè)計出引壓孔。引壓孔有兩種形式：橫向引壓孔和縱向引壓孔（如圖8～圖9）。

圖8 橫向引壓孔的控制閥的三維圖

圖9 縱向引壓孔的工具閥的三維圖

2 工具閥控水效果的增強(qiáng)

為驗證橫向和縱向引壓孔的工具閥這兩種方案的控水效果，選取8 mm直徑入口的工具閥來建立模型。在低黏度流體（水）的情況下碟片的平衡開度與工具閥平衡流量的結(jié)果如表1所示。

表1 兩種方案的數(shù)據(jù)情況

表1中，豎向引壓孔的工具閥的平衡流量更小即低黏度流體時，帶有豎向引壓孔的工具閥的控水效果更好。為了更好地說明兩種引壓孔的導(dǎo)壓效果，取開度H=0.15 mm時的低黏度流體（水）的工具閥，仿真得到的壓力云圖如圖10和圖11所示。

表1表明豎向引壓孔的工具閥的控水效果更好，分析原因：如圖10和圖11工具閥流場的壓力云圖表示：橫向引壓孔的碟片下方的壓力小于豎向引壓孔的碟片下方的壓力。這表明豎向引壓孔能更好地將壓力傳導(dǎo)下去，豎向引壓孔的碟片向腔室入口方向移動的趨勢更大，碟片的平衡開度較小，具有較好的控水效果。相比于橫向引壓孔，帶有豎向引壓孔的碟片的工具閥還具有明顯的排砂效果。

圖10 橫向引壓孔的工具閥流場的壓力云圖

圖11 豎向引壓孔的工具閥流場的壓力云圖

3 工具閥結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能分析

根據(jù)仿真結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)同一入口直徑的工具閥，在不同碟片直徑下，工具閥對流體黏度適應(yīng)范圍有差別。為了驗證碟片面積與入口面積的比值對工具閥黏度適應(yīng)范圍的影響，選取了4 mm直徑入口的工具閥來建立模型，碟片面積與入口面積的比值分別取5.0、7.5、10.0三種來探求其影響規(guī)律。不同黏度流體時，工具閥在平衡位置的流量如圖12所示。

圖12 在不同比值下，工具閥的流量與黏度的關(guān)系

由圖12得出以下結(jié)論：1）碟片面積與入口面積的比值越大，工具閥黏度適應(yīng)范圍越大；2）碟片面積與入口面積的比值越小，工具閥對黏度的敏感性越強(qiáng)，而且在較低黏度時表現(xiàn)最為突出；3）碟片面積與入口面積的比值越大，工具閥的自適應(yīng)控水效果越好，但是在高黏度流體時，碟片面積與入口面積的比值越大，工具閥達(dá)到全開時所需要的流體黏度越大。

圖12表明，當(dāng)工具閥達(dá)到全開之后，隨著流體黏度的增加，工具閥的流量反而減小。因為流體在圓環(huán)平面縫隙間的流動時，其流量（r1表示工具閥的入口半徑），工具閥在全開時開度h是一定的，隨著流體黏度越大，工具閥流量就越小。

4 結(jié)論

1）流線云圖和壓力云圖均表明：低黏度流體時，碟片趨于關(guān)閉，開度較小，表現(xiàn)的是控水效果，高黏度流體時，碟片趨于打開，開度較大，表現(xiàn)的是增油效果，表明所設(shè)計的工具閥控水增油的可靠性。

2）在碟片引入的縱向引壓孔能很好地將壓力傳導(dǎo)到碟片底部流場，使工具閥控水的效果進(jìn)一步加強(qiáng)，極大提高了工具閥的功能性。

3）碟片面積與入口面積的比值決定黏度適應(yīng)范圍（比值越大，黏度適應(yīng)范圍就越大）和控水效果（比值越大，控水效果越好）；碟片上引壓孔主要影響控水效果，孔面積越大，工具閥控水效果越好，但是同時碟片在同等黏度下越不容易到全開狀態(tài)。