高壓管匯多相流體沖蝕數(shù)值模擬研究

賴曉明

摘 要：針對(duì)國(guó)內(nèi)外高壓管匯件產(chǎn)品很難滿足我國(guó)頁(yè)巖氣商業(yè)化開(kāi)采，面臨超高壓壓裂作業(yè)難題，在實(shí)際工程作業(yè)中陸續(xù)出現(xiàn)的一些質(zhì)量問(wèn)題，本課題將采用CFD軟件仿真分析固-液兩相流動(dòng)，運(yùn)用數(shù)值模擬方法能獲得在各種工況下的完整數(shù)據(jù)，考慮固相顆粒之間的作用和固-液相之間的耦合作用力，分別對(duì)顆粒物含量較低時(shí)和固相顆粒含量較高的壓裂作業(yè)流體工況進(jìn)行分析，優(yōu)化現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，解決一些重要的國(guó)產(chǎn)管匯件使用壽命不穩(wěn)定的難題。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣；壓裂；CFD分析；數(shù)學(xué)模型

中圖分類號(hào)：TE345 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）11-0097-02

0 引言

我國(guó)在油氣勘探開(kāi)發(fā)的廣度和深度方面呈現(xiàn)出大幅的上漲態(tài)勢(shì)，特別是頁(yè)巖氣油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)，對(duì)壓裂設(shè)備提出了前所未有的挑戰(zhàn)，2015年左右，由于原有高壓管匯性能滿足不了作業(yè)要求，分別在新疆油田和川慶鉆探等作業(yè)區(qū)塊，連續(xù)發(fā)生了多次高壓管匯失效事故。另外，近20年來(lái)，計(jì)算機(jī)運(yùn)用技術(shù)取得的飛速發(fā)展，其中流體力學(xué)計(jì)算（Computational Fluid Dynamics，CFD）方面的研究也取得了前所未有的進(jìn)步，研究逐步成為了一種與實(shí)驗(yàn)研究并存的有效手段。

1 研究目標(biāo)

以為內(nèi)徑為3寸，工作壓力約140Mpa的高壓彎頭為對(duì)象。這里為該樣式的高壓彎頭構(gòu)建了四種空間角度位置不同的兩彎頭相聯(lián)接方式，分別為兩彎頭所在平面夾角為0°，45°，90°和135°。針對(duì)這些不同的聯(lián)接方式，首先使用FLUENT所帶前置網(wǎng)格軟件GAMBIT建立相應(yīng)的計(jì)算區(qū)域，各聯(lián)接方式彎頭的計(jì)算區(qū)域均由4部分組成：進(jìn)口直管段、彎管1、彎管2及出口直管段。

2 網(wǎng)格劃分

運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行三維建模，用GAMBIT軟件對(duì)模型進(jìn)行本體材料的網(wǎng)格劃分，完成計(jì)算空間的離散創(chuàng)建。采用FLUENT軟件對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行有限體積法計(jì)算，實(shí)現(xiàn)計(jì)算的基礎(chǔ)和前提是網(wǎng)格劃分，其結(jié)果將直接影響到最終數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性、高效性和結(jié)果的準(zhǔn)確性。在GAMBIT軟件時(shí)，為使計(jì)算更加準(zhǔn)確、快捷，可以采用六面體網(wǎng)格劃分，并在管壁處添加適當(dāng)?shù)倪吔鐚泳W(wǎng)格以便能更好的分析近管壁處的流動(dòng)情況。所研究的四種不同聯(lián)接方式模型圖如圖1所示。

3 邊界條件及多相物性

把速度進(jìn)口（velocity inlet）設(shè)定為管線進(jìn)口端邊界條件，根據(jù)實(shí)測(cè)的流量值計(jì)算得到流場(chǎng)入口速度；管段出口邊界條件設(shè)置為壓力出口（pressure outlet）；管壁設(shè)置為無(wú)滑移壁面（no-slip wall）。計(jì)算中所用材料相關(guān)物性為：支撐劑為30/50目（視密度：3.22g/cm3，體積密度：1.8g/cm3）；100目（視密度：3.14g/cm3，體積密度：1.67g/cm3），壓裂液密度：1.0g/cm3，粘度：0.08pa·s。

4 多相流模型設(shè)置

當(dāng)使用離散相模型時(shí)，采用雙向耦合方式計(jì)算，液相湍流模型中選用標(biāo)準(zhǔn)雙方程模型，顆粒運(yùn)動(dòng)阻力計(jì)算時(shí)選用球形阻力公式，顆粒粒徑采用均勻分布，管壁邊界條件設(shè)為反射邊界，選用隨機(jī)追蹤模型預(yù)測(cè)由液相湍流引起的顆粒彌散。

壓力速度耦合求解方法選用SIMPLEC方法，動(dòng)量方程，湍動(dòng)能及湍動(dòng)能耗散率方程選用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。各松弛因子選用默認(rèn)設(shè)置。

當(dāng)使用雙流體模型時(shí)，選擇Eulerian雙流體模型，湍流選擇標(biāo)準(zhǔn)多相混合模型（Mixture Multiphase Model）的雙方程模型。固相顆粒粘度選用syamlal-obrien模型，顆粒體積粘度選用lun-et-al模型，忽略顆粒摩擦粘度，固體壓力選用lun-et-al模型，徑向分布函數(shù)選用lun-et-al模型，相間曳力選用gidaspow模型。

壓力速度耦合求解方法選用PC-SIMPLE（Phase Coupled SIMPLE）方法，體積分?jǐn)?shù)方程選用一階迎風(fēng)格式；動(dòng)量方程，湍動(dòng)能及湍動(dòng)能耗散率方程選用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。各松弛因子選用默認(rèn)設(shè)置。

5 模擬結(jié)果及分析

對(duì)于目前確定的四種不同類型的彎管結(jié)構(gòu)，分別模擬了30、50、100目等三種不同粒度顆粒多相流的情況。計(jì)算所設(shè)液流速度為15m/s，顆粒在計(jì)算區(qū)域入口處的流速設(shè)為與液流相同，顆粒流量設(shè)為3.6Kg/s。

分析顆粒粒度取為30目，彎管夾角為0°時(shí)的流場(chǎng)分布。彎管部分外側(cè)的壓應(yīng)力高于內(nèi)側(cè)，在內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力沿流動(dòng)方向先降后升，在外側(cè)應(yīng)壓力沿流動(dòng)方向先升后降。因此，液流速度會(huì)在靠近內(nèi)側(cè)處先增加后減少，在靠近外側(cè)處先減少后增加，液流相速度的急劇變化會(huì)加強(qiáng)顆粒相湍流程度，使得顆粒更易在管壁處發(fā)生沖蝕磨損。

由于固-液兩相存在密度差，在沿流動(dòng)方向上顆粒濃度逐漸增大，在彎管處兩相出現(xiàn)了不同的運(yùn)動(dòng)形式，固-液兩相在離心力作用下分離使固相顆粒集中在偏向彎管外側(cè)，造成外側(cè)壁面的顆粒濃度大幅增加。另外，在該處彎管兩側(cè)各有一個(gè)近似對(duì)稱的顆粒濃度較高區(qū)域，這是彎管內(nèi)的二次流造成的。

圖2分別給出了當(dāng)固相顆粒粒度取30目的情況下，三種彎管夾角分別為45°、90°和135°時(shí)彎管內(nèi)的顆粒磨損率分布圖。從圖中可以看出磨損區(qū)域主要分布在彎管外側(cè)管壁附近，在內(nèi)側(cè)管壁區(qū)域幾乎沒(méi)有磨損發(fā)生，且隨著角度的增大，磨損嚴(yán)重區(qū)向彎管出口方向移動(dòng)。

表1給出了三種不同粒度顆粒分別在四種不同彎管結(jié)構(gòu)中模擬計(jì)算的壓降及磨損率。從表中可以看出，顆粒粒度對(duì)壓降的影響不大，彎管4壓降彎管3彎管2彎管1；對(duì)于同種顆粒粒度來(lái)說(shuō)，彎管2結(jié)構(gòu)的平均磨損率最大。

6 討論及小結(jié)

彎管的結(jié)構(gòu)形式，即在生產(chǎn)中表現(xiàn)為管匯件的連接方式，對(duì)管匯件的耐沖蝕性能有著顯著影響。不同連接方式，可能導(dǎo)致產(chǎn)品使用壽命出現(xiàn)倍數(shù)差距。

參考文獻(xiàn)

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