高壓壓裂泵配流閥流場(chǎng)特性分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

葉文杰，陳奎生，湛從昌，陳 兵

(1.武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢，430081；2.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081)

隨著我國(guó)油田和頁(yè)巖氣井深度的逐漸增加，壓裂泵不斷向大排量、大功率及高壓力方向發(fā)展。同時(shí)，為了減少流量和壓力的脈動(dòng)，高壓壓裂泵的柱塞數(shù)也在增多。高壓壓裂泵在極限工況下的最高壓力可達(dá)140 MPa[1]，其中每一根柱塞處安裝有兩個(gè)配流閥(吸入閥與排出閥)，任何一個(gè)配流閥失效導(dǎo)致液體泄漏，都會(huì)給壓裂泵帶來(lái)很大的容積損失，影響其正常工作，而更換配流閥又會(huì)影響采收效率。因此，優(yōu)化壓裂泵配流閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)，延長(zhǎng)其使用壽命，這對(duì)提高油氣開(kāi)采效益有著重要的研究意義。

李德清[2]研究了閥盤(pán)升程、彈簧剛度、預(yù)壓縮量、流體的動(dòng)態(tài)特性及脈動(dòng)特性等對(duì)壓裂泵容積效率的影響。周加龍[3]分析了泵閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、關(guān)閉階段引起的沖擊應(yīng)力和微細(xì)閥隙流場(chǎng)對(duì)閥體的影響程度，優(yōu)化了閥盤(pán)設(shè)計(jì)參數(shù)。付云霞[4]建立了泵閥工作時(shí)的力學(xué)模型，借助有限元方法進(jìn)行強(qiáng)度分析和優(yōu)化求解。朱萬(wàn)勝等[5]對(duì)不同閥芯半錐角、閥芯前部過(guò)渡圓弧半徑及閥座長(zhǎng)度下的閥口壓力進(jìn)行測(cè)量，得出了較優(yōu)的鉆井液錐閥結(jié)構(gòu)參數(shù)。目前對(duì)壓裂泵液力端的研究主要還是集中在液動(dòng)力模擬、流固耦合分析和配流閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律等方面[6-10]，對(duì)高壓壓裂泵配流閥閥盤(pán)升程及錐角等結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化還有待于更深入的探討。

本文使用SolidWorks軟件建立配流閥三維模型，通過(guò)ICEM軟件劃分網(wǎng)格，利用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，將相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)MATLAB分析處理后得到配流閥閥盤(pán)升程、錐角對(duì)閥內(nèi)壓力、閥口速度及流量系數(shù)的影響，從而獲得較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為配流閥設(shè)計(jì)提供參考。

1 配流閥結(jié)構(gòu)及工作原理

為提高容積效率，高壓壓裂泵一般不采用盤(pán)配流和軸配流，而選擇效率更高的閥配流方式。圖1為壓裂泵液力端結(jié)構(gòu)圖，配流閥結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中d1=114 mm，d2=78 mm，d3=80 mm,H和α分別表示閥盤(pán)的升程和錐角。

1—排出蓋總成；2—吸入蓋總成；3—彈簧；4—泵頭；5—柱塞；6—密封總成；7—柱塞卡箍；8—彈簧固定座；9—配流閥總成；10—閥座

1—彈簧；2—導(dǎo)向桿；3—彈簧板；4—大盤(pán)；5—閥盤(pán)密封圈；6—閥盤(pán)；7—倒角過(guò)渡段；8—導(dǎo)向爪；9—閥座

配流閥工作原理(以吸入閥為例)為：柱塞在吸入閥右端，理想狀態(tài)下，當(dāng)吸入沖程開(kāi)始時(shí)，柱塞從左向右移動(dòng)，液體不斷被抽吸，密閉的吸入腔中出現(xiàn)真空，當(dāng)大氣壓力大于彈簧的預(yù)壓力、導(dǎo)向裝置的摩擦力及閥體的慣性力之和時(shí)，彈簧被壓縮，配流閥閥盤(pán)上移離開(kāi)閥座，配流閥開(kāi)啟，液體流出配流閥。當(dāng)吸入沖程結(jié)束后，配流閥在彈簧彈力和自身重力的作用下，閥盤(pán)下移返回閥座，配流閥關(guān)閉。

2 配流閥流場(chǎng)模型的建立

2.1 配流閥流場(chǎng)簡(jiǎn)化

為了使仿真計(jì)算的結(jié)果更精確，對(duì)配流閥流場(chǎng)影響較大的閥座與閥盤(pán)等零部件的結(jié)構(gòu)按實(shí)際尺寸建立三維模型。同時(shí)，為了簡(jiǎn)化模型，忽略配流閥的導(dǎo)向爪、彈簧及閥桿對(duì)流體的影響。

壓裂液中包含固體顆粒、溶劑及多種添加劑，是一種黏塑性、非牛頓流體，滿(mǎn)足如下關(guān)系式：

(1)

式中：τ為剪切應(yīng)力；τ0為臨界剪切應(yīng)力；du/dy為剪切速度梯度；μ0為黏度。

由式(1)可知，剪切應(yīng)力與剪切速度之間的關(guān)系不受時(shí)間的影響。黏塑性流體的流動(dòng)特點(diǎn)為：當(dāng)τ≤τ0時(shí)，其基本不流動(dòng)；當(dāng)τ>τ0時(shí)，其與牛頓流體的流動(dòng)特點(diǎn)一致。因此，為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)配流閥內(nèi)流場(chǎng)做以下假定[11]：

(1)壓裂液為一元牛頓非穩(wěn)定流體；

(2)壓裂液為均一連續(xù)不可壓縮流體；

(3)在環(huán)形流道內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)以閥盤(pán)軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)。

2.2 三維模型及網(wǎng)格劃分

針對(duì)配流閥關(guān)閉過(guò)程，以閥盤(pán)底面中心為圓心，在SolidWorks中建立不同升程及錐角下的30個(gè)三維模型并導(dǎo)入到ICEM中。因模型較多，計(jì)算量大，根據(jù)閥內(nèi)流道特點(diǎn)，最終采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分。同時(shí)，為保證計(jì)算精確度，將各項(xiàng)殘差收斂數(shù)值設(shè)置為10-5。圖3為H=15 mm、α=60°時(shí)的三維網(wǎng)格模型。

圖3 配流閥三維網(wǎng)格模型

2.3 邊界條件設(shè)置

采用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，設(shè)定流體為定常流動(dòng)，采用速度-壓力耦合的顯式算法SIMPIEC、選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型及啟動(dòng)能量方程 Energy Equation對(duì)模型求解。配流閥中壓裂液黏度為10-3Pa·s，密度為1500 kg/m3，定壓比熱容為2.8 kJ/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為 1.5 W/(m·K)，湍流強(qiáng)度為 0.05?？紤]配流閥關(guān)閉時(shí)魏斯特法爾現(xiàn)象的影響[12]，設(shè)定閥盤(pán)為動(dòng)邊界，向上速度為1.31 m/s，閥座入口速度為6.2 m/s,入口邊界溫度為312 K，出口邊界溫度為322 K。

2.4 數(shù)值模擬的理論方程

在配流閥閥口內(nèi)，壓裂液為湍流流動(dòng)，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程簡(jiǎn)化分析，得到如下控制方程[13]。

連續(xù)性方程：

(2)

動(dòng)量守恒方程：

(3)

湍動(dòng)能k方程：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(4)

湍流耗散率ε方程：

(5)

3 結(jié)果與分析

在保證其他參數(shù)不變時(shí)，對(duì)配流閥的升程和錐角進(jìn)行優(yōu)化分析，升程H分別取5、10、15、20、25 mm；錐角α分別取30°、40°、50°、60°、70°、80°。

3.1 閥盤(pán)升程及錐角對(duì)閥盤(pán)壓力的影響

為了觀測(cè)流道內(nèi)部情形，以過(guò)Y軸與Z軸的剖切面為研究對(duì)象。因配流閥流場(chǎng)在各個(gè)升程與錐角下的速度、壓力分布規(guī)律較為相似，因而本文僅列舉α=60°、H=15 mm時(shí)的仿真結(jié)果圖，其中圖4為Y-Z剖切面壓力分布云圖，圖5為閥盤(pán)面壓力分布云圖。以圖5中的閥盤(pán)底面圓心為觀測(cè)點(diǎn)，得到不同升程與錐角的模型中該點(diǎn)的壓力變化情況，如圖6所示。

圖4 Y-Z剖切面壓力分布云圖

圖5 閥盤(pán)面壓力分布云圖

圖6 閥盤(pán)底面圓心處的壓力隨升程和錐角的變化

從圖4及圖5中可以得出，配流閥工作時(shí)，閥內(nèi)壓力最大值出現(xiàn)在閥盤(pán)底部。這是因?yàn)?在閥口處流道變窄，閥盤(pán)底面處的液體無(wú)法改變流向流出閥口，造成較多液體在閥盤(pán)底部聚積，壓力增大。配流閥內(nèi)液體存在壓差及閥盤(pán)底部液體的壓力高導(dǎo)致配流閥易出現(xiàn)導(dǎo)向斷裂(見(jiàn)圖7)，無(wú)法保證工作時(shí)進(jìn)行直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，造成配流閥失效。

圖7 配流閥導(dǎo)向斷裂

由圖6可以得出，錐角一定時(shí)，閥盤(pán)底部壓力隨升程的增大而減小，且升程較小時(shí)壓力變化幅度較大，因而配流閥開(kāi)、閉瞬間，閥盤(pán)底部液體壓力很高；升程一定時(shí)，閥盤(pán)底部壓力隨錐角的增大而先降低后略升高，且在錐角為60°時(shí)出現(xiàn)壓力最小值。因此閥盤(pán)錐角為60°時(shí)更有利于減小閥盤(pán)底部壓力，推遲導(dǎo)向斷裂的情形出現(xiàn)，延長(zhǎng)配流閥工作壽命。

3.2 閥盤(pán)升程及錐角對(duì)閥口流體速度的影響

α=60°、H=15 mm時(shí)的配流閥流場(chǎng)速度分布如圖8所示。

從圖8(a)可以看出，在配流閥閥口流場(chǎng)中，流體速度較大值出現(xiàn)在閥座與閥盤(pán)之間靠近閥盤(pán)的間隙區(qū)域；由圖8(b)可以看出，閥口處流體速度基本與閥盤(pán)的母線(xiàn)方向平行，在與閥盤(pán)母線(xiàn)垂直的截面中，速度最大值出現(xiàn)在流道中間并向閥盤(pán)及閥座兩邊不斷減小，且靠近閥盤(pán)方向上速度減小得更快。因此與閥座相比，閥盤(pán)更易受到流體的沖蝕，故一般在閥盤(pán)上安裝密封圈，來(lái)減小流體對(duì)閥盤(pán)的沖蝕作用，延長(zhǎng)配流閥工作壽命。從圖8(c)可以看出，到達(dá)閥口處的流體，在擠壓作用下，其速度方向在閥口的入口處產(chǎn)生變化，且壓裂液中部分固體顆粒在碰撞擠壓下落向閥座，導(dǎo)致閥座底部會(huì)出現(xiàn)固體顆粒的堆積現(xiàn)象。配流閥關(guān)閉時(shí)，堆積的固體顆粒使閥盤(pán)與閥座受到擠壓，閥盤(pán)密封面被壓傷(見(jiàn)圖9)，最終導(dǎo)致配流閥失效。

(a)流場(chǎng)速度分布云圖 (b)流場(chǎng)流線(xiàn)圖

圖9 配流閥密封面壓傷

為了進(jìn)一步探討閥盤(pán)錐角、升程與閥口流速之間的關(guān)系，取閥口速度最高處為觀察點(diǎn)。對(duì)不同錐角和升程的30個(gè)模型進(jìn)行解析，得到閥口流場(chǎng)中速度最大值vm隨升程和錐角的變化，如圖10所示。

圖10 閥口處最大速度vm隨升程和錐角的變化

從圖10可以看出，在閥盤(pán)錐角相同時(shí)，閥口流體速度隨著閥盤(pán)升程的增加而減小，這是因?yàn)榱黧w為定常流動(dòng)時(shí)，流速與流道的截面積成反比；同時(shí)，速度變化率隨著升程的增大而不斷減小，在升程達(dá)到15 mm后，升程繼續(xù)增大但閥口流速的變化較小。結(jié)合配流閥的失效機(jī)理可知，當(dāng)配流閥在打開(kāi)或關(guān)閉的瞬間，閥盤(pán)的升程特別小，此時(shí)配流閥閥口流體速度極大，高速的壓裂液沖擊到配流閥閥盤(pán)上，會(huì)導(dǎo)致其密封面被沖蝕破壞，從而使配流閥失效。

從圖10還可以看出，在閥盤(pán)升程相同時(shí)，閥口流體速度隨著錐角的增加而減小，且減小幅度逐漸降低，在錐角大于60°后，流體速度變化很小。

3.3 閥盤(pán)升程及錐角對(duì)流量系數(shù)的影響

流量系數(shù)Cq體現(xiàn)了配流閥的通流能力，計(jì)算式為[14]:

(6)

式中：Q為出口截面體積流量，L/min；A為閥口的通流截面積，m2,A=πd3Hsinα；p1、p2為進(jìn)、出口壓力，Pa。

通過(guò)模擬分析得到閥盤(pán)升程和錐角對(duì)配流閥流量系數(shù)的影響，如圖11所示。

圖11 流量系數(shù)Cq隨升程和錐角的變化

從圖11可以看出，隨著閥盤(pán)升程的不斷增大，流量系數(shù)不斷減小。這是因?yàn)楫?dāng)流過(guò)配流閥的流量一定時(shí)，閥盤(pán)升程增大即閥口通流面積增大，而閥盤(pán)的進(jìn)、出口壓差降低，故而流量系數(shù)減小。同時(shí)，閥盤(pán)錐角一定時(shí)，在閥盤(pán)升程從5 mm增至25 mm的過(guò)程中，流量系數(shù)在5～10 mm階段的變化幅度最大，并且流量系數(shù)的降幅隨著升程的增大總體上呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。由此可知，閥盤(pán)在啟、閉瞬間，閥口流量系數(shù)的波動(dòng)較大，此時(shí)閥盤(pán)受到的沖擊也較大。這是因?yàn)?，壓裂液在閥座內(nèi)部的流體流態(tài)為紊流，在閥盤(pán)開(kāi)啟瞬間，流體從閥座內(nèi)進(jìn)入閥口，由于流體水力直徑的急劇變化、閥口流道有一定長(zhǎng)度以及摩擦阻力的影響，流體流態(tài)會(huì)有明顯變化，出現(xiàn)短暫的層流過(guò)程，對(duì)閥盤(pán)造成壓力沖擊；類(lèi)似地，當(dāng)閥盤(pán)關(guān)閉時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)流體流態(tài)急劇變化導(dǎo)致的壓力沖擊。

從圖11還可以看出，當(dāng)升程一定時(shí)，隨著閥盤(pán)錐角α的增大，流量系數(shù)先增后減，且在α=60°處最大。這是因?yàn)椋F角不斷增加時(shí)，配流閥閥口流道變寬，流體的通流截面積增大，流體流出配流閥產(chǎn)生的阻力損失減小，配流閥的配流效率增加，壓裂泵的總效率也相應(yīng)增加。當(dāng)錐角繼續(xù)增加時(shí)，配流閥的通流截面積也在增大，但流過(guò)閥口的流體速度方向改變較大，阻力損失增加，故流量系數(shù)反而減小。在α=60°時(shí)，配流閥閥口流量系數(shù)值最大，這時(shí)配流閥的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性最佳，配流效率最高。

根據(jù)以上分析，閥盤(pán)錐角為60°和閥盤(pán)升程為15 mm有利于降低所研究的配流閥閥口流速，減弱高速流體對(duì)閥盤(pán)密封面的沖蝕作用，延長(zhǎng)閥盤(pán)密封面和配流閥的使用壽命，并能提高配流效率。

4 結(jié)論

(1)配流閥工作時(shí)，閥盤(pán)底部壓力最大。在配流閥啟、閉瞬間，閥盤(pán)受到高速流體沖擊以及流體流態(tài)變化而引起的壓力沖擊作用，易導(dǎo)致配流閥導(dǎo)向部分?jǐn)嗔选?/p>

(2)在閥口流道中靠近閥盤(pán)兩底角處，液體流速最大，閥盤(pán)受到劇烈的沖蝕作用；在閥座處，堆積的固體顆粒會(huì)導(dǎo)致閥盤(pán)密封面壓傷。

(3)在閥盤(pán)錐角相同時(shí)，配流閥閥口流速及流量系數(shù)隨著升程的增加而減??；在閥盤(pán)升程相同時(shí)，隨著錐角的增大，閥口流速不斷減小，而流量系數(shù)先增后減。閥盤(pán)錐角為60°時(shí)，閥口流量系數(shù)最大，配流閥的配流效率最高。

(4)閥盤(pán)錐角為60°、升程為15 mm的參數(shù)選擇有利于減小閥盤(pán)底部壓力和閥口流速，減弱高速流體對(duì)閥盤(pán)密封面的沖蝕作用，延長(zhǎng)配流閥導(dǎo)向裝置、閥盤(pán)密封面和配流閥的使用壽命。