壓裂酸化井口管道模擬

徐婷婷，丁智超，戴 兵

（1.江蘇騰龍石化機械有限公司，江蘇 鹽城 224000；2.淮陰工學院，江蘇省先進制造技術重點實驗室，江蘇 淮安 223003）

0 引言

金雪梅等[1]對壓裂過程中高壓管匯進行失效原因分析，驗證高壓管匯在高壓中存在的薄弱環(huán)節(jié)。孫曉迎等[2]利用ANSYS和Comsol Multiphysics軟件進行應力云圖分析，為壓裂設備關鍵零件的科學設計提供理論依據。肖益民等[3]借助Fluent軟件對Y型喉管內氣固兩相流進行數(shù)值仿真，重點研究顆粒不同入射角對喉管內流場的影響。李靜等[4]運用FLUENT軟件中的RNGk-ε模型對不同雷諾數(shù)Re和不同半徑比Rc/D下90°圓弧彎管內的流體流動進行了數(shù)值模擬，分析了管內流體的速度場分布、壓力場分布以及二次流現(xiàn)象。

本研究以一種壓裂酸化井口裝置KL130/78/65-105為研究對象，對其中管道連接處在湍流流場液固兩相流條件下研究其磨損及失效部位。利用solidworks軟件進行管道的幾何建模，并運用workbench-Fluent建立仿真模型，對后期管道連接處保護以及密封起到一定借鑒作用。

1 建立物理模型與網格劃分

1.1 物理模型的建立

以105 MPa壓裂酸化井口中管道為分析對象，零件位置如圖1，管道接口采用法蘭連接，按照執(zhí)行標準API SPEC 6A 21，主通經130 mm，建立模型并對閥體管道進行材料選擇，根據GB/T22513規(guī)范要求以及現(xiàn)場使用情況，閥體管道材料為35CrMo，其硬度為229HB、沖擊韌性為782。建立幾何模型時需要對研究對象的模型進行簡化。由于井口內部結構復雜，所以對其進行結構簡化，三維建模如圖2。

圖2 管道1/4剖視圖

1.2 網格劃分

法蘭連接管道基本可看做中空圓柱體。由于圓柱體建模適合采用先生成塊再進行O-BLOCK方法切分，這樣使得結構生成的網格對于圓柱體非常合適。因此采用非結構網格。將建立的幾何模型導入ANSYS Workbench中的Geometry里，應用Fill功能填充計算域，完成后將其導入Mesh中劃分網格，網格劃分如圖3所示。圖共劃分網格節(jié)點19635個，網格單元96384個。

圖3 通道網格劃分

2 設定求解方法與模擬結果

管道沖蝕主要因素是流體中巖屑或重晶石對管道避免沖擊形成不穩(wěn)定流造成，因此驗證流體方程對流體中巖屑和重晶石設定求解方法，包括固體顆粒重力、沖蝕磨損基本方程和液固兩相流基本方程。設定求解方法中公式的引用是作為前期軟件條件的設定，滿足壓裂井口基本工況的液固兩相流及液固兩相流中固體顆粒的在其流動時所受重力的影響，其作為模擬分析必要條件、驗證設定在軟件模擬時均能體現(xiàn)，使其對后期模擬結果更加切合實際。

2.1 重力

采油管道沙粒所受重力表達式

式中，ma為顆粒質量，kg；g為重力加速度，取9.81 m/s2。

2.2 液固兩相流基本方程

液固兩相理論的是通過將固體顆粒和氣體分子相對應，認為固體顆粒運動具有相通性，基于氣體分子動力論來研究顆粒相。持續(xù)流理論是假定兩相都是連續(xù)介質，并可以同時出現(xiàn)在同一位置，并有相應的流動特性，二者通過相間耦合作用施加影響。

2.2.1 連續(xù)方程

不可壓縮湍流瞬時速度滿足的連續(xù)方程為：

對其進行平均運算，有：

根據平均值定義，將瞬時速度f表示為時均值與脈動值f′之和，得：

2.2.2 動量方程

對于不可壓縮湍流瞬時運動的N-S方程：

2.3 模擬結果與分析

本研究以模擬分析沖蝕位置為主，通過Solid-Works對采油井口裝置管道建模，后通過ANSYS fluent軟件及具體分析所用到的就解方程對裝置具體使用環(huán)境與工況進行模擬分析，與返廠維修管道失效零件進行對比驗證，驗證其具體沖蝕位置，以及法蘭連接處內部具體沖蝕位置進行可視化，對后期法蘭連接處保護與改進提供參考。取法蘭管道的外徑R=200 mm，內徑r=130 mm，內壓pi=105 MPa，外壓po=0 MPa。

運用FLUENT軟件中的RNGk-ε模型對法蘭連接管道內的流體流動進行了數(shù)值模擬，分析了管內流體的速度場分布、壓力場分布。通道內流體速度云圖（圖4、圖5）。結果顯示，在105 MPa（15000 psi）條件下，通道內部流體速度場呈現(xiàn)均勻分布，流速集中于通道中間部分且壁面呈現(xiàn)低速均勻分布，高度場集中于管道中間部分且有中心向外圈遞減現(xiàn)象。

圖4 入口端速度云圖

圖5 管道內部速度云圖

通道內流體壓力云圖（圖6、7）。圖示結果：在高壓情況下，管道內流體壓力在管道中間法蘭連接處和進口前端出現(xiàn)高壓力點現(xiàn)象，且在法蘭連接處呈現(xiàn)不均勻高壓點，其對法蘭處沖蝕呈現(xiàn)以點蝕為基礎的磨損，除上述兩處其余部位呈現(xiàn)壓力均勻分布，壓力點在不均勻條件下易在高壓點部位出現(xiàn)沖蝕磨損。模擬分析結果于返廠失效零件部位反饋一致。

圖6 管道壓力云圖

圖7 管道XZ截面壓力云圖

3 結語

基于液固兩相流條件下，采用CFD計算流體動力學方法（標準k-ε湍流模型）及ANSYS fluent軟件，對壓裂井口裝置管道連接處在105 MPa壓力條件下的流場進行模擬分析，結果表明：沖蝕磨損的部位基本集中于法蘭連接環(huán)的一處。即壓裂酸化井口裝置在105 MPa工況條件下，內部管道通過法蘭連接，沖擊高壓力點出現(xiàn)在管道連接處以及管道入口于連接處前端部位，該部位因通道連接改變而會成為流體沖擊內壁出現(xiàn)沖蝕磨損。

模擬分析結果顯示，壓力點較為集中，在高壓管道內易造成該部位的沖擊磨損，應該將以上沖蝕較為集中區(qū)域作為重點保護對象。重點部位結構材料選用耐沖蝕材料或在沖蝕部位對焊耐沖蝕硬質合金管道連接處流體沖擊最為嚴重，可以在連接處改進原有密封墊環(huán)，可以實現(xiàn)密封與保護同時實現(xiàn)目的。