基于流固耦合的閘板防噴器建模及有限元分析

鄔長江，張鳳麗，王仕強，何 莎，戚貴源，王金江

(1.中國石油大學(北京),北京 102249; 2. 中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，四川 廣漢618300)

石油鉆探作業(yè)一旦出現(xiàn)井噴事故，便會危及鉆井設備及鉆井人員的安全，因此有必要采取嚴密的井控預防措施。閘板防噴器(Blow-out Preventer，BOP)是井控裝備中預防井噴的關鍵裝置[1]，其工作原理為當發(fā)生緊急情況時，防噴器閘板受蓄能器施加的液壓力向鉆桿運動，在克服鉆井液的壓力以及剪切鉆桿本身所需剪切力后，剪斷鉆桿，起到關井密封的作用。

然而，在井噴發(fā)生時防噴器剪切失效事故時有發(fā)生，目前很多國內(nèi)外學者針對關井時閘板防噴器無法正常關閉的問題，利用建模與仿真的方法進行了研究。賈甲等學者針對關井過程閘板所受瞬態(tài)壓力進行了有限元分析，并確定了應力分布規(guī)律[2]。朱敬宇等學者對井噴事故場景下閘板防噴器剪切鉆桿能力進行了評估與提升[3]。王鵬等學者對水下閘板防噴器進行了有限元建模，以及關井仿真分析[4]。黃顯萍通過有限元分析軟件Fluent對防噴器密封性能進行了模擬，并對閘板結(jié)構(gòu)進行了改良[5]。王旭東等學者建立了閘板剪切力預測模型，為防噴器剪切閘板的剪切力預測及結(jié)構(gòu)設計提供了一定的理論依據(jù)[6]。Lin T等學者采用有限元方法模擬了整個閘板剪切鉆管斷裂過程來估算防噴器工作條件對剪切操作所需剪切力的影響，分析了閘板防噴器的應力分布和斷裂原因[7]。Li T等學者基于剪切運動方程，運用Treace屈服準則、滑移線場和楔形力學理論建立了預測模型，研究了閘板結(jié)構(gòu)參數(shù)對剪切能力的影響[8]。Tang Y等學者分析了雙閘板防噴器在額定工作條件和靜水壓力下的應力分布規(guī)律和主體的應力集中區(qū)域，用于指導現(xiàn)場維護[9]。Zhu L等學者通過試驗導出斷裂參數(shù)，并基于邊界和載荷條件為防噴器剪切試驗建立了數(shù)值模型[10]。

以上文獻大多針對閘板純剪切情況和剪切靜態(tài)鉆桿的情況進行研究，忽略了井噴危險場景下鉆桿承受軸向與內(nèi)外壓力等復雜載荷作用對剪切力的影響，也鮮有針對井噴復雜載荷導致防噴器內(nèi)鉆桿竄動和扭轉(zhuǎn)等動態(tài)情況的分析。因此，本文將從建立防噴器模型入手，通過有限元建模分析的方法分別對不同工況下的鉆桿剪切模型進行流固耦合分析，以此獲得不同工況下流體對防噴器閘板剪切力的影響程度和規(guī)律，對保證井控安全具有重要意義。

1 流固耦合分析方法框架

井噴危險場景下，地層流體不斷地涌入井內(nèi)，鉆桿承受軸向與內(nèi)外壓力等復雜載荷作用，極易發(fā)生竄動和扭轉(zhuǎn)。為了更加直觀地了解閘板防噴器剪切竄動鉆桿和扭轉(zhuǎn)鉆桿在流固耦合作用下的閘板受力情況，分析閘板剪切時流體對于閘板剪切力的影響程度，進行基于流固耦合作用的剪切竄動鉆桿和扭轉(zhuǎn)鉆桿模型動態(tài)有限元分析非常重要。目前流固耦合技術主要應用于解決流體場和固體變形場之間的相互作用問題，因此非常適用于分析防噴器在剪切鉆桿過程中流體力與剪切力的關系問題。本文針對閘板防噴器剪切過程的流固耦合分析，設計了方法框架，如圖1所示，首先通過閘板防噴器結(jié)構(gòu)參數(shù)在模型構(gòu)建平臺對其進行建模，然后通過流體參數(shù)對其中流體域進行劃分，與固體部分模型形成流固耦合有限元模型，并通過已知參數(shù)設置邊界條件，運行仿真軟件得到基于流固耦合的閘板防噴器分析結(jié)果。

圖1 防噴器流固耦合分析方法框架

2 閘板防噴器模型建立

2.1 幾何模型的建立

流固耦合分析的關鍵在于有限元模型的建立。為了使仿真分析的結(jié)果更精確、防噴器裝配體模型更貼近實際，閘板防噴器固體部分采用三維建模軟件SolidWorks進行建模，尺寸以華北榮盛公司生產(chǎn)的FZ35-70型剪切閘板防噴器為標準，其中，剪切閘板的V型夾角為160°，刃面傾角為15°。根據(jù)上、下剪切閘板的基本尺寸信息以及相應的點云坐標信息構(gòu)建剪切閘板的三維模型，對其連接槽、剪切面以及剪切刃口等具體形貌進行繪制。在對閘板防噴器流固耦合模型進行建立的過程中，考慮到計算機處理能力，將閘板處一些不影響流固耦合分析效果的實體部分，例如液壓通道、閘板外殼、連接槽等進行簡化修改，建模過程采用了切除、抽殼等功能模塊。簡化后的閘板如圖2所示。在對防噴器進行流固耦合分析時，需要構(gòu)造1個封閉流體域，故需在已有防噴器模型的基礎上，添加1個井筒套管將其封閉起來。對井筒套管建模后防噴器裝配圖如圖3所示。

圖2 閘板防噴器的閘板簡化模型

圖3 具有井筒套的閘板防噴器裝配圖

2.2 前處理及流域劃分

幾何模型建好之后，需要將井筒套管內(nèi)部與防噴器固體部分之間的空間設置為流體域，在各個不同閘板運動工況和竄動鉆桿工況下進行CFD模擬分析。為了節(jié)省計算時間，需對流體域進行簡化，在不影響計算結(jié)果的情況下，將上下流體域各保留一定程度，經(jīng)簡化后的流體域如圖4所示。由于中間被剪切部分流體域變化較大，為了提高計算精度，需要對中間剪切部分進行面網(wǎng)格和體網(wǎng)格加密。由于將閘板視為剛體，閘板及剩余部分流體域?qū)τ嬎憬Y(jié)果影響不大，故不用進行網(wǎng)格加密。首先，采用Face Meshing映射面網(wǎng)格對被剪切區(qū)域附近流體域以及表面的網(wǎng)格層數(shù)進行均等劃分，然后運用Body Sizing定義鉆桿中間部分的網(wǎng)格總體尺寸，同時需要以Contact Sizing來定義鉆桿接觸面之間的網(wǎng)格尺寸，最終完成流固耦合有限元模型的網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分后的閘板防噴器流固耦合有限元模型如圖5所示。

圖4 閘板防噴器有限元流體域劃分

圖5 閘板防噴器流固耦合有限元模型

3 流固耦合作用下閘板防噴器的穩(wěn)態(tài)壓力分析

3.1 閘板防噴器剪切竄動鉆桿有限元分析

在閘板剪切鉆桿過程中選取6個不同鉆桿竄動工況，通過SolidwWorks構(gòu)建對應的幾何圖形(以鉆桿受力200 kN為例)，如圖6所示。將這些幾何圖形輸出到CFD軟件ANSYS Fluent進行穩(wěn)態(tài)模擬，以求解閘板上的流體動力。模型構(gòu)建完成后，在ANSYS Fluent中進行邊界條件的設置，參考美國西南研究院的報告[11]，流體進口采用2 m/s速度，各邊界條件如表1所示。

圖6 流固耦合鉆桿受力200 kN竄動模型

表1 邊界條件參數(shù)

按照設置好的邊界條件進行仿真，得到流場變化情況如圖7所示，可以看出，當閘板剪切鉆桿時，流體流經(jīng)閘板剪切處會出現(xiàn)湍流的現(xiàn)象，速度加快并不斷沖擊閘板。根據(jù)理想流體的連續(xù)性方程Sv=常數(shù)，如果同一截面上流速相同，不可壓縮的流體在流管中做穩(wěn)定流動時流體的流速v與流管的截面積S成反比，即截面大處流速小，狹窄處流速大。仿真結(jié)果符合理論推理結(jié)果。

圖7 防噴器閘板剪切流場

將流體對閘板的橫向流體壓力提取出來，按照壓力乘以面積得到流體在水平方向上的沖擊力，結(jié)果如表2所示。重復上述操作，對閘板剪切竄動套管和篩管進行流固耦合分析，得到相應的流體壓力和流體慣性力，將不同竄動工況的計算結(jié)果導出，計算流體慣性力并擬合曲線如圖8所示，可以看出，隨著鉆桿受力的增大，流體沖擊力逐漸減小。這是因為隨著鉆桿竄動距離的增大，流體的流動面積也會發(fā)生增大，流體壓力會變小，對閘板產(chǎn)生的沖擊力也會變小。

表2 基于流固耦合閘板剪切竄動鉆桿結(jié)果

圖8 流體力隨鉆桿竄動變化趨勢

3.2 閘板防噴器剪切扭轉(zhuǎn)鉆桿有限元分析

在閘板剪切過程中選取7個不同鉆桿扭轉(zhuǎn)工況，扭轉(zhuǎn)角度分別為0、30、60、90、120、150和180°，分別構(gòu)建對應的幾何圖形，圖9～10展示了扭轉(zhuǎn)角度分別為30°和90°的情況。然后將這些幾何圖形輸出到CFD軟件ANSYS Fluent中進行穩(wěn)態(tài)模擬，以求解閘板上的流體動力。

圖9 流固耦合鉆桿扭轉(zhuǎn)30°模型

圖10 流固耦合鉆桿扭轉(zhuǎn)90°模型

基于流固耦合的閘板剪切扭轉(zhuǎn)鉆桿的邊界條件與鉆桿竄動時相同，將計算得到的流體壓力乘以面積得到各個工況下的水平方向的流體沖擊力如表3所示。重復上述操作，對閘板剪切竄動套管和篩管進行流固耦合分析，將不同角度的計算結(jié)果導出，利用Matlab計算流體力并擬合曲線如圖11，可以看出，隨著旋轉(zhuǎn)角度的變化，流體沖擊力呈現(xiàn)波動，在90°時流體沖擊力最大，30°時最小。這是因為隨著扭轉(zhuǎn)角度的變化，流體的流動面積也會發(fā)生變化，當流動面積減小時，流體壓力會變大，當流動面積增大時，流體壓力會變小，符合流體力學中理想流體的連續(xù)性方程的規(guī)律。

表3 基于流固耦合的閘板剪切竄扭轉(zhuǎn)鉆桿結(jié)果

圖11 流體力隨鉆桿扭轉(zhuǎn)角度變化趨勢

3.3 閘板前入口鉆井液流速對流體力的影響

以閘板剪切靜態(tài)鉆桿的情況為例，研究閘板前進口鉆井液流速對流體力的影響規(guī)律，結(jié)果如圖12。由圖12可看出閘板前入口的鉆井液流速越大，流體力越大，且閘板位移超過60 mm，即閘板開度低于25%時，流體力呈急劇上升趨勢。

圖12 閘板前入口鉆井液流速對流體力的影響

4 結(jié)論

1) 利用有限元軟件建立了閘板防噴器流固耦合有限元分析模型，可以直觀展示防噴器工作環(huán)境的流體域，為防噴器流固耦合分析提供分析基礎。

2) 在閘板剪切鉆桿過程中，流體達到穩(wěn)態(tài)后，流體慣性力隨鉆桿所受載荷力增大而減小，隨鉆桿扭轉(zhuǎn)角度不同而變化，在扭轉(zhuǎn)90°時流體慣性力最大。

3) 鉆井液流速越大，流體力越大，當閘板開度低于25%時，流體力急劇上升。