節流管匯防沖刺短節結構及流場模擬

2013-07-08 01:17:22鄧莉李杰艾志久賈林胡文禮付必偉

石油礦場機械 2013年4期

鄧莉，李杰，艾志久，賈林，胡文禮，付必偉

（西南石油大學研究生院，成都 610500）①

節流壓井管匯是井控裝置的重要組成部件［1］。當發生溢流或井噴需循環出被浸污的鉆井液時，或泵入性能經調整的加重泥漿以便壓井重建平衡關系時，在防噴器關閉的條件下，利用節流管匯中節流閥的開啟和關閉，控制一定的套壓來維持穩定井底壓力，避免地層流體的進一步流入。除此之外，節流管匯還可用于洗井、放噴等。當已經發生井噴時，亦可通過節流壓井管匯往井口強注清水。預防燃燒起火時，通過節流壓井管匯往井筒里強注滅火劑，能幫助滅火［2］。由于現有的節流管匯存在結構方面的問題，工作中出現沖蝕及刺漏現象，嚴重影響施工安全。本文采用CFD 軟件模擬了防沖刺節流管匯的流場，并通過現場試驗證明設計的防沖刺節流短節具有抗沖蝕能力，能顯著提高節流管匯的使用壽命。

1 原有節流管匯的結構和不足

現有的節流管匯中節流閥后直管易出現局部沖蝕，甚至發生刺漏現象，嚴重影響了井控及壓井的施工效率和安全［3］。因此，需要對現有井控節流管匯進行結構改進，即用防沖刺短節替代原有節流閥后直管短節，降低高速流體對管匯的沖蝕損傷，提高節流管匯的使用壽命。

2 防沖刺短節結構

防沖刺節流管匯結構設計的思路是將節流管匯的短節末端直徑加粗后在內部加裝合金頭，這樣高速流體進入節流管匯后直接作用于合金頭。減少高速流體在通過節流管匯時與管匯壁面接觸和沖蝕的面積［4］。以達到降低對節流管匯壁面沖蝕，提高管匯使用壽命的目的。同時在管匯入口管段和短節內部加裝防沖蝕硬質合金內套。如圖1所示。

圖1 防沖刺短節結構

3 建立CFD模型

3.1 計算流體動力學理論模型

湍流是一種運動狀態，在運動過程中流體質點呈現相互摻混現象，速度、壓力等物理量出現隨機性的脈動情況［5］。對于湍流仿真研究，最根本的模擬方法為湍流直接模擬（Direct Numerical Simulation，簡稱DNS）。

傳統的工程設計是RANS（Reynolds Averaged Navier－Stokes）模擬方法［6］。經過時均后，方程中出現了雷諾應力等脈動關聯項，如式（1）中最后一項。目前常用的湍流黏性數學模型有雙方程模型、單方程模型、代數模型等［7－8］。CFX 中提供的RANS模型包括：單方程（Spalart－Allmaras）模型，雙方程模型（k－ε模型系列，k－ω模型系列），雷諾應力模型，大渦模擬模型等［9］。

式中：ui、uj、uk是各方向單元速度分量，m／s；xi、xj、xk為各方向單元長度，m；μ是黏性系數；ρ是流體密度，kg／m3；δij是體膨脹系數；p 是單元靜壓，Pa；t是時間，s；，是各方單元速度分量的脈動值，m／s。

3.2 防沖刺管匯計算域網格模型

為了能與原節流管匯進行防沖刺效果對比，防沖刺節流管匯初次數值模擬采用與原有節流管匯相同的工況：井控壓力60MPa，泥漿流量為40L／s，在不同甲烷含量條件進行數值計算。甲烷氣體的壓縮因子為0.72，與計算流體域的空間尺寸和結構等相比對計算產生的影響相對較小，因此在設置邊界條件時可以忽略氣體的可壓縮性。由于防沖刺節流管匯的入口、出口等截面屬性沒有發生變化，所以入口、出口、壁面等邊界條件依然采用原有節流管匯結構數值模擬時的數值。邊界條件參數設定如下：

1）進口邊界進口邊界采用壓力入口。設定總壓（Total pressure）為60 MPa，入口邊界條件的湍流強度和長度尺度分別為6.59%和5.445 mm。入口的組分體積含量分別為甲烷20%，鉆井液80%。

2）出口邊界出口邊界采用質量流量出口。甲烷氣體的質量流量為7.17g／s，鉆井液的質量流量為43.2kg／s。

3）壁面邊界對于計算流體域的其他部分采用的邊界條件為光滑，無滑移的壁面邊界。

4）計算域的重力加速度和浮力參考密度設定整個計算域的重力加速度方向為圖2中z 軸方向；重力加速度大小為9.8m／s2。浮力參考密度取值為鉆井液的密度1.08g／cm3。

圖2 防沖刺管匯計算域網格模型

4 模擬結果

考慮到節流閥開度和氣液兩相流中甲烷氣體的含量對節流管匯的沖蝕情況具有很大的影響，因此主要對這2個參數進行模擬研究。

4.1 閥開度對流體速度的影響

圖3～4分別是防沖刺節流管匯在開度20%條件下其內部上側、下側、左側、右側4個壁面區域鉆井液和甲烷氣體的速度曲線。從4個區域上流體速度大小及分布情況可以看出，與閥芯上閥口對應的左壁面上仍然具有最大的回流速度，與之相反的右壁面上還是具有最大的正向速度。因此在對新型防沖刺節流管匯進行沖蝕研究階段，仍將左、右壁面作為可能引起沖蝕和刺漏的重點區域進行分析。

圖5～6分別為防沖刺節流管匯在開度20%條件下，水平面內鉆井液和甲烷氣體速度大小及方向。在小開度條件下流體經過節流閥后具有較高的初速度，進入防沖刺節流管匯后，高速流體沖蝕主要作用于管匯右側壁面上。但由于射流強度小，進入短節后衰減嚴重，幾乎完全被淹沒。因此，在短節內沒有形成有效的沖蝕。射流在管匯入口流道內產生了渦旋現象，左側壁面上仍為回流。且回流速度較大，具有一定的沖蝕性。

圖3 開度為20%時壁面上鉆井液速度分布

圖4 開度為20%時壁面上甲烷氣體速度分布

根據同樣的方法可以得到節流管匯改進前后閥開度分別在40%、60%、80%下特殊位置處的鉆井液和甲烷的沖蝕速度，如表1～2所示。從表中可以看出，隨著開度的增加，鉆井液和甲烷的最大沖蝕速率都在減小，左右兩側壁面的最大沖蝕速率也是呈減小的趨勢；并且可以看出防沖刺節流管匯中鉆井液和甲烷的速度在某一特定開度下都比原節流管匯的速度小，因此，該結構在一定程度上減小了節流管匯的沖蝕速率，提高了節流管匯的耐沖蝕性能。