基于CFD的直板式節(jié)流閥壓降特性研究

魏立明，李偉華，王興義，呂曉樂，胡友文，吳鑫磊，陳華龍，魯鄭

(1. 中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司 管具與井控技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300280；2. 大慶鉆探工程公司 國際事業(yè)部，黑龍江 大慶 163000; 3. 長江大學(xué)，湖北 武漢 430100)

0 引言

在石油開采中節(jié)流閥起著重要作用，是節(jié)流管匯的核心零件[1]，主要由閥芯、閥座、閥體和密封膠筒等組成，通過調(diào)整閥芯和閥座位置可以改變節(jié)流閥的開度，繼而控制管道單位時間內(nèi)流過的流體流量，使井下生產(chǎn)保持較為理想的壓力環(huán)境，防止井噴等事故，達(dá)到安全生產(chǎn)的目的[2]。

根據(jù)不同的閥芯形狀，節(jié)流閥可以分為楔形、孔板形、圓柱形、針形等類型。楔形節(jié)流閥應(yīng)用較多[3-4]。目前，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對鉆井過程中節(jié)流閥的沖蝕等問題，通過數(shù)值仿真與實際施工情況對比的方式進(jìn)行相關(guān)研究[5]。OSHIMA S等[6]分別針對外流和內(nèi)流兩種不同結(jié)構(gòu)形式的節(jié)流閥，采用氣體實驗的方法進(jìn)行研究，并對水壓和油液條件下的實驗結(jié)果作了對比分析?？偨Y(jié)出在假設(shè)其他條件不變情況下，節(jié)流口處不同壓差條件質(zhì)量流率變化、流量系數(shù)變化以及閥芯上壓力分布等曲線圖。郭衍茹等研究了某型節(jié)流閥在不同開度下的內(nèi)部流場情況，利用數(shù)值模擬，得到了不同開度下含砂氣體對節(jié)流閥的沖蝕情況[7]。張祥來等[8]對井控節(jié)流閥的沖蝕機(jī)理進(jìn)行了進(jìn)一步研究并優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，定性地研究了楔形節(jié)流閥現(xiàn)場容易產(chǎn)生沖蝕的原因，并對楔形節(jié)流閥進(jìn)行優(yōu)化，降低流體對節(jié)流閥的沖蝕。武存喜[9]對控壓鉆井節(jié)流閥的閥芯進(jìn)行了重新設(shè)計，修正了閥芯表面的數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)在不同開度下節(jié)氣門壓力隨閥門開度成近似線性變化的關(guān)系。余朋偉等[10]利用CFD的流場分析并進(jìn)行參數(shù)計算后，對深水領(lǐng)域的閥門進(jìn)行研究，設(shè)計出一種籠套式閥芯結(jié)構(gòu)，能夠有效降低閥芯磨損，提高產(chǎn)品壽命。宋保健等[11]主要研究楔形節(jié)流閥的沖蝕磨損情況，運用兩相流計算流體動力學(xué)，建立了流體攜巖沖蝕楔形節(jié)流閥的仿真模型。

目前，針對節(jié)流閥的沖蝕磨損損傷問題(特別是楔形節(jié)流閥)的研究已經(jīng)比較深入，但是前人的研究內(nèi)容比較單一，有關(guān)節(jié)流閥的速度、壓降規(guī)律等方面仍然有進(jìn)一步研究的必要。因此本文對恒定流速下直板式節(jié)流閥進(jìn)行數(shù)值模擬，利用Fluent流體仿真軟件，研究恒定流速下直板式節(jié)流閥不同長度閥芯的壓降曲線、流場分布特征、速度變化情況，揭示了恒定流速下直板式節(jié)流閥的壓降曲線近似呈線性規(guī)律，為實際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 直板式節(jié)流閥數(shù)值模擬仿真模型

1.1 建立仿真模型結(jié)構(gòu)

為了方便模擬，在合理的范圍內(nèi)優(yōu)化節(jié)流閥的閥芯形狀，采用平板式節(jié)流閥，閥芯通道采用“類橢圓形”結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 平板式節(jié)流閥閥板形狀示意圖

閥芯用挖空的板代替，挖空的形狀為“類橢圓形”，即下半部分是一個半圓，結(jié)合渤海鉆探的生產(chǎn)實際工況，半圓直徑取103mm；上半部分是半個橢圓，與半圓交接的短軸為103mm，“類橢圓形”長軸取值分別為120mm、130mm、140mm、150mm。針對于井下生產(chǎn)實際，開度一般控制在20%～40%之間。本次數(shù)值模擬以2%為一個差值，開度取值分別為21%、23%、25%、27%、29%、31%、33%、35%、37%、39%，再根據(jù)4組不同的長軸值，對每組10個開度進(jìn)行數(shù)值模擬，得出直板式節(jié)流閥的相關(guān)規(guī)律?！邦悪E圓形”結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中短軸為103mm，長軸為150mm。

圖2 類橢圓形示意圖

1.2 湍流模型

井下管道的流動情況比較復(fù)雜，依據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可以分為很多類型，通常根據(jù)流體雷諾數(shù)的大小，將流體分為層流和湍流兩類，其中湍流指的是流體雷諾數(shù)超過臨界值時(一般圓柱管道中臨界值取2000)，流體流動出現(xiàn)不規(guī)則的多尺度流動狀態(tài)[12-14]。流體質(zhì)點在管道中流動方向無法確定，管道中有旋渦產(chǎn)生。

數(shù)值模擬時選用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型(標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型)進(jìn)行流場分析，以滿足模擬要求。其中κ是流體的湍流動能，表示速度的波動變化，其值越大表明湍流脈動長度和時間尺度越大，而ε為湍流動能耗散，表示速度波動耗散的速率，其值越大意味著湍流脈動長度和時間尺度越小，這兩個量存在一定的相互制約關(guān)系[15]。

連續(xù)性方程可以表示為

(1)

動量守恒方程可以表示為

(2)

湍流模型可以表示為：

(3)

ηt=cuρk2/ε

(4)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；u為流體速度，m/s；ηt為湍流黏度，kg/(ms)；ε為耗散率，m2/s3；k為湍流動能，m2/s2；t為時間，s；cu=0.09；c1=1.14；c2=1.92，σi=1，σt=1.3，為常數(shù)。

1.3 仿真邊界條件設(shè)置

對“類橢圓形”直板式節(jié)流閥進(jìn)行Fluent模擬，實際流體的密度是1.155 g/cm3，黏度是23MPa·s，下面設(shè)置入口邊界條件、出口邊界條件和管道條件。

1)入口邊界條件

節(jié)流閥入口采用恒定速度入口邊界(Velocity-lnlet)，適合不可壓縮流體，入口可以定義流體和顆粒的速度大小及方向[16]。在渤海鉆探生產(chǎn)實際中，入口處每秒流過35 L的流體，而管道直徑為103mm，換算得到入口流速設(shè)置為4.2m/s，方向垂直于管道端面。

2)出口邊界條件

節(jié)流閥出口采用出口邊界(outlet)，確保流體流動方向任意，不人為限制[17-18]。流動出口的速度在模擬中不需要設(shè)定，根據(jù)模擬的情況得到模擬的出口流體速度。只設(shè)置出口為出流邊界條件時，其出口的壓強(qiáng)為0.1MPa。

3)管道邊界條件

對于井下管道，選取標(biāo)準(zhǔn)壁面邊界條件(wall)，假定壁面光滑無瑕疵，對流體中的小顆粒沖擊壁面時的反彈忽略不計。正常井下作業(yè)時，節(jié)流閥位于管道中，左端是流體入口管道，右邊是出流管道。使用三維建模軟件，對模型進(jìn)行實體建模，導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行分析，對整個模型進(jìn)行設(shè)置并劃分網(wǎng)格。

2 直板式節(jié)流閥數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 速度分析

當(dāng)節(jié)流閥在井下工作時，流體在管道中的流動情況比較復(fù)雜，對開度均為21%，長軸分別為120mm、130mm、140mm、150mm直板式節(jié)流閥的管道截面速度進(jìn)行分析，管道截面速度如圖3所示。

圖3 不同軸長的管道截面云圖

由圖3可知，管道右下方(即靠近節(jié)流閥入口處)速度較大。管道上方的流體受到重力的影響，會擠壓下方的流體并向下流動，最下方的流體速度一般大于上方流體速度。在開度相同時，隨著平板式節(jié)流閥閥芯長軸長度的增加，管道截面的最大流速有下降的趨勢。

2.2 壓降分析

設(shè)置開度為21%，對整個模型的壓降圖進(jìn)行分析，圖4為長軸長度為120mm時的壓降圖，圖5為長軸長度為150mm時的壓降圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，在相同的開度下，壓降的圖像基本相同，隨著節(jié)流閥長軸長度的增加，壓降有所下降。因為長軸越長，單位時間內(nèi)管道與節(jié)流閥之間通過的流體越少，導(dǎo)致壓降降低；開度越大，壓降隨長軸長度降低的曲線越來越平緩，也就是說壓降不會隨著開度的增加而無限降低，到了一定數(shù)值后壓降趨于穩(wěn)定。

圖4 長軸長度為120mm的壓降圖

圖5 長軸長度為150mm的壓降圖

2.3 線性程度分析

利用Fluent軟件，對“類橢圓形”長軸分別取120mm、130mm、140mm、150mm進(jìn)行分析，每組還是以2%為差值，得到不同長軸下的4條曲線，開度-壓降圖如圖6所示。

圖6 開度-壓降圖

由圖6可知，對于圖6(a)，實際壓降曲線與壓降模擬曲線的線性程度為87.53%；對于圖6(b)，實際壓降曲線與壓降模擬曲線的線性程度為84.91%；對于圖6(c)，實際壓降曲線與壓降模擬曲線的線性程度為84.93%；對于圖6(d)，實際壓降曲線與壓降模擬曲線的線性程度為84.93%。當(dāng)長軸長度為130mm、140mm、150mm時，線性程度均<85%，而當(dāng)長軸長度取120mm時，線性程度達(dá)到了87%以上。在中石油渤海鉆探的鉆井實際施工現(xiàn)場，由于線性程度不高，無法較為精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)節(jié)流閥的流量大小，而根據(jù)數(shù)值模擬，對于井下的節(jié)流閥控制，將節(jié)流閥采用“類橢圓形”閥芯，且長軸長度設(shè)計為120mm，提高了2%的線性度，具有較高的工程實際作用，對于實現(xiàn)出口處管道的壓降線性調(diào)節(jié)具有重要意義。

3 結(jié)語

1)井下節(jié)流閥的管道流體在流動時，最下方的流體速度一般大于上方流體速度。在相同的開度下，隨著平板式節(jié)流閥閥芯長軸長度的增加，管道截面最大流速有下降的趨勢。

2)通過數(shù)值模擬可知，節(jié)流閥開度一定時入口管道中的流速基本保持恒定，在進(jìn)入節(jié)流閥時，存在一個速度上升區(qū)域，流體速度有明顯的增加，而在節(jié)流閥的軸線下方速度會下降，在節(jié)流閥右側(cè)與出流管道聯(lián)通處，速度達(dá)到最大值。流體從出流管道流向下一管道時，速度平穩(wěn)下降，直到趨于穩(wěn)定。

3)在開度一定的情況下，隨著節(jié)流閥閥芯長軸長度的增加，壓降逐漸減小，但是在實際鉆井中，節(jié)流閥閥芯長度的調(diào)節(jié)范圍不大，壓降不會出現(xiàn)明顯的“斷崖式”下降情況；當(dāng)開度變化時，開度越大，壓降的曲線越來越平緩，故壓降不會隨著開度的增加而無限降低，到了一定數(shù)值后壓降趨于穩(wěn)定，基本不再變化。