新型返排管匯關(guān)鍵結(jié)構(gòu)液固兩相流沖蝕特性分析

李 申, 劉 洋, 姚方旭, 韓紫輝, 呂永偉

(1.長江大學(xué) 機械工程學(xué)院, 湖北 荊州 434023;2.國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司 油氣調(diào)控中心, 北京 100000)

引言

近年來,隨著常規(guī)油氣資源日漸衰竭,國內(nèi)外油氣承包商加大對非常規(guī)資源勘探的開發(fā)力度,非常規(guī)油氣開采中通常使用壓裂技術(shù),而在壓裂過程中,高壓流體中常常攜帶固體顆粒,因此,高壓管匯系統(tǒng)不僅承受較高內(nèi)壓,并受到流體中固體顆粒的沖蝕。其中高壓管匯系統(tǒng)中關(guān)鍵閥件受到?jīng)_蝕磨損影響較大,高壓攜砂液在節(jié)流處具有極高流速,使得關(guān)鍵閥件極易發(fā)生沖蝕失效,對現(xiàn)場作業(yè)造成安全隱患[1-2]。國內(nèi)外學(xué)者對節(jié)流閥進(jìn)行較多研究,分析了節(jié)流閥閥體的空化問題,研究發(fā)現(xiàn)閥門開度和下游擴口長度是閥體空化的主要原因,適當(dāng)提高背壓、保持閥門小開度可以抑制空化,其次增大流道傾角能增大流量系數(shù),也可有效降低空化對閥體的損傷[3-6]。PERINPASIVAM A等[7-8]通過仿真得出壓降影響流體射流形狀和撞擊區(qū)域,在閥門開度為50%時壓降和速度最低,侵蝕面積最大,侵蝕均勻分布在三個閥芯及其上下游之間,閥門在小開度下沖蝕遠(yuǎn)大于大開度。房鑫等[9-11]通過數(shù)值模擬對節(jié)流閥沖蝕進(jìn)行研究,結(jié)果表明節(jié)流閥出口處的振動數(shù)據(jù)可驗證節(jié)流閥閥芯在開度為10%左右的沖蝕程度,楔形節(jié)流閥最大沖蝕磨損位于閥芯楔形面頂部和軸向?qū)Я髅嬷虚g。曹陽等[12-13]采用仿真與實驗相結(jié)合的方式對比分析三種節(jié)流閥沖蝕規(guī)律,得出三種節(jié)流閥抗沖蝕能力從大到小依次為筒形閥、楔形閥、孔板閥。

以上研究對象主要涉及節(jié)流閥個體,而現(xiàn)場管匯結(jié)構(gòu)及布置較為復(fù)雜,管匯系統(tǒng)通常以多種閥件組裝完成,因此單個閥件的流場分析結(jié)果難以判斷整體管匯的流場特性,本研究以自主設(shè)計的新型返排管匯為對象,研究帶多沖蝕短節(jié)的管匯內(nèi)流場特性,探尋不同工況下關(guān)鍵閥件液固耦合沖蝕的影響規(guī)律,為返排管匯的設(shè)計和使用提供理論依據(jù)。

1 控制方程及沖蝕模型

為研究返排管匯整體及關(guān)鍵閥件兩相流沖蝕特性,本研究采用ANSYS Fluent對返排管匯內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬。流場成分為泥漿和顆粒,流場呈現(xiàn)連續(xù)湍流狀態(tài),且為三維黏性不可壓縮定常流。

1.1 數(shù)學(xué)模型

連續(xù)相控制方程[14]：

(1)

(2)

式中,ρ—— 連續(xù)相密度,kg/m3

u—— 瞬時速度矢量,m/s

p—— 壓力,MPa

g—— 重力加速度,m/s2

t—— 時間,s

SD—— 顆粒相對連續(xù)相作用的附加源項

(3)

式中,μ—— 黏度,Pa·s

I—— 單位張量

由于返排管匯內(nèi)部流場流動復(fù)雜,流場為強湍流流動狀態(tài),因此湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,而流道中顆粒流為低濃度形式,且顆粒相體積分?jǐn)?shù)小于10%,可采用DPM模型。在ANSYS中 Fluent通過積分粒子平衡力預(yù)測離散相粒子的軌跡,這種平衡力與作用在粒子上的力相等,可以寫成：

(4)

式中,mp—— 粒子質(zhì)量,kg

up—— 粒子瞬時速度,m/s

ρp—— 粒子密度,kg/m3

F—— 附加力,N

τr—— 液滴或粒子弛豫時間,s

計算方式：

(5)

式中,μ—— 黏度,Pa·s

dp—— 粒徑,m

Cd—— 曳力系數(shù)

Re—— 相對雷諾數(shù),定義為：

(6)

軌跡方程可通過離散時間步長的逐步積分來求解。粒子在軌跡上每個點的速度由式(6)中時間的積分得到,軌跡本身由下式預(yù)測：

(7)

注意,式(4)和式(7)是一組耦合的常微分方程,式(4)可以轉(zhuǎn)化為以下一般形式：

(8)

式中,τp—— 顆粒松弛時間,s

a—— 包括除阻力之外的所有其他力引起的加速度,m/s2

1.2 沖蝕模型

Fluent中定義的顆粒沖蝕磨損模型形式為[15]：

(9)

式中,C(dp) —— 與顆粒直徑相關(guān)的函數(shù)

b(up) —— 與顆粒碰撞速度相關(guān)的函數(shù)

Aface—— 壁面計算單元的面積,m2

Nparticles—— 在單元面積上發(fā)生碰撞的顆粒數(shù)目

R—— 沖蝕磨損率,kg/(m2·s)

本研究取顆粒直徑函數(shù)為1.8e-9,速度指數(shù)為2.6,沖擊角函數(shù)采用分段插值方法,函數(shù)值如表1所示。

表1 沖擊角函數(shù)值Tab.1 Impulse angle function values

在顆粒沖蝕中,用恢復(fù)系數(shù)定義粒子在壁面反彈前后的動量變化,采用碰撞模型進(jìn)行描述：

(10)

式中,α—— 沖擊角,(°)

εT—— 切向恢復(fù)系數(shù)

εN—— 法向恢復(fù)系數(shù)

2 仿真模型及網(wǎng)格劃分

2.1 流場模型的建立

現(xiàn)有返排管匯通常配備一個防刺短節(jié),而新型返排管匯分別在固定閥及楔形閥出口處設(shè)置防刺短節(jié),該新型返排管匯具有多級降壓功能,固定閥和節(jié)流閥可以逐級調(diào)節(jié)流體流量,并減小流體壓力,兩級防刺緩沖裝置可以改變流體的流場, 對高速流體具有緩沖作用,減少流體對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的沖蝕,圖1為新型返排管匯結(jié)構(gòu)圖。

圖1 返排管匯結(jié)構(gòu)圖

為減少計算時間,對新型返排管匯內(nèi)流場模型進(jìn)行簡化處理,消除倒角等特征,考慮管匯流場復(fù)雜性,整體采用四面體網(wǎng)格劃分,并在固定閥和楔形閥處進(jìn)行局部加密,圖2為管匯內(nèi)流場網(wǎng)格劃分結(jié)果。為得到合理的計算結(jié)果且不影響計算精度,進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證,其結(jié)果如圖3所示,從圖中可以得出,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目達(dá)到530萬時,返排管匯的沖蝕區(qū)域穩(wěn)定。

圖2 流場模型及網(wǎng)格模型

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

2.2 邊界條件

返排管匯內(nèi)部液體為鉆井液,其密度為1080 kg/m3,黏度為0.012 Pa·s。采用速度入口,流速為4.5 m/s,出口為自由流出,離散相顆粒為沙粒,密度為2650 kg/m3。采用面入射,入射速度與流體相同,質(zhì)量流量為1.4 kg/s,計算時整個管匯臥置于地面上,在z軸負(fù)方向上施加9.81 m/s2的重力加速度。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 流場數(shù)值模擬結(jié)果

由于現(xiàn)場管匯內(nèi)流場在固定閥和楔形閥處變化劇烈,本節(jié)重點對該位置流場進(jìn)行分析。楔形閥以閥芯行程為度量單位,每5 cm為一個單位,總行程為50 cm。固定閥的孔徑分別為15 cm和20 cm。圖4為固定閥孔徑為15 cm、楔形閥開度ζ為20%時管匯內(nèi)流場速度云圖,圖5為不同開度下節(jié)流閥及固定閥流場速度云圖。如圖4所示,當(dāng)鉆井液以4.5 m/s的速度進(jìn)入固定閥時,由于固定閥處流道急劇減小,使鉆井液流速從4.5 m/s急劇上升至106 m/s,導(dǎo)致鉆井液以高速射流狀流出固定閥,此后流體經(jīng)過楔形閥進(jìn)行第二次節(jié)流,由于楔形閥處于小開度,閥芯處流速進(jìn)一步上升,最后達(dá)到206 m/s,即為流場最大速度,隨后流場速度減小。隨著楔形閥開度增大,楔形閥處最大流速不斷減小,開度從20%增加到80%時,流體速度由204 m/s降至28 m/s。此外,當(dāng)固定閥孔徑D為20 mm時,固定閥處流速由106 m/s下降到60 m/s,結(jié)果表明防刺短節(jié)可以減緩流體流速,避免高速流體對關(guān)鍵閥件及下游管壁的沖蝕。

圖4 返排管匯速度云圖

圖5 不同開度下節(jié)流閥速度及固定閥速度

圖6為楔形閥和固定閥內(nèi)部流場流線圖,當(dāng)楔形閥開度20%時,楔形閥左側(cè)且靠近閥孔位置出現(xiàn)小漩渦,該漩渦會加劇閥孔處的沖蝕。在楔形面上,出現(xiàn)兩個以中心軸相對稱的漩渦,導(dǎo)致流體全部從楔形面中間流通,造成中心處沖蝕磨損增大,這與實際沖蝕位置相吻合。在楔形閥閥芯下方形成一個較大漩渦,該漩渦引起閥芯劇烈振動,會導(dǎo)致閥芯失效甚至斷裂。通過固定閥處流線可以看出,鉆井液從入口方向流入時,主要以漩渦狀從固定閥流到下游流道,使得孔內(nèi)單側(cè)流速遠(yuǎn)大于另外一側(cè)。

圖6 楔形閥和固定閥處速度跡線圖

圖7為節(jié)流速度、壓降和開度的關(guān)系曲線,從圖中可以看出,當(dāng)楔形閥開度較小時,節(jié)流閥開度變化對閥芯處速度影響較大,當(dāng)節(jié)流閥開度大于40%時,兩者呈現(xiàn)線性關(guān)系?？傮w來看,節(jié)流速度和節(jié)流壓降整體呈現(xiàn)線性關(guān)系,控制精度較高。綜上所述,當(dāng)固定閥孔徑為15 mm,楔形閥開度小于30%時,返排管匯主要由楔形閥起節(jié)流作用,而當(dāng)開度大于30%時,固定閥起到節(jié)流作用。

圖7 節(jié)流速度、節(jié)流壓降和開度的關(guān)系

圖8為固定閥孔徑為15 cm、楔形閥開度為20%時的壓力云圖。如圖所示,流體從入口到固定閥進(jìn)口端,壓力較穩(wěn)定,當(dāng)流體通過固定閥后,壓力下降9.8 MPa,表明管道出口處兩側(cè)流道內(nèi)徑縮小是壓力下降的主要原因。而在楔形閥處,由于流道急劇減小,流速增加,導(dǎo)致壓力減小25 MPa,且在節(jié)流閥流場左側(cè)出現(xiàn)負(fù)壓區(qū),負(fù)壓值為-54 MPa,而后整個出口處壓力維持在-35 MPa。圖9為不同開度下節(jié)流閥壓力云圖,隨著節(jié)流閥開度增加,閥孔處負(fù)壓范圍也不斷減小。另外,當(dāng)固定閥孔徑為20 mm時,流體壓力差較孔徑為15 mm時減小。

圖8 返排管匯整體壓力云圖

圖9 不同開度下節(jié)流閥壓力及固定閥壓力云圖

3.2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)沖蝕分析

由3.1節(jié)分析可知,管匯內(nèi)流場速度和壓力變化較大區(qū)域均在固定閥和節(jié)流閥處,因此本節(jié)仍研究管匯系統(tǒng)關(guān)鍵閥件的沖蝕規(guī)律。圖10為楔形閥不同開度下沖蝕云圖,在小開度時,沖蝕主要集中在楔形面頂端以及軸線處。當(dāng)開度為20%～60%時,隨著開度增加,楔形面沖蝕區(qū)域逐漸增大,但最大沖蝕率下降;當(dāng)開度為20%時,此區(qū)域最大沖蝕率為3.5188 kg/(m2·s);當(dāng)開度為60%～80%時,此區(qū)域沖蝕減弱,最大沖蝕率為0.0048 kg/(m2·s)。隨著開度增加,楔形面和導(dǎo)流面的交界處出現(xiàn)較大沖蝕,楔形閥在20%開度時沖蝕速率約為50%時的100倍。因此,在管匯工作過程中,應(yīng)合理調(diào)節(jié)閥門開度。

圖10 不同開度下楔形閥的沖蝕云圖

圖11為固定閥沖蝕云圖,由于固定閥處流速穩(wěn)定,固定閥孔徑為15 mm時,固定閥沖蝕率為0.24 kg/(m2·s),沖蝕區(qū)域主要集中在進(jìn)口處,且呈點狀分布。當(dāng)固定閥孔徑增大到20 mm時,沖蝕速率急劇下降,且沖蝕面積減少。在返排管匯中,由于楔形閥處流道隨著開度在不斷變化,使得節(jié)流速度也在不斷變化,故該處沖蝕率不斷變化。而固定閥處沖蝕率沒有變化。綜上分析可知,在固定閥孔徑為15 mm時,當(dāng)楔形閥開度低于30%時,楔形閥易沖蝕,當(dāng)楔形閥開度大于30%時,固定閥易沖蝕,在實際生產(chǎn)中,應(yīng)避免楔形閥處于小開度狀態(tài)。

圖11 不同孔徑固定閥的沖蝕云圖及局部放大圖

3.3 不同工況對閥件沖蝕速率的影響

圖12為楔形閥不同工況下沖蝕規(guī)律,由圖可知,楔形閥開度低于30%時,沖蝕速率較大。且隨開度改變,沖蝕率變化較大。而當(dāng)楔形閥開度大于30%時,沖蝕率與開度呈線性關(guān)系,且隨開度變大,沖蝕率減小。如圖12a所示,隨速率增大,沖蝕速率增大,當(dāng)開度20%時,流速越大,沖蝕速率增長越快。如圖12b所示,隨著質(zhì)量流量增大,沖蝕速率增大,當(dāng)20%開度時,質(zhì)量流量由0.9 kg/s變化到1.4 kg/s時,沖蝕率變化量為1.6 kg/(m2·s),質(zhì)量流量從1.4 kg/s變化到2.9 kg/s時,沖蝕率變化量為2.4 kg/(m2·s),可見質(zhì)量流量越小,顆粒數(shù)目的改變對沖蝕的影響變大。如圖12c所示,顆粒直徑從0.05 mm增大到0.25 mm時,沖蝕率先增大后減小。而當(dāng)顆粒直徑大于0.1 mm時,顆粒動能增加,但顆粒與壁面碰撞面積減小,沖蝕率減小。綜上分析可知,相較于質(zhì)量流量和顆粒直徑,流速對沖蝕率的影響較大。

圖12 不同工況下楔形閥沖蝕規(guī)律

圖13為固定閥在不同工況下沖蝕規(guī)律,如圖13a所示,隨著流速增大,沖蝕率增大,且6 m/s之后流速對沖蝕率影響程度大于之前流速對沖蝕率影響。如圖13b所示,隨著質(zhì)量流量增加,沖蝕率不斷增大,且整體呈線性關(guān)系。如圖13c所示,隨著顆粒大小增大,沖蝕率減小,表明顆粒直徑越大,顆粒越重,流體對顆粒攜帶作用越低,且顆粒和壁面碰撞面積也隨之減小。

圖13 不同工況下固定閥沖蝕規(guī)律

3.4 防刺短節(jié)對關(guān)鍵閥件沖蝕規(guī)律的影響

本節(jié)建立了管匯系統(tǒng)加裝短節(jié)與無短節(jié)模型,取楔形閥出口端4個壁面速度進(jìn)行對比分析。如圖14所示,當(dāng)固定閥孔徑為15 mm,且楔形閥開度為50%時,在固定閥流道內(nèi), 流體速度由118 m/s降至106 m/s,楔形閥處流體速度由60 m/s降低至51 m/s,計算結(jié)果表明加裝防刺短節(jié)可以有效降低返排管匯流場速度。

圖14 固定閥與楔形閥流場速度云圖

取下游出口處上側(cè)壁面為wall-1、下側(cè)壁面為wall-2、前壁面為wall-3、后壁面為wall-4,其距離出流道的距離以y表示。如圖15b所示,節(jié)流閥下側(cè)壁面速度最大。結(jié)合圖6流場跡線,對比圖15a和圖15b發(fā)現(xiàn),當(dāng)上側(cè)壁面速度增加,在閥芯底部存在一個漩渦,閥芯底部速度變小,加裝防刺短節(jié)減少流體對壁面的沖蝕。

圖15 楔形閥流道軸向距離不同壁面速度曲線

4 結(jié)論

本研究針對新型返排管匯進(jìn)行了液固兩相流分析,主要得出以下結(jié)論：

(1) 返排管匯中,固定閥和楔形閥均可以起到節(jié)流作用,當(dāng)固定閥孔徑為15 mm,楔形閥開度低于30%時,楔形閥處節(jié)流速度大于固定閥處流體速度;開度大于30%時,固定閥處的流體速度較大,且隨開度增大,楔形閥節(jié)流面積增大,使流體速度減小,負(fù)壓區(qū)也減小;

(2) 管匯中沖蝕區(qū)域主要集中在固定閥和楔形閥處,當(dāng)節(jié)流閥開度低于30%時,沖蝕主要集中在楔形閥閥芯導(dǎo)流面上部,且導(dǎo)流面軸心處沖蝕最大;節(jié)流閥開度大于30%時,固定閥沖蝕率大于節(jié)流閥。固定閥沖蝕率較穩(wěn)定,而楔形閥沖蝕率受開度影響較大;

(3) 在不同工況下,速度對關(guān)鍵閥件沖蝕影響最大,其次是質(zhì)量流量,顆粒大小影響最小。并且流速和質(zhì)量流量的增大均會使管匯的沖蝕速率增大,而顆粒大小的增大使固定閥處沖蝕率逐漸減小,楔形閥處沖蝕率也呈現(xiàn)先增大后減小趨勢;

(4) 通過對楔形閥出口處管壁沖蝕定量分析,位于節(jié)流閥左側(cè)壁面速度最大,在實際生產(chǎn)中,該位置經(jīng)常受到流體沖蝕而失效,加裝防刺短節(jié)能夠有效降低流體流速,減緩壁面沖蝕。