王興義，魏凱，馬龍，方瓊瑤，嚴梁柱，宋波凱，馬金山

(1.長江大學油氣鉆采工程湖北省重點實驗室，湖北武漢 430100；2.中國石油東部井控應急救援響應中心，天津 300280；3.中國石化勝利油田分公司孤島采油廠，山東東營 257231)

0 前言

控壓鉆井技術能夠有效控制井筒液柱壓力剖面，達到安全、高效鉆井，降低成本，縮短非生產(chǎn)時間的效果，顯著改善石油開采水平。節(jié)流閥是控壓鉆井系統(tǒng)最為關鍵的裝備之一，在井噴事故發(fā)生后，需要利用節(jié)流閥長時間對井內流體進行節(jié)流和壓力控制，要求節(jié)流閥有較強的線性控壓與抗沖蝕能力。但在閥門的節(jié)流作用下，閥門下游極易產(chǎn)生漩渦、回流、二次流等不穩(wěn)定渦流結構，這些復雜流動狀態(tài)的產(chǎn)生和發(fā)展是導致閥門運行失效的主要內在因素之一。

目前，控壓鉆井技術選用節(jié)流閥大部分是流動介質為固液混合物的閥門，但國內外研究者主要從流體流動特性角度對其內部流動進行深入研究。范紅康等通過對常用節(jié)流閥的管內流體及顆粒物穩(wěn)態(tài)流動性能進行二維數(shù)值模擬，系統(tǒng)分析了節(jié)流閥閥芯的相對位置和閥芯的厚薄程度等因素對于對流體的流速、壓力的影響；楊友勝等利用數(shù)值模擬技術對單噴嘴止回閥內部的流體特征展開深入研究，并通過對不同湍流模式下的穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結果與實測結果進行了比較分析，提出湍流模式可以較為準確地描述閥內的流體狀況；孔祥偉等重點分析閥門開度和進口速度對閥門內部以及閥后流動形態(tài)、空化性能等流動特征的影響。

考慮到當前平板節(jié)流閥難以線性控壓與沖蝕嚴重等問題，本文作者提出了“盾牌形”節(jié)流閥閥孔形狀，并采用計算流體力學方法對所優(yōu)化的新型直通式平板節(jié)流閥進行了仿真分析，研究節(jié)流閥流場特征及沖蝕特性，并根據(jù)仿真結果對“盾牌形”閥板形狀進行了優(yōu)化。所形成的節(jié)流閥開度壓降特性曲線線性程度較高，沖蝕影響較小，提高了該閥在控壓鉆井中的應用效果。

1 平板節(jié)流閥控制模型的建立

1.1 平板節(jié)流閥物理模型的建立

通過調研國內外文獻發(fā)現(xiàn)，超過90%的平板節(jié)流閥閥板、閥座表面易遭受侵蝕，原因是節(jié)流閥高壓驅動的流體是固液混合物，以較高壓力從井底噴出，當流體通過節(jié)流閥時，隨著流動面積急劇收縮使流動速度進一步增大、沖蝕加劇。本文作者對油田目前在用節(jié)流閥進行了數(shù)值模擬，其結構示意如圖1所示。

圖1 直通式平板節(jié)流閥示意圖及現(xiàn)場閥座沖蝕圖[5]

根據(jù)理論分析可知，閥板處會形成高速流體并對閥板、閥座產(chǎn)生沖蝕破壞，同時閥座后端的漩渦也影響了閥門的調控特性。為了降低高速沖蝕破壞，同時又提高平板節(jié)流閥的壓降控制精度，本文作者分析得出壓降梯度的變化與過流面積相關，且超過40%開度下節(jié)流閥兩端流體壓降較小可忽略不計。油田在用的圓形閥孔開度在20%～40%時面積變化梯度較大導致流體壓降變化不能被精確控制，對閥板做了結構改進設計，閥孔設計為盾牌形。本文作者以通徑為103 mm的直通式平板節(jié)流閥為研究對象進行數(shù)值模擬研究，閥板結構如圖2所示。

圖2 盾牌形閥板示意

由于節(jié)流過程涉及固液兩相(不考慮氣相影響)在節(jié)流閥中的流動，因此揭示兩相的流動過程是分析控壓鉆井節(jié)流閥節(jié)流效率的基礎。為了提高控制模型的適應性，將固相顆粒均勻地分散在流體中，并將模型進行簡化。

假設條件：(1)節(jié)流閥內部流體為均勻兩相流；(2)模型流動采用穩(wěn)態(tài)模型；(3)忽略流體壓縮性。

1.2 流體流動控制方程

實際流體具有黏性，但在它流動時，因為流體與邊界的碰撞、流體與流體之間的碰撞而形成摩擦力；同時，因為某些局部裝置受到了流體流動的影響而形成附加摩擦力，使流體所具有的能量從局部裝置處突然下降。這些因克服阻力所損失的動能變成了熱量而逐漸流失。所以，當實際流體沿流束流動時，沿流體方向總比性能是越來越小的。據(jù)此，在直通式平板節(jié)流閥內部流動時采用Navier-Stokes模式描述上述流體的流變性能更加符合現(xiàn)場實際：

(1)

式中：為流體密度，kg/m；為動力黏度，Pa·s；為重力加速度，m/s；為流體壓力，Pa；為流體速度，m/s。

1.3 顆粒沖蝕模型

在節(jié)流閥的實際工作下，由于介質流體中不但有液體，而且還存在部分固相顆粒，為分析控壓式鉆井節(jié)流閥中的沖蝕磨損從而得出沖蝕較為嚴重部位，對節(jié)流閥進行固液兩相流沖蝕的模擬分析。MCLAURY提出一種預測水中砂沖蝕率的模型，該模型主要用于模擬泥漿侵蝕過程中的侵蝕速率，與本文作者所研究內容吻合。MCLAURY沖蝕率表示為

(2)

式中：為經(jīng)驗常數(shù)，無量綱；為顆粒沖擊速度，m/s；為壁面材料的布氏硬度；為指數(shù)，無量綱(鋼：=-0.59)。

沖擊函數(shù)()定義為

()=+≤

(3)

()=cossin()+sin()+>

(4)

式中：顆粒碰撞速度假定為10 m/s。

2 數(shù)值求解

2.1 劃分網(wǎng)格

通過CFD軟件對平板節(jié)流閥壓降與沖蝕過程進行數(shù)值模擬。圖3為簡化平板節(jié)流閥模型后的網(wǎng)格劃分示意。采用ICEM CFD結構化網(wǎng)格劃分，考慮到過流斷面處流體參數(shù)變化劇烈，對該處的網(wǎng)格進行加密處理，以捕捉細致的幾何特征，提高模型收斂性與精度。

圖3 節(jié)流閥網(wǎng)格劃分示意

節(jié)流閥由于斷面突然收縮參數(shù)發(fā)生急劇變化，橫向壓力梯度大，會出現(xiàn)漩渦、反彈等情況。為了直觀地反映沖蝕情況，假設節(jié)流閥內部流體滿足連續(xù)性介質模型，流體介質采用砂水混合物模擬現(xiàn)場泥漿。

2.2 定解條件

根據(jù)建立的數(shù)學模型并結合簡化方案，可以確定相應的定解條件如下：

(1)初始條件

模型內部位置充滿砂水混合物，顆粒質量流量為氣體質量流量的0.5%，此條件下固體顆粒體積濃度小于10%，符合CFD中離散相模型的要求，節(jié)流閥所處空間的大氣壓力為，所處空間的初始溫度為。

(2)邊界條件

模型左側為入口，設置為速度邊界：

(5)

式中：為入口截面平均流速，m/s；為砂水混合物流量，m/s；為入口截面面積，m。

模型右側為出口，設置為自由出口壓力邊界。

3 結果與分析

通過模擬分析，優(yōu)化了閥板關鍵參數(shù)，如表1所示，并對優(yōu)化后的閥的壓力場、沖蝕特性等進行了分析。

表1 通徑103 mm直通式平板節(jié)流閥各項參數(shù) 單位:mm

31 壓降特征

參考現(xiàn)場研究，選擇入口處的砂水混合物速度為42(節(jié)流閥的直徑為103時，體積流量為35)這一工況時，分別計算開度為20、22、24、26、28、30、32、34、36、38、40下節(jié)流閥兩端壓差大小。盾牌形、圓形及現(xiàn)場壓降如圖4所示。

圖4 節(jié)流閥壓降隨開度變化示意

由圖4可知：采用數(shù)值仿真模擬所得的圓形壓降隨開度變化曲線與油田現(xiàn)場所得實際壓降曲線變化趨勢相同，且相同開度下壓降值接近，則說明數(shù)值仿真技術用于文中研究效果較好。當節(jié)流閥閥孔形狀為盾牌形時，其內部壓降如圖4所示。20開度下節(jié)流閥兩端壓降為1242，隨著開度的增大節(jié)流閥線性程度可達8814，滿足現(xiàn)場控壓鉆井精確控壓的要求。

32 顆粒流動及沖蝕特征

為了研究閥孔形狀對節(jié)流閥沖蝕磨損的影響，分別對盾牌形閥孔的平板節(jié)流閥的磨損進行了分析。其沖蝕特征如圖5所示。

圖5 盾牌形節(jié)流閥沖蝕特征

在顆粒的沖擊下節(jié)流閥閥板的前后表面和閥體內部腔表面存在較大的磨損。閥體內腔磨損分布都較為混亂，但是磨損最嚴重的區(qū)域都在壁面交界區(qū)域。

圖6所示為不同開度下顆粒分布和速度分布。

圖6 不同開度下的顆粒分布和速度分布

(1)在直通式平板節(jié)流閥進口處及左邊流道內速度方向幾乎平行，速度大小不變，可知泥漿在該段是平穩(wěn)的。當流體經(jīng)過閥口時，截流面積發(fā)生變化導致流線開始收縮，速度大小與方向都發(fā)生明顯變化，在閥芯與管道相連接的部位出現(xiàn)了一個局部的高流速區(qū)。隨著閘閥開度的逐漸減小，顆粒速度逐漸增大。由圖6可知：開度從40變小時，顆粒最大速度顯著增大。其原因是流道的突然改變促使閘板底部的高速射流增大，進而帶動了顆粒最大速度的增長。

(2)閘板前后壁面頂部顆粒量比較少，速度也非常小。其原因主要有兩個方面：①在重力的作用下，液體攜帶能力不足以帶動全部顆粒充滿整個流道；②閥板的阻擋作用使這些位置存在大小不同的渦流，降低了液體在這些位置的速度，進而導致顆粒速度的進一步降低。

(3)在閘板的阻擋作用下，顆粒與閥板前壁面的碰撞反彈數(shù)量隨著閥門開度的減小而增加，但是大部分顆粒都能順利通過閥門結構，進入下游管道。

(4)無論節(jié)流閥處于哪種開度，槽道內都存在一個渦流，帶動顆粒在槽道內運動。雖然隨著開度的減小，凹槽內的顆粒數(shù)量逐漸增大，但是顆粒在凹槽內的總運動趨勢還是受到渦流的控制。

4 結論

(1)針對控壓鉆井節(jié)流閥壓降梯度大、沖蝕較強等問題，采用數(shù)值仿真模擬方法研究油田常用的直通式平板節(jié)流閥，并與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行對比驗證，所得壓降曲線與現(xiàn)場實際相符；

(2)建立了較高精度的直通式平板節(jié)流閥流體模型，以常用103閥體為例，對閥板做了結構改進設計，閥孔設計為盾牌形，其閥孔分為3段：第一段為515的半圓，第二段為103×365的長方形，第三段為長軸103、短軸30的半橢圓。通過數(shù)值模擬方法獲得了節(jié)流閥壓降曲線、沖蝕位置以及固相顆粒流動情況。且開度在20～40情況下，盾牌形閥板所產(chǎn)生的壓降曲線線性度達到8814、沖蝕速率較小、固相顆粒對壁面的碰撞較弱；

(3)由于數(shù)值模擬所選用的固體顆粒為砂礫，這與實際鉆井過程存在差異，并且在實際鉆井過程中固體顆粒比例存在隨機性，所以數(shù)值模擬所獲壓降曲線、蝕痕位置、大小等數(shù)據(jù)與實際控壓鉆井可能存在一定差異，在后續(xù)數(shù)值模擬實驗中作者將改變顆粒大小及顆粒所占比例，以更符合現(xiàn)場的情況。