摘要：直井測斜儀在井下惡劣環(huán)境中流場特性復(fù)雜，尤其閥頭部分容易發(fā)生沖蝕磨損。建立直井測斜儀閥頭三維模型，并對其流場和沖蝕特性進(jìn)行有限元仿真分析，其中閥頭流場區(qū)域中間段作網(wǎng)格加密處理。結(jié)合現(xiàn)場工況參數(shù)，采用質(zhì)量流量入口及壓力出口來完成邊界條件設(shè)置并求解。結(jié)果表明最大速度及最大湍流效應(yīng)發(fā)生的位置在鉆井液通過導(dǎo)流套的節(jié)流入口處，最大湍流速度為15.8 m/s。分析離散相模型的粒子運(yùn)動軌跡，發(fā)現(xiàn)存在于閥頭表面上方的粒子出現(xiàn)明顯堆積與反彈現(xiàn)象，對閥頭表面有一定的沖蝕效應(yīng)。分析閥頭表面所受到的靜壓力云圖和剪應(yīng)力云圖，應(yīng)力集中現(xiàn)象分別出現(xiàn)在閥頭直接受鉆井液沖擊處和閥頭流通鉆井液的凹槽處。將求解結(jié)果與現(xiàn)場試驗情況對比，驗證了仿真的可行性及準(zhǔn)確性。研究結(jié)果可解釋直井測斜儀中閥頭的失效現(xiàn)象，并為閥頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計或優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：直井測斜儀；閥頭；流場；沖蝕；離散相模型

中圖分類號：TE927文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.02.002

Erosion Characteristics of Valve Head in Vertical Well Inclinometer

ZHANG Lei1，LI Fuqiang1，CHEN Tianyu1，LI Zhibo1，WANG Lei1，LIU Chenxi2，TANG Liping2

（1.Engineering Technology Research Institute， CNPC Xibu Drilling Engineering Company Limited，

Urumqi 830000， China; 2. Zhundong Drilling Company， CNPC Xibu Drilling Engineering Company Limited，

Karamay 834000， China; 3. Karamay Drilling Company， CNPC Xibu Drilling Engineering Company Limited，

Karamay 834000， China;4. Xinjiang Branch， CNPC Tendering Centre， Karamay 834000， China;

5.School of Mechatronic Engineering， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China）

Abstract：A vertical well inclinometer always works in hostile condition with complex flow field characteristics， and erosive wear are prone to appear on its valve head. There is little research related to the erosive wear. A three dimensional model of the valve head of the vertical well inclinometer was developed and finite element analysis based on this model were conducted to study the flow field characteristics and erosive wear. For the numerical model， the valve head was meshed with small size meshes to reach its high quality. In terms of the field parameters， mass flow and pressure outlet were used for the boundary conditions of inlet and outlet， respectively. Results show that the maximum velocity and the maximum turbulence effect occur at the throttling inlet of the guide sleeve， and the maximum turbulence velocity is 15.8 m/s. For the trajectory of a particle in the discrete phase model， it is found that accumulation and rebound phenomena appears on the valve head， which means erosive wear appears on the valve head. In terms of the static pressure and shear stress， stress concentration phenomenon occurs at the positions of drill fluid eroding the valve head and the drill fluid grooves on the valve head. By comparing the numerical results with the results of field test， it is shown that the two results are consistent. This investigation can be used to explain the failure of valve head of the vertical well inclinometer and provide the design and optimization of valve head with scientific supports.

Key words：vertical well inclinometer; valve head; flow field ; erosive wear; discrete phase model

油氣鉆井中，隨著地層深度的增加，巖石強(qiáng)度增大，可鉆性變差，井眼軌跡變得更加難控制。因此，在深井超深井的鉆進(jìn)過程中，大量井下測量裝置被用于獲取實時的井下數(shù)據(jù)，如直井測斜儀［1］。目前，直井測斜儀按結(jié)構(gòu)形式分為機(jī)械式和電子式直井測斜儀，直井測斜儀按是否需要起下鉆測量數(shù)據(jù)又分為可隨鉆測量式和不可隨鉆測量式直井測斜儀［2-3］。近年來，越來越多的隨鉆測量式直井測斜儀已經(jīng)在國內(nèi)廣泛應(yīng)用。然而，直井測斜儀在井下的工作環(huán)境惡劣，閥頭部分長時間受到鉆井液的沖刷，容易產(chǎn)生沖蝕磨損。當(dāng)沖蝕磨損嚴(yán)重時，會影響直井測斜儀所傳輸?shù)木聰?shù)據(jù)的精度，地面解碼時候產(chǎn)生較大解碼誤差，導(dǎo)致地面操作人員錯誤判斷實時鉆井狀態(tài)，執(zhí)行錯誤操作，產(chǎn)生嚴(yán)重后果及經(jīng)濟(jì)損失［4］?，F(xiàn)有研究對于直井測斜儀閥頭沖蝕磨損的分析較少。針對此類問題，通過Fluent 結(jié)合流體力學(xué)基本理論，對直井測斜儀的閥頭從不同角度下的三維空間流場進(jìn)行數(shù)值仿真，得到直井測斜儀的流場和沖蝕特性。研究方法與結(jié)果可為直井測斜儀中閥頭的失效分析提供依據(jù)，并為閥頭的設(shè)計與優(yōu)化提供參考。

1沖蝕理論及模型

1.1沖蝕基本理論

沖蝕磨損是指一定速度的流體介質(zhì)或細(xì)小顆粒以一定角度，對零件表面進(jìn)行沖刷而產(chǎn)生的表面材料損耗現(xiàn)象［5］。這種現(xiàn)象在實際的井下作業(yè)中十分常見。直井測斜儀在井下工作時，閥頭部分長時間受到鉆井液的沖刷，主要是鉆井液中存在固體砂礫對閥頭表面沖刷，導(dǎo)致沖蝕磨損。

對沖蝕磨損的研究方法有很多，其中采用試驗法、數(shù)值模擬法和試驗法及數(shù)值模擬法組合使用比較常見［6］。數(shù)值仿真具有高效和成本低等特點，廣泛應(yīng)用于井下工具的流體分析中，例如采用Fluent對直井測斜儀閥頭的流場和沖蝕特性進(jìn)行分析，可得到其沖蝕失效機(jī)理［7］。

1.2離散相模型

鉆井液是由液體與固體顆粒相所組成的固液兩相流體系，液體相是連續(xù)的，但是鉆井液中存在的固體顆粒相是離散的，需要作離散化處理。在計算流體力學(xué)中，對鉆井液沖蝕閥頭的過程采用離散相模型［8］進(jìn)行分析。這一類模型采用歐拉-拉格朗日法進(jìn)行運(yùn)算，主要采用歐拉法描述連續(xù)相，采用拉格朗日法描述離散相，并通過對大量離散相的粒子的運(yùn)動方程積分，得到顆粒相的運(yùn)動軌跡［9-10］，涉及的方程為：

dupdt=FD（u-up）+gy（ρp-ρ）ρp+Fy（1）

FD=18μρpd2pCDRe24（2）

Re=ρdp|u-up|μ（3）

式中：up為顆粒速度，m/s；ρp為顆粒密度，kg/m3；FD為對每單位質(zhì)點質(zhì)量的最大摩擦力，N；CD為拖曳力系數(shù)，其值為CD=α1+α2Re+α3Re2；u是液相速度，m/s；μ是流體分子粘度，Pa·s；ρ是流體密度，kg/m3；Fy是附加加速度項；dp是顆?？讖?，mm。

1.3物理模型

對直井測斜儀閥頭部分進(jìn)行三維建模，所建三維模型如圖1所示。

對直井測斜儀閥頭部分進(jìn)行流道的抽取并簡化，得到用于計算的直井測斜儀閥頭部分的流道物理模型。為了更好地展現(xiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及內(nèi)部流道區(qū)域，直井測斜儀閥頭部分流道示意圖如圖2a所示。依據(jù)圖2a再進(jìn)行流道抽取，得到直井測斜儀閥頭部分流道部分半剖面三維模型視圖，如圖2b所示。

2直井測斜儀閥頭有限元模擬

2.1網(wǎng)格劃分及部分參數(shù)配置

圖3是基于ANSYS /Mesh的對流道部分物理模型的網(wǎng)格劃分。為了更好地求解計算，采用網(wǎng)格加密以及部分精細(xì)化參數(shù)調(diào)整，網(wǎng)格整體質(zhì)量介于0.8～1.0，經(jīng)檢驗網(wǎng)格滿足無關(guān)性要求及計算需求［11-12］。

2.2邊界條件的設(shè)定

使用Fluent對直井測斜儀的閥頭沖蝕特性進(jìn)行研究。表1所示是直井測斜儀在石042井測斜的數(shù)據(jù)。依據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，首先在求解器模型中選用k-ε湍流模型，設(shè)置湍流強(qiáng)度為5％，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用質(zhì)量流量入口和壓力出口?？紤]現(xiàn)場可能遇到惡劣環(huán)境，在求解器設(shè)置中鉆井液的密度為1.5 kg/m3，連續(xù)相黏度為60 Pa·s，排量取20 L/s，從而計算出入口質(zhì)量流量為30 kg/s。設(shè)置鉆井液流體的密度以及離散相模型砂礫的大小及流速，砂礫直井為0.1 mm，流速為19.7 m/s。

3計算結(jié)果與分析

3.1閥頭部分流場特性分析

按照現(xiàn)場工況設(shè)置邊界條件并進(jìn)行運(yùn)算后，得到了如圖4所示直井測斜儀閥頭部分流場速度云圖和如圖5所示的直井測斜儀閥頭部分湍流動能云圖。

由圖4得出直井測斜儀閥頭內(nèi)部流場最大速度在通過導(dǎo)流套的節(jié)流入口處，最大速度約為15.8 m/s，流場區(qū)域其他部分常規(guī)速度在1.4～7.0 m/s。由圖5得出流場區(qū)域湍流動能較大的區(qū)域，即湍流效應(yīng)較為嚴(yán)重的區(qū)域，其結(jié)果是速度的大小與湍流動能的大小幾乎呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢。鉆井液流體在直井測斜儀閥頭內(nèi)部會發(fā)生湍流效應(yīng)，部分區(qū)域速度及湍流動能較大，且從閥頭表面區(qū)域流場特性來看，流體對閥頭表面會產(chǎn)生一定的沖蝕效應(yīng)。

為了更好地說明在直井測斜儀內(nèi)部流體流動的流場特性，給出了模型中流場沿直井測斜儀軸向方向的鉆井液的速度特性（如圖6）以及湍流動能特性（如圖7）， 可以看出，在直井測斜儀閥頭模型距入口位置50～100 mm，不論是內(nèi)部流場的速度還是湍

流動能都較高，說明該部分的湍流效應(yīng)較為嚴(yán)重。因此，在閥頭表面區(qū)域，由于該湍流流體的直接沖擊，導(dǎo)致閥頭所受到?jīng)_擊的速度較大，使得閥頭表面更加容易產(chǎn)生沖蝕磨損。

3.2直井測斜儀閥頭內(nèi)表面壓力

直井測斜儀閥頭內(nèi)表面壓力特性如圖8所示。由圖8可知，雖然直井測斜儀閥頭內(nèi)部存在湍流效應(yīng)，但是引起的直井測斜儀閥頭內(nèi)部表面壓力集中現(xiàn)象不明顯，因此，鉆井液的沖刷對直井測斜儀閥頭內(nèi)部表面沖刷引起沖蝕磨損的概率較小。

3.3離散相模型粒子運(yùn)動軌跡分析

按照現(xiàn)場的實際工況，鉆井液中含砂量約為0.5％，并按照此含砂量來設(shè)置質(zhì)量流量來模擬離散相粒子運(yùn)動軌跡，所得到的離散相粒子運(yùn)動軌跡特性如圖9所示。輸入的離散相粒子略小于輸出的離散相粒子，由于閥頭部分的節(jié)流效應(yīng)，部分離散相粒子會在直井測斜儀內(nèi)部短暫滯留，存在于閥頭表面上方的粒子會出現(xiàn)明顯堆積和反彈現(xiàn)象，這種現(xiàn)象表明砂粒對閥頭表面有較強(qiáng)的沖蝕。

3.4閥頭沖蝕特性分析

由于鉆井液是液體與固體顆粒組成的固液兩相流體系，在入井作業(yè)之后，閥頭所處的位置直接受到鉆井液的沖刷，相比于其他部件更加容易產(chǎn)生沖蝕磨損［13-15］。為了減緩閥頭的沖蝕磨損，提高其使用壽命并降低成本和提高鉆井效率，需要找出閥頭的易損位置，并做出相應(yīng)的處理（如噴丸處理、加工硬化處理等［16］）。如圖10所示為當(dāng)直井測斜儀處于測斜或短暫靜止?fàn)顟B(tài)下或緩慢鉆進(jìn)狀態(tài)下閥頭所受到的靜態(tài)壓力云圖，可以得出2個壓力較大的部位：

1）在閥頭的尖部及其周圍受到了相對較大的壓力，最大壓力值約為72 600 Pa。

2）在閥頭流通鉆井液的2個凹槽處。

為了更好地說明鉆井液對直井測斜儀閥頭的沖蝕效應(yīng)，得到了在鉆井液沖刷下閥頭壁面所受到的剪應(yīng)力（如圖11）。由應(yīng)力云圖可以看出，在閥頭流通鉆井液的凹槽處出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中點的最大剪應(yīng)力為7 330 Pa。由此可知，不論是在靜態(tài)壓力云圖或者壁面剪應(yīng)力云圖中，閥頭流通鉆井液的凹槽處受到了較大的鉆井液壓力并出現(xiàn)了應(yīng)力集中，加上砂粒對凹槽處的不斷沖刷，在此處更加容易產(chǎn)生沖蝕磨損，導(dǎo)致閥頭失效。

3.5現(xiàn)場對比分析與改進(jìn)措施

在實際的井下作業(yè)過程中，由于可能存在鉆井液排量大于正常鉆井的情況，因此閥頭發(fā)生沖蝕磨損的可能性會大幅提高。圖12為直井測斜儀在石042井應(yīng)用后閥頭出現(xiàn)的沖蝕磨損。從圖12中可以看出閥頭流通鉆井液的凹槽處產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的沖蝕磨損并最終導(dǎo)致失效，其沖蝕磨損的位置與仿真所得出的結(jié)論基本一致。

基于有限元仿真得出的閥頭易發(fā)生沖蝕磨損的位置，可以采取以下措施來減少沖蝕磨損。

1）更換高強(qiáng)度的閥頭材料。

2）對閥頭表面做加工硬化或者噴丸處理。

3）重新設(shè)計閥頭流通鉆井液的凹槽的形狀及尺寸等。

4結(jié)論

1）結(jié)合現(xiàn)場工況參數(shù)分析了直井測斜儀閥頭的流場和沖蝕特性。最大速度及最大湍流效應(yīng)發(fā)生的位置在鉆井液通過導(dǎo)流套的節(jié)流入口處，最大湍流速度為15.8 m/s。直井測斜儀閥頭內(nèi)表面所受靜壓結(jié)果表明內(nèi)表面無明顯壓力集中現(xiàn)象。

2）基于離散相的粒子運(yùn)動軌跡特性，得到存在于閥頭表面上方的粒子會出現(xiàn)明顯堆積和反彈現(xiàn)象，對閥頭表面有明顯的沖蝕效應(yīng)。

3）基于閥頭表面所受到的靜壓力和剪應(yīng)力特性，得到壓力集中分別出現(xiàn)在閥頭直接受鉆井液沖擊處和閥頭流通鉆井液的凹槽處。仿真結(jié)果與現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果吻合，可用于確定閥頭的沖蝕情況。

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