節(jié)流管匯防沖刺短節(jié)結(jié)構(gòu)及流場(chǎng)模擬

鄧?yán)颍罱?，艾志久，賈林，胡文禮，付必偉

（西南石油大學(xué)研究生院，成都 610500）①

節(jié)流壓井管匯是井控裝置的重要組成部件［1］。當(dāng)發(fā)生溢流或井噴需循環(huán)出被浸污的鉆井液時(shí)，或泵入性能經(jīng)調(diào)整的加重泥漿以便壓井重建平衡關(guān)系時(shí)，在防噴器關(guān)閉的條件下，利用節(jié)流管匯中節(jié)流閥的開啟和關(guān)閉，控制一定的套壓來維持穩(wěn)定井底壓力，避免地層流體的進(jìn)一步流入。除此之外，節(jié)流管匯還可用于洗井、放噴等。當(dāng)已經(jīng)發(fā)生井噴時(shí)，亦可通過節(jié)流壓井管匯往井口強(qiáng)注清水。預(yù)防燃燒起火時(shí)，通過節(jié)流壓井管匯往井筒里強(qiáng)注滅火劑，能幫助滅火［2］。由于現(xiàn)有的節(jié)流管匯存在結(jié)構(gòu)方面的問題，工作中出現(xiàn)沖蝕及刺漏現(xiàn)象，嚴(yán)重影響施工安全。本文采用CFD 軟件模擬了防沖刺節(jié)流管匯的流場(chǎng)，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明設(shè)計(jì)的防沖刺節(jié)流短節(jié)具有抗沖蝕能力，能顯著提高節(jié)流管匯的使用壽命。

1 原有節(jié)流管匯的結(jié)構(gòu)和不足

現(xiàn)有的節(jié)流管匯中節(jié)流閥后直管易出現(xiàn)局部沖蝕，甚至發(fā)生刺漏現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了井控及壓井的施工效率和安全［3］。因此，需要對(duì)現(xiàn)有井控節(jié)流管匯進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，即用防沖刺短節(jié)替代原有節(jié)流閥后直管短節(jié)，降低高速流體對(duì)管匯的沖蝕損傷，提高節(jié)流管匯的使用壽命。

2 防沖刺短節(jié)結(jié)構(gòu)

防沖刺節(jié)流管匯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路是將節(jié)流管匯的短節(jié)末端直徑加粗后在內(nèi)部加裝合金頭，這樣高速流體進(jìn)入節(jié)流管匯后直接作用于合金頭。減少高速流體在通過節(jié)流管匯時(shí)與管匯壁面接觸和沖蝕的面積［4］。以達(dá)到降低對(duì)節(jié)流管匯壁面沖蝕，提高管匯使用壽命的目的。同時(shí)在管匯入口管段和短節(jié)內(nèi)部加裝防沖蝕硬質(zhì)合金內(nèi)套。如圖1所示。

圖1 防沖刺短節(jié)結(jié)構(gòu)

3 建立CFD模型

3.1 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論模型

湍流是一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在運(yùn)動(dòng)過程中流體質(zhì)點(diǎn)呈現(xiàn)相互摻混現(xiàn)象，速度、壓力等物理量出現(xiàn)隨機(jī)性的脈動(dòng)情況［5］。對(duì)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(jiǎn)稱DNS）。

傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)是RANS（Reynolds Averaged Navier－Stokes）模擬方法［6］。經(jīng)過時(shí)均后，方程中出現(xiàn)了雷諾應(yīng)力等脈動(dòng)關(guān)聯(lián)項(xiàng)，如式（1）中最后一項(xiàng)。目前常用的湍流黏性數(shù)學(xué)模型有雙方程模型、單方程模型、代數(shù)模型等［7－8］。CFX 中提供的RANS模型包括：?jiǎn)畏匠蹋⊿palart－Allmaras）模型，雙方程模型（k－ε模型系列，k－ω模型系列），雷諾應(yīng)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(zhǎng)度，m；μ是黏性系數(shù)；ρ是流體密度，kg／m3；δij是體膨脹系數(shù)；p 是單元靜壓，Pa；t是時(shí)間，s；，是各方單元速度分量的脈動(dòng)值，m／s。

3.2 防沖刺管匯計(jì)算域網(wǎng)格模型

為了能與原節(jié)流管匯進(jìn)行防沖刺效果對(duì)比，防沖刺節(jié)流管匯初次數(shù)值模擬采用與原有節(jié)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(jìn)行數(shù)值計(jì)算。甲烷氣體的壓縮因子為0.72，與計(jì)算流體域的空間尺寸和結(jié)構(gòu)等相比對(duì)計(jì)算產(chǎn)生的影響相對(duì)較小，因此在設(shè)置邊界條件時(shí)可以忽略氣體的可壓縮性。由于防沖刺節(jié)流管匯的入口、出口等截面屬性沒有發(fā)生變化，所以入口、出口、壁面等邊界條件依然采用原有節(jié)流管匯結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬時(shí)的數(shù)值。邊界條件參數(shù)設(shè)定如下：

1）進(jìn)口邊界進(jìn)口邊界采用壓力入口。設(shè)定總壓（Total pressure）為60 MPa，入口邊界條件的湍流強(qiáng)度和長(zhǎng)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(zhì)量流量出口。甲烷氣體的質(zhì)量流量為7.17g／s，鉆井液的質(zhì)量流量為43.2kg／s。

3）壁面邊界對(duì)于計(jì)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(jì)算域的重力加速度和浮力參考密度設(shè)定整個(gè)計(jì)算域的重力加速度方向?yàn)閳D2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(jì)算域網(wǎng)格模型

4 模擬結(jié)果

考慮到節(jié)流閥開度和氣液兩相流中甲烷氣體的含量對(duì)節(jié)流管匯的沖蝕情況具有很大的影響，因此主要對(duì)這2個(gè)參數(shù)進(jìn)行模擬研究。

4.1 閥開度對(duì)流體速度的影響

圖3～4分別是防沖刺節(jié)流管匯在開度20%條件下其內(nèi)部上側(cè)、下側(cè)、左側(cè)、右側(cè)4個(gè)壁面區(qū)域鉆井液和甲烷氣體的速度曲線。從4個(gè)區(qū)域上流體速度大小及分布情況可以看出，與閥芯上閥口對(duì)應(yīng)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(duì)新型防沖刺節(jié)流管匯進(jìn)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(diǎn)區(qū)域進(jìn)行分析。

圖5～6分別為防沖刺節(jié)流管匯在開度20%條件下，水平面內(nèi)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(jīng)過節(jié)流閥后具有較高的初速度，進(jìn)入防沖刺節(jié)流管匯后，高速流體沖蝕主要作用于管匯右側(cè)壁面上。但由于射流強(qiáng)度小，進(jìn)入短節(jié)后衰減嚴(yán)重，幾乎完全被淹沒。因此，在短節(jié)內(nèi)沒有形成有效的沖蝕。射流在管匯入口流道內(nèi)產(chǎn)生了渦旋現(xiàn)象，左側(cè)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(shí)壁面上鉆井液速度分布

圖4 開度為20%時(shí)壁面上甲烷氣體速度分布

根據(jù)同樣的方法可以得到節(jié)流管匯改進(jìn)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(cè)壁面的最大沖蝕速率也是呈減小的趨勢(shì)；并且可以看出防沖刺節(jié)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(jié)流管匯的速度小，因此，該結(jié)構(gòu)在一定程度上減小了節(jié)流管匯的沖蝕速率，提高了節(jié)流管匯的耐沖蝕性能。

圖5 開度為20%時(shí)水平面內(nèi)的鉆井液速度分布

圖6 開度為20%時(shí)水平面內(nèi)的甲烷速度分布

4.2 含氣量對(duì)流體速度的影響

節(jié)流管匯改進(jìn)前后在不同含氣量下沖蝕數(shù)據(jù)如表3～4，從表3可以看出，隨著鉆井液中含氣量的增加，鉆井液和甲烷的速度都有相應(yīng)的增加，節(jié)流管匯中沖蝕越嚴(yán)重；對(duì)比表3和表4可得：在一定的含氣量下，防沖刺節(jié)流管匯較原節(jié)流管匯的耐沖蝕能力強(qiáng)，防沖刺節(jié)流管匯中鉆井液和甲烷的沖蝕速率都較原結(jié)構(gòu)的小。

表1 原有節(jié)流管匯在不同開度下沖蝕數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 防沖刺節(jié)流管匯在不同開度下沖蝕數(shù)據(jù)對(duì)比

表3 原有節(jié)流管匯在不同含氣量下沖蝕數(shù)據(jù)對(duì)比

表4 防沖刺節(jié)流管匯在不同含氣量下沖蝕數(shù)據(jù)對(duì)比

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

2011年12月，某油田在利用氮?dú)忏@井工藝進(jìn)行鉆井過程中采用JGY70型節(jié)流管匯，如圖7所示。圖中右側(cè)箭頭所指為JLK70－65BI型手動(dòng)節(jié)流閥及防沖刺短節(jié)，左側(cè)箭頭所指為JLKY70－65I型液動(dòng)節(jié)流閥及防沖刺短節(jié)，共有2條裝有防沖刺短節(jié)的節(jié)流通路。

試驗(yàn)流程：

1）打開多功能四通經(jīng)節(jié)流管匯液動(dòng)節(jié)流閥到氣液分離器的通道，關(guān)閉其余通道，關(guān)閉半封閘板防噴器。

2）啟動(dòng)泥漿泵，排量保持在8～12L／s循環(huán)，出口正常返出后，開始小排量供氣（30 m3／min）充氣循環(huán)。

3）調(diào)節(jié)節(jié)流管匯節(jié)流閥，控制立管壓力在增壓器額定壓力80%以內(nèi)建立循環(huán)。

圖7 防沖刺節(jié)流管匯現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4）保持立管壓力穩(wěn)定，在閥開度60%～80%時(shí)進(jìn)行充氣條件下的節(jié)流循環(huán)。手動(dòng)節(jié)流通道試驗(yàn)從10∶15開始，至16∶05結(jié)束，循環(huán)時(shí)間5～6h。節(jié)流通道使用時(shí)間及具體數(shù)據(jù)如表5所示。

5）試驗(yàn)中記錄的手動(dòng)節(jié)流通道泥漿排量、注氣排量（入口、出口）、節(jié)流套壓、立管壓力等數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化情況。

表5 節(jié)流管匯通道使用數(shù)據(jù) min

6）注意觀察防沖刺節(jié)流管匯在使用過程中的表現(xiàn)及沖蝕磨損情況，直至試驗(yàn)結(jié)束。

試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試驗(yàn)用JGY70型節(jié)流管匯進(jìn)行拆解，對(duì)管匯及閥體內(nèi)部進(jìn)行了仔細(xì)檢查。閥門主通徑完好，如圖8～9所示。與數(shù)值模擬結(jié)果基本相同，如圖10所示。下游防沖刺短節(jié)內(nèi)部無較明顯的沖蝕現(xiàn)象，如圖11所示。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的閥座沖蝕情況

圖9 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)防磨套沖蝕情況

圖10 數(shù)值模擬結(jié)果

圖11 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的防沖刺短節(jié)內(nèi)部沖蝕情況

6 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)了一種防沖刺短節(jié)，減小了節(jié)流管匯中鉆井液和甲烷的最大沖蝕速度，提高了節(jié)流管匯的防沖刺能力。

2）通過CFD 模擬研究，在一定的開度和含氣量的工況下，鉆井液和甲烷的最大速度較原結(jié)構(gòu)減小，從而提高了節(jié)流管匯的耐沖刺能力。

3）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，相比原有管匯，防沖刺節(jié)流管匯有良好的防沖刺作用，具有創(chuàng)新性，值得推廣。

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