鉆井用內(nèi)防噴旋塞閥流場數(shù)值模擬研究

李 帥 任連城 王蓉蓉 曾繁榮

(重慶科技學(xué)院機械與動力工程學(xué)院， 重慶 401331)

鉆井內(nèi)防噴旋塞閥是一種重要的鉆桿內(nèi)防噴工具，它是通過金屬與金屬的直接接觸、擠壓產(chǎn)生微變形而實現(xiàn)主密封。旋塞閥在現(xiàn)場使用過程中，可能出現(xiàn)球閥與閥座間的密封失效、閥座刺壞、球閥與本體間被泥漿充填、閥座密封面銹蝕等問題[1-2]，直接或間接地影響其使用壽命和防噴性能[3]。當(dāng)前有關(guān)內(nèi)防噴旋塞閥的研究涉及對其失效原因、密封改進和結(jié)構(gòu)的分析[4-6]等，對其內(nèi)部的流場模擬研究較少，且有關(guān)模擬研究也主要是以清水為流體介質(zhì)[7-8]。本次研究，將模擬在出現(xiàn)井涌或井噴的實際工況下旋塞閥內(nèi)部的液相和固相流狀況，探究其內(nèi)部流場的速度和壓力分布，分析閥芯關(guān)閉角度和井筒鉆井液壓力(鉆桿內(nèi)井口流體壓力)對流體變化規(guī)律的影響，希望能為旋塞閥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、頂驅(qū)內(nèi)防噴裝置的改進提供參考依據(jù)。

1 流體動力學(xué)控制方程

工程中流體的流動遵循物理守恒定律。此次模擬旋塞閥內(nèi)部的液固兩相流場，有關(guān)計算主要運用到質(zhì)量守恒和動量守恒方程及組分方程[9-10]。

1.1 流體動力學(xué)基本方程

根據(jù)流體動力學(xué)基本假設(shè)，在分析中忽略固相自身變量的脈動、液相的密度脈動和質(zhì)量源脈動，可得湍流兩相流基本方程組[11]。

由質(zhì)量守恒，可得連續(xù)性方程：

(1)

由動量守恒，可得動量方程：

(2)

當(dāng)流體黏度不變且不可壓縮時，動量方程可表示為：

(3)

式中：ρ—— 流體密度，kgm3；

u—— 流體速度在坐標(biāo)軸上的分量，ms；

xi——i取1、2、3時分別表示流體在x、y、z方向上的位移，m；

t—— 流體在系統(tǒng)中的運動時間，s；

p—— 流體運動到某一位置時的總壓力，MPa；

μ—— 流體的動力黏度系數(shù)；

fi——i取1、2、3時分別表示單位質(zhì)量流體受到的質(zhì)量力在x、y、z方向上的分量，N。

液固兩相流體介質(zhì)可能存在質(zhì)的交換，每一種組分都要遵守組分質(zhì)量守恒定律，即：

div(Dlgradml)+Sl

(4)

式中：Sl—— 單位體積內(nèi)組分的生成率；

Dl—— 擴散系數(shù)；

v—— 流體的運動黏度系數(shù)；

ml—— 單位體積內(nèi)組分的質(zhì)量，kg。

1.2 湍流模型的選擇

實際工況比較復(fù)雜，鉆井液的成分較多。本次模擬時假設(shè)：所用流體介質(zhì)為連續(xù)不可壓介質(zhì)；鉆井液中的流體為液態(tài)水和固相顆粒；固體顆粒介質(zhì)為同一粒徑的剛性顆粒，不存在變形等變化；鉆井液在旋塞閥內(nèi)的流動過程與旋塞閥及外界不存在熱量的轉(zhuǎn)移和交換。

在旋塞閥的啟閉過程中，其內(nèi)部流場中出現(xiàn)漩渦，即存在湍流現(xiàn)象。針對湍流現(xiàn)象，工程中常采用雷諾平均對瞬態(tài)N—S方程做時均處理。本次模擬研究也采用雷諾平均法。

湍流動能經(jīng)?；蟮膋(湍動能)的輸運方程為：

(5)

經(jīng)?；蟮摩?湍流耗散率)方程為：

(6)

式中，Ck、Cε、Cε1、Cε2為經(jīng)驗常數(shù)。Ck=0.09～0.11，Cε=0.07～0.09，Cε1=1.41～1.45，Cε2=1.91～1.92。

2 旋塞閥流場的數(shù)值模擬

在正常鉆進和流體循環(huán)過程中，旋塞閥始終處于全開狀態(tài)。在發(fā)生井涌或井噴的特殊情況下，流體會從鉆柱下部往井口返流，此時需緊急關(guān)閉旋塞閥。在關(guān)閉旋塞閥過程中，井筒內(nèi)返上的鉆井液會對旋塞閥的閥芯和閥座等結(jié)構(gòu)造成磨損。本次模擬研究，以旋塞閥下端為流體的入口。

2.1 旋塞閥流道物理建模

以鉆井現(xiàn)場使用的內(nèi)流道直徑76 mm的內(nèi)防噴旋塞閥為例，應(yīng)用三維建模軟件Solidworks，建立閥芯在不同關(guān)閉角度下的旋塞閥內(nèi)部流場模型。閥芯旋轉(zhuǎn)40°時的流場幾何模型如圖1所示。對旋塞閥流道結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分，混用六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格，兼取六面體網(wǎng)格的省時、高精度和四面體網(wǎng)格的高適應(yīng)性優(yōu)點[12]。設(shè)置網(wǎng)格的最大單元尺寸為 2 mm×2 mm(如圖2)。

圖1 旋塞閥內(nèi)部流場的幾何模型(閥芯旋轉(zhuǎn)40°)

圖2 旋塞閥流道結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(閥芯旋轉(zhuǎn)40°)

模擬旋塞閥流場時采用液固兩相流作為流體介質(zhì)，液相介質(zhì)為水，固相介質(zhì)為同一粒徑的顆粒。通過調(diào)研，設(shè)置固體顆粒的密度為2 600 kgm3，黏度為1.72×10-5kg(m·s)；設(shè)置混合模型初相為水，次相為固體顆粒，利用壓力基求解器進行求解，離散格式為二階迎風(fēng)。根據(jù)實際工況，施加下列邊界條件。

(1) 入口邊界為旋塞閥下端的入口壓力，流體為固液兩相。根據(jù)不同的井筒壓力，設(shè)置不同的入口壓力。

(2) 出口邊界采用出口壓力。鑒于管道中存在一定的背壓，設(shè)置出口壓力為5 MPa。

(3) 壁面無滑移。對近壁面，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。

3 模擬結(jié)果及分析

在閥芯的不同關(guān)閉角度和不同的井筒鉆井液壓力(鉆桿內(nèi)井口流體壓力)情況下，旋塞閥的內(nèi)部流場會受到不同的影響，導(dǎo)致的磨損和沖蝕的狀況也會不同。因此，分別從閥芯關(guān)閉角度和井筒鉆井液壓力方面進行液固兩相流數(shù)值模擬研究，探討旋塞閥內(nèi)流體介質(zhì)的運動規(guī)律。

3.1 閥芯關(guān)閉角度的影響

鉆井過程中如發(fā)生井涌或井噴，需緊急關(guān)閉旋塞閥。在閥芯的不同關(guān)閉角度下，井筒中上返的流體對旋塞閥的沖蝕和磨損情況是不盡相同的。保持井筒鉆井液壓力不變，設(shè)置不同的閥芯關(guān)閉角度，模擬旋塞閥內(nèi)部流場。模擬的閥芯關(guān)閉角度為0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°。在關(guān)閉角度為80°時，旋塞閥內(nèi)已無流體通過。

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，將模擬選擇的井筒流體返入旋塞閥的壓力設(shè)置為40 MPa，即入口壓力為40 MPa；出口管道背壓壓力為5 MPa；固體顆粒直徑為30 μm，入口處固相體積分數(shù)為20%。通過模擬，在FLUENT自帶的后處理中，得到不同關(guān)閉角度的旋塞閥內(nèi)部流場速度云圖、壓力云圖和固相顆粒分布圖。整理模擬所得結(jié)果，得到最大流速、最大壓降和最大固相體積分數(shù)隨閥芯關(guān)閉角度的變化曲線(如圖3)。

圖3 最大流速、壓降、固相體積分數(shù)與閥芯關(guān)閉角度的關(guān)系

(1) 隨著閥芯關(guān)閉角度的增大，最大的流速逐漸減小。在關(guān)閉角度由0°增至70°的過程中，最大的流速從258.2 ms減小到135.9 ms；最大的壓降從48.05 MPa降低到36.27 MPa。在旋塞閥下端入口壓力不變的情況下，隨著旋塞閥關(guān)閉的過程，井筒中能返流上去的流體越來越少，入口流量逐漸減小，因而壓降和流速均逐漸降低。閥芯關(guān)閉到任意角度時，旋塞閥內(nèi)流體介質(zhì)最大的流速都出現(xiàn)在閥芯與閥座相接觸的地方，此處的壓降也是最大的。因此，含有固相顆粒的鉆井液對此處的沖蝕破壞是最嚴重的，容易導(dǎo)致密封失效。

(2) 在旋塞閥的閥芯兩端存在較大的壓差，且閥芯和上下閥座內(nèi)均有漩渦存在，出現(xiàn)了固相顆粒堆積。當(dāng)閥芯的關(guān)閉角度較小時，固相顆粒主要堆積在下閥座的入口處。隨著閥芯關(guān)閉角度的增大，最大固相體積分數(shù)呈先增大而后減小的趨勢，固相顆粒逐漸堆積到下閥座和閥芯相接觸的地方以及閥芯的內(nèi)部，其中最大的固相體積分數(shù)為入口處的2倍多。此時要對旋塞閥內(nèi)部進行清潔；否則，干涸的鉆井液將會增大其旋轉(zhuǎn)力矩，造成旋轉(zhuǎn)困難，且會破壞閥芯處的密封。

3.2 井筒內(nèi)壓力的影響

隨著鉆井深度的增加，井筒內(nèi)的壓力將會發(fā)生改變。在發(fā)生井涌或井噴時，井筒內(nèi)流體壓力的急劇變化會引起鉆桿內(nèi)井口處(即旋塞閥下端入口處)壓力的變化。根據(jù)實際鉆井工況，模擬設(shè)置閥芯關(guān)閉角度為40°；旋塞閥下端入口處壓力分別為10、20、30、40、50、60、70 MPa；鉆井液中的固相顆粒粒徑不變，直徑為30 μm，入口處的固相體積分數(shù)為20%。將模擬分析結(jié)果繪制成曲線，如圖4所示。

圖4 最大流速、壓降和固相含量與鉆桿內(nèi)井口壓力的關(guān)系(閥芯旋轉(zhuǎn)40°)

從模擬結(jié)果來看，隨著井筒中流體壓力的增加，旋塞閥內(nèi)部的最大流速是呈指數(shù)型增加，從82 ms增加到了292.1 ms；最大壓降則呈線性增加，從9.71 MPa增加到了94.14 MPa。在井筒內(nèi)流體壓力較小時，旋塞閥內(nèi)的固相體積分數(shù)已達30.2%，固相顆粒已經(jīng)發(fā)生沉積。井筒中流體壓力逐漸增大，最大的固相體積分數(shù)也逐漸增加，固相顆粒沉積越來越嚴重。當(dāng)鉆桿內(nèi)井口流體壓力達到60 MPa左右時，最大的固相體積分數(shù)達41.5%。流體流速隨壓力繼續(xù)增加，則將閥芯內(nèi)的固相顆粒沖出閥芯，此時對閥芯的沖蝕也比較嚴重。

4 結(jié)論及建議

(1) 模擬結(jié)果表明，在閥芯和閥座接觸的位置，流體的流速最大。此時，在液固兩相的作用下，旋塞閥承受的流體介質(zhì)的沖刷和磨損是最嚴重的。因此，應(yīng)當(dāng)增加上閥座材料的硬度，可選用具有良好綜合性能的優(yōu)質(zhì)調(diào)質(zhì)鋼。閥芯和閥座的材料性能不一樣，也有助于避免它們在高壓密封的情況下發(fā)生粘著磨損。

(2) 在下閥座和閥芯相接觸的位置以及閥芯的內(nèi)部存在較大壓差，使其負壓區(qū)域出現(xiàn)旋渦，這些位置因而容易出現(xiàn)固相顆粒堆積。干涸的固體顆粒會嚴重影響旋塞閥的使用性能。因此，應(yīng)當(dāng)對上述位置及時進行清理，同時可注入潤滑脂，填充產(chǎn)生的空腔，潤滑閥芯的密封面，降低摩擦系數(shù)，減小啟閉旋塞閥時的摩擦力矩。

(3) 閥芯在不同關(guān)閉角度時，不同壓力的上返鉆井液對閥芯和閥座的磨損不盡相同。當(dāng)旋塞閥的閥芯關(guān)閉角度在60°左右時，最大的固相體積分數(shù)達到最大，此時閥內(nèi)最容易發(fā)生固相顆粒沉積。在需要緊急關(guān)閉旋塞閥時，轉(zhuǎn)閥動作應(yīng)當(dāng)迅速，盡量縮短旋塞閥關(guān)閉過程的時間，這樣也可減少固相顆粒的堆積，保證閥芯開啟或關(guān)閉到位。