基于CFD的直板式节流阀压降特性研究

魏立明，李伟华，王兴义，吕晓乐，胡友文，吴鑫磊，陈华龙，鲁郑

(1. 中国石油集团渤海钻探工程有限公司 管具与井控技术服务分公司，天津 300280；2. 大庆钻探工程公司 国际事业部，黑龙江 大庆 163000; 3. 长江大学，湖北 武汉 430100)

0 引言

在石油开采中节流阀起着重要作用，是节流管汇的核心零件[1]，主要由阀芯、阀座、阀体和密封胶筒等组成，通过调整阀芯和阀座位置可以改变节流阀的开度，继而控制管道单位时间内流过的流体流量，使井下生产保持较为理想的压力环境，防止井喷等事故，达到安全生产的目的[2]。

根据不同的阀芯形状，节流阀可以分为楔形、孔板形、圆柱形、针形等类型。楔形节流阀应用较多[3-4]。目前，国内外相关学者针对钻井过程中节流阀的冲蚀等问题，通过数值仿真与实际施工情况对比的方式进行相关研究[5]。OSHIMA S等[6]分别针对外流和内流两种不同结构形式的节流阀，采用气体实验的方法进行研究，并对水压和油液条件下的实验结果作了对比分析。总结出在假设其他条件不变情况下，节流口处不同压差条件质量流率变化、流量系数变化以及阀芯上压力分布等曲线图。郭衍茹等研究了某型节流阀在不同开度下的内部流场情况，利用数值模拟，得到了不同开度下含砂气体对节流阀的冲蚀情况[7]。张祥来等[8]对井控节流阀的冲蚀机理进行了进一步研究并优化了结构，定性地研究了楔形节流阀现场容易产生冲蚀的原因，并对楔形节流阀进行优化，降低流体对节流阀的冲蚀。武存喜[9]对控压钻井节流阀的阀芯进行了重新设计，修正了阀芯表面的数学模型，发现在不同开度下节气门压力随阀门开度成近似线性变化的关系。余朋伟等[10]利用CFD的流场分析并进行参数计算后，对深水领域的阀门进行研究，设计出一种笼套式阀芯结构，能够有效降低阀芯磨损，提高产品寿命。宋保健等[11]主要研究楔形节流阀的冲蚀磨损情况，运用两相流计算流体动力学，建立了流体携岩冲蚀楔形节流阀的仿真模型。

目前，针对节流阀的冲蚀磨损损伤问题(特别是楔形节流阀)的研究已经比较深入，但是前人的研究内容比较单一，有关节流阀的速度、压降规律等方面仍然有进一步研究的必要。因此本文对恒定流速下直板式节流阀进行数值模拟，利用Fluent流体仿真软件，研究恒定流速下直板式节流阀不同长度阀芯的压降曲线、流场分布特征、速度变化情况，揭示了恒定流速下直板式节流阀的压降曲线近似呈线性规律，为实际生产提供理论依据。

1 直板式节流阀数值模拟仿真模型

1.1 建立仿真模型结构

为了方便模拟，在合理的范围内优化节流阀的阀芯形状，采用平板式节流阀，阀芯通道采用“类椭圆形”结构，如图1所示。

图1 平板式节流阀阀板形状示意图

阀芯用挖空的板代替，挖空的形状为“类椭圆形”，即下半部分是一个半圆，结合渤海钻探的生产实际工况，半圆直径取103mm；上半部分是半个椭圆，与半圆交接的短轴为103mm，“类椭圆形”长轴取值分别为120mm、130mm、140mm、150mm。针对于井下生产实际，开度一般控制在20%～40%之间。本次数值模拟以2%为一个差值，开度取值分别为21%、23%、25%、27%、29%、31%、33%、35%、37%、39%，再根据4组不同的长轴值，对每组10个开度进行数值模拟，得出直板式节流阀的相关规律。“类椭圆形”结构如图2所示，其中短轴为103mm，长轴为150mm。

图2 类椭圆形示意图

1.2 湍流模型

井下管道的流动情况比较复杂，依据不同的分类标准可以分为很多类型，通常根据流体雷诺数的大小，将流体分为层流和湍流两类，其中湍流指的是流体雷诺数超过临界值时(一般圆柱管道中临界值取2000)，流体流动出现不规则的多尺度流动状态[12-14]。流体质点在管道中流动方向无法确定，管道中有旋涡产生。

数值模拟时选用标准湍流模型(标准κ-ε模型)进行流场分析，以满足模拟要求。其中κ是流体的湍流动能，表示速度的波动变化，其值越大表明湍流脉动长度和时间尺度越大，而ε为湍流动能耗散，表示速度波动耗散的速率，其值越大意味着湍流脉动长度和时间尺度越小，这两个量存在一定的相互制约关系[15]。

连续性方程可以表示为

(1)

动量守恒方程可以表示为

(2)

湍流模型可以表示为：

(3)

ηt=cuρk2/ε

(4)

式中：ρ为流体密度，kg/m3；u为流体速度，m/s；ηt为湍流黏度，kg/(ms)；ε为耗散率，m2/s3；k为湍流动能，m2/s2；t为时间，s；cu=0.09；c1=1.14；c2=1.92，σi=1，σt=1.3，为常数。

1.3 仿真边界条件设置

对“类椭圆形”直板式节流阀进行Fluent模拟，实际流体的密度是1.155 g/cm3，黏度是23MPa·s，下面设置入口边界条件、出口边界条件和管道条件。

1)入口边界条件

节流阀入口采用恒定速度入口边界(Velocity-lnlet)，适合不可压缩流体，入口可以定义流体和颗粒的速度大小及方向[16]。在渤海钻探生产实际中，入口处每秒流过35 L的流体，而管道直径为103mm，换算得到入口流速设置为4.2m/s，方向垂直于管道端面。

2)出口边界条件

节流阀出口采用出口边界(outlet)，确保流体流动方向任意，不人为限制[17-18]。流动出口的速度在模拟中不需要设定，根据模拟的情况得到模拟的出口流体速度。只设置出口为出流边界条件时，其出口的压强为0.1MPa。

3)管道边界条件

对于井下管道，选取标准壁面边界条件(wall)，假定壁面光滑无瑕疵，对流体中的小颗粒冲击壁面时的反弹忽略不计。正常井下作业时，节流阀位于管道中，左端是流体入口管道，右边是出流管道。使用三维建模软件，对模型进行实体建模，导入Fluent中进行分析，对整个模型进行设置并划分网格。

2 直板式节流阀数值模拟结果分析

2.1 速度分析

当节流阀在井下工作时，流体在管道中的流动情况比较复杂，对开度均为21%，长轴分别为120mm、130mm、140mm、150mm直板式节流阀的管道截面速度进行分析，管道截面速度如图3所示。

图3 不同轴长的管道截面云图

由图3可知，管道右下方(即靠近节流阀入口处)速度较大。管道上方的流体受到重力的影响，会挤压下方的流体并向下流动，最下方的流体速度一般大于上方流体速度。在开度相同时，随着平板式节流阀阀芯长轴长度的增加，管道截面的最大流速有下降的趋势。

2.2 压降分析

设置开度为21%，对整个模型的压降图进行分析，图4为长轴长度为120mm时的压降图，图5为长轴长度为150mm时的压降图。可以发现，在相同的开度下，压降的图像基本相同，随着节流阀长轴长度的增加，压降有所下降。因为长轴越长，单位时间内管道与节流阀之间通过的流体越少，导致压降降低；开度越大，压降随长轴长度降低的曲线越来越平缓，也就是说压降不会随着开度的增加而无限降低，到了一定数值后压降趋于稳定。

图4 长轴长度为120mm的压降图

图5 长轴长度为150mm的压降图

2.3 线性程度分析

利用Fluent软件，对“类椭圆形”长轴分别取120mm、130mm、140mm、150mm进行分析，每组还是以2%为差值，得到不同长轴下的4条曲线，开度-压降图如图6所示。

图6 开度-压降图

由图6可知，对于图6(a)，实际压降曲线与压降模拟曲线的线性程度为87.53%；对于图6(b)，实际压降曲线与压降模拟曲线的线性程度为84.91%；对于图6(c)，实际压降曲线与压降模拟曲线的线性程度为84.93%；对于图6(d)，实际压降曲线与压降模拟曲线的线性程度为84.93%。当长轴长度为130mm、140mm、150mm时，线性程度均<85%，而当长轴长度取120mm时，线性程度达到了87%以上。在中石油渤海钻探的钻井实际施工现场，由于线性程度不高，无法较为精准地调节节流阀的流量大小，而根据数值模拟，对于井下的节流阀控制，将节流阀采用“类椭圆形”阀芯，且长轴长度设计为120mm，提高了2%的线性度，具有较高的工程实际作用，对于实现出口处管道的压降线性调节具有重要意义。

3 结语

1)井下节流阀的管道流体在流动时，最下方的流体速度一般大于上方流体速度。在相同的开度下，随着平板式节流阀阀芯长轴长度的增加，管道截面最大流速有下降的趋势。

2)通过数值模拟可知，节流阀开度一定时入口管道中的流速基本保持恒定，在进入节流阀时，存在一个速度上升区域，流体速度有明显的增加，而在节流阀的轴线下方速度会下降，在节流阀右侧与出流管道联通处，速度达到最大值。流体从出流管道流向下一管道时，速度平稳下降，直到趋于稳定。

3)在开度一定的情况下，随着节流阀阀芯长轴长度的增加，压降逐渐减小，但是在实际钻井中，节流阀阀芯长度的调节范围不大，压降不会出现明显的“断崖式”下降情况；当开度变化时，开度越大，压降的曲线越来越平缓，故压降不会随着开度的增加而无限降低，到了一定数值后压降趋于稳定，基本不再变化。