方钻杆旋塞阀流场的三维数值模拟研究.pdf

2 0 1 2年第4 0卷第 5期 石 油机械 C t t l NA PE TROL EUM MACt t l NERY ●钻 井技术与装备 方钻杆旋 塞 阀流场 的三维数值模拟研究 冯 文荣 曹 佳 朱海 燕 冯 勇4 1 ．西南石 油大学2 ．江汉机械研 究所3 ．中国石油大学 北京 油气资源与探测 国家重点 实验 室4 ．西部钻探吐哈钻 井公 司 摘要 以 1 1 4 ． 3 mm整体式方钻杆旋塞阀为例 ，采用 C F D软件对其速度场和压力场进行数值 模 拟研究，以揭示流场的速度和压力分布，弄清流体在球 阀关闭过程 中的变化规律。建模 时采用 有限体积法对控制方程进行 离散，用 Q u i c k格式处理对流项，压力修正采用二阶格式 ，方程 组 的 求解采用分离求解和 S i mp l e算法。研究结果表 明，旋钮水平面处 的作用力存在 3 MP a差异 ，增 加 了该处 的疲 劳损坏，使得裂纹沿水平面扩展 ；方钻杆旋塞 阀的失效形式均与流场数值模拟计算结 果一致，说 明流场数值模拟结果是正确 的。 关键词 方钻杆 ；旋塞阀；球 阀；旋钮 ；开关角度 ；数值模拟 中图分类号T E 9 3 1 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 4 5 7 8 2 0 1 2 0 5 0 0 0 7 0 4 Thr e e di m e n s i o na l Nume r i c a l S i mul a t i o n o f t h e Fl o w Fi e l d o f t he Ke l l y Co c k Va l v e F e n g We n r o n g Ga o J i a Z h u Ha i y a n F e n g Y o n g 1 ． S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y 2 ． J i a n g h a n Ma c h i n e r y R e s e a r c h I n s t i t u t e 3 ． S t a t e K e y L a b 0 r a t o r y o f P e t r o l e 『上 r ， l R e S O U r c e。 d E x p l o r a t i o n ，C h i n a U n i v e r s i t y of P e t r o l e u m， B e lti n g ． 4 ． T u h a D r i l l i n g c o m p a n y of C N P C X i B u D r i l l i n g E n g i n e e r i n g C o ． ，L t d ． Ab s t r a c t W i t h t h e 1 1 4． 3 mm i n t e g r a l ke l l y c o c k v a l v e a s t h e e x a mp l e ． t h e CF D s 0 f t wa r e wa s a d o p t e d t o c 0 n ． du c t a n u me r i c a l s i mu l a t i o n r e s e a r c h o n i t s v e l o c i t y fie l d a n d p r e s s u r e fie l d S O a s t o r e v e a l t h e v e l o c i t v a nd D I ．e s s u r e d i s t r i b ut i o n o f t h e fl o w fie l d a n d c l a rif y t h e v a r i a t i o n l a w o f flu i d i n t he p r o c e s s o f b a l l v a 1 v e c I o s i n g ．I n m0 d e l i ng t h e fi n i t e v o l u me me t h o d w a s u s e d t o d i s c r e t i z e t h e g o v e r n i n g e q u a t i o n a n d t h e Q U I C K s c h e m e w a s a p p l i e d t o d e a l w i t h t h e c o n v e c t i o n t e r m． Th e s e c o n d o r d e r f o r m wa s a d o p t e d t o c o r r e c t p r e s s u r e a n d t h e s e p a r a t i ng s o l u t i o n a l g o r i t h m a nd t he S I MP LE a l g o rit h m we r e a d o p t e d t o s o l v e t h e e q u a t i o n s ．Th e f in d i n g s s h o w t h a t t h e r e i s a 3 MPa d i f f le r e n c e wi t h t h e a c t i n g f o r c e o n t h e k n o b l e v e l ， t h u s i n c r e a s i n g t h e f a t i g u e a n d d a ma g e o f t h e pl a c e a n d ma ki n g t h e c I ．a c k e x p a n d a l o ng t he l e v e 1 ． Th e f a i l u r e f o r m o f t h e k e l l y c o c k v a l v e i s i n a g r e e me n t wi t h t he n u me r i c a 1 s i mu 1 a t i 0 n c a 1 c u ． 1 a t i o n o f t he f l o w fie l d， wh i c h i n d i c a t e s t h e c o r r e c t ne s s o f t h e n u me r i c a l s i mu 1 a t i o n 0 f t h e fl0 w fie l d ． Ke y wo r ds k e l l y； c o c k v a l v e； b a l l v a l v e； k n o b s wi t c h i n g a n g l e n u me r i c a l s i mu 1 a t i 0 n 0 引 言 方钻杆旋塞 阀是一种重要 的钻具 内防喷工具 ， 分别安装在方钻杆 的上端和下端 ，用特殊 的扳手可 以通过旋 转拨动球 阀转 动 ，实现球 阀 的打开 和关 闭。当发生井涌或井 喷事故时 ，关 闭方钻杆旋 塞 阀，截断钻具内通道 ，达到钻具 内防喷的目的。近 年来 ，方钻杆旋塞 阀接连出现壳体裂纹或断裂，球 阀与上阀座之间密封失效、阀坐刺坏 ，球阀与本体 问被钻井液充填 ，阀座密封面锈蚀 ，或施工水泥浆 进入腔室固死 了旋塞阀等事故 ，给油气 田钻井造成 基金项 目国家科技 重大专项子课题 “ 深水钻井工程设计关键技术研究” 2 0 0 8 Z X 0 5 0 2 6 0 0 1一O 1 。 石 油机械 2 0 1 2年第 4 0卷第 5期 巨大经济损失，严重时甚至诱发井喷事故 。很多关 于方钻杆旋塞阀的研究主要是针对失效形式和结构 力学分析 ，对内部流场的研究并未见报道 。因 此 ，有必要开展方钻杆旋 塞阀流场 的数值模拟研 究 ，揭示流场的速度和压力分布 ，弄清流体在球阀 关闭过程中的变化规律 ，为新型方钻杆旋塞阀的研 制及优化打下理论基础。笔者 以 1 1 4 ． 3 m i l l 4 i n 整体式方钻杆旋塞 阀为例 ，采用 C F D软件对 其速度场和压力场进行数值模拟研究。 1 方钻杆旋塞阀的计算模型 1 ． 1 数学模型 控制方程 j 一O u i 0 1 d ． 一O Ui 一 一 O t 8 x J 一 古 老 一 0 2 式中p 流体密度 ，k g ／ m ； p 流体压力 ，P a ； “ 方 向的速度 ，m ／ s ； 动力 粘 度 ， p ， ／ s，k g ／ m s ， 0 ． 0 9 ； 流体湍流耗散率 ，m ／ s 。 ； ， c 流体湍动能 ， m ／ s 。 湍流模型采用 R N G 模型 叼 O x jf O x 1 i O x i ／O t O x O x,-3 J E ‘ 。 ● 毒 【 o -K Oxi J 3 o u ～ o _u ,O t O x O x K ＼ 。 ／ 毒 o ] O xj J 一 - 2 c 以 4 其中 ，C 1 ． 4 4 ，C 21 ． 9 2 ； 和 分别为 ， c 和 的 P r a n d t l 数 ，分别取 1 ． 0和 1 ． 3 。 以上方程组构成了求解阀内流场分布规律 的封 闭方程组 ，根据实 际工况施加相应 的边界条件后 ， 构成该方程组的定解 问题 。 1 ． 2 流场计算 以球 阀关闭 6 O 。 时的方钻杆旋塞 阀为例 ，建立 方钻杆旋塞 阀的流场计算模型 图 1 。方钻杆旋 塞 阀流场模型的最大单元尺寸设置为 4 mm，比例 因子为 1 ． 0 ，使用六面体单元 ，采用结构化网格划 分方法划分流场 网格 。 出 口 入 口 图 1 流场计算模型 Fi g ．1 Mo d e l f o r c a l c u l a t i ng t he flo w fie l d 采 用 有 限体积 法对 控 制方 程 进行 离 散，用 Q u i c k格式处理对 流项 ，压力修正采 用二阶格式 ， 方程组的求解采用分离求解和 S i mp l e算法 J 。根 据实际工况施加如下边界条件 ①人 口边界采用速 度入 口，流体采用清水 ，速度 为 2 0 m ／ s ，方 向垂 直于人 口端 面，设 置人 口湍动能 ， c 和湍动耗散 率 ；② 出 口边 界采 用 压 力 出 口，压 力设 定 为 6 0 MP a ；③壁面采用无滑移边界条件 ，在近壁面处采 用标准壁面函数法处理。 2 结果分析 2 ． 1 本体内流场分析 流体从下部钻柱 内流人旋塞 阀，进入球阀时 ， 速度骤增 ，达到 9 3 m ／ s ，流经球 阀内腔向上流动 ， 高速流体冲击球 阀上侧 内壁 ，易使球 阀产生振动。 流体速度场如图 2所示 。高速流体迅速进入 上 阀 座 ，冲击上阀座一侧 ，速度在上阀座内达到最大值 0 0 0 0 e 4 - 0 0 0 单 位 m／ s 图 2方钻 杆 旋塞 阀 阀 内流体 速 度 场 F i g ． 2 V e l o c i t y fi e l d o f t h e fl u i d wi t h i n k e l l y c o c k v a l v e 1 8 1 ． 5 m ／ s ；当流体内存在 固体 颗粒 时，高速流体 将刺坏阀座和球阀。流体对下阀座的冲蚀速度要远 远低于对上阀座的冲蚀速度 ，即上阀座最易发生冲 蚀失效 。井下上返流体压力为 7 5 MP a时，方钻杆 旋塞阀本体 内压力最大可达 7 8 MP a 见图 3 。若 现场采用额定压力等级为 7 5 MP a的方钻杆旋塞阀， 2 0 1 2年 第 4 0卷 第 5期 冯文荣等 方钻杆旋塞 阀流场 的三维数值模拟研 究 一 9一 则实际阀体 内压力 已经超过阀能承受 的强度极限 ， 阀易在旋钮孑 L 处发生破坏 。 图 3 旋 塞 阀 内流 场压 力 云 图 Fi g ．3 Pr e s s u r e ne p h o g r a m o f flo w f i e l d wi t hi n c o c k v a l v e 2 ． 2阀座流 场分 析 流体在下阀座与球阀密封面处的速度和压力沿 图4中红线呈对称分布，在阀座人 口处流体速度增 大 ，压力减小。在上阀座处 ，流体速度达到最大值 1 8 6 ． 4 m／ s ，这样高速混杂有 固相颗粒 的钻井液对 球阀和上阀座的冲刺破坏程度相 当大 ；阀座压力达 到最小值 6 0 MP a 。 图 4 阀屋 流 场速 度 矢 量 图 Fi g ． 4 Ve c t o r g r a p h o f flo w fie l d v e l o c i t y o f v a l v e s e a t 2 ． 3 球阀处本体 内壁流场分析 球阀处本体 内壁速度场整体 可以分成 4个部 分 流体直接冲刷部分 旋钮右侧 、旋钮左侧 中 间对应的环形高速区和旋钮左侧靠近上 、下阀座的 2个环形漩 涡低速 区 图 5 。在旋 钮左侧 的上 、 下阀座低速区，均存在漩涡低速 区，流体速度最小 约为 0 ． 5 3 m ／ s ，为钻井液 内固相 聚集创造 了 良好 的条件。因此 ，钻井液 内固相在该漩涡处首先聚集 一 个点，然后在本体内壁环形方向上逐渐长大，在 本体与球 阀之间形成固相泥环 ，从而固结球阀，增 大球 阀开关力矩。 本体 内壁流体压力分布与速度分布并不是完全 一 致 图 6 。流体在旋钮 右侧高速射流区压力较 小 ，并存在 一局 部低 压 区，最 低压 力达 到 7 4 ． 2 3 M P a 。在旋钮左侧 ，以旋钮 中心水平 面为分界线， 上下压力差达 3 M P a ，即旋钮水平面处的作用力存 在 3 MP a的差异 ，增加了该处的疲劳损坏 ，使得裂 纹沿水平面扩展 。 图 5 球 阀处本体 内壁流场速度 矢量图 Fi g ． 5 Ve c t o r g r a ph o f flo w fie l d v e l o c i t y o f b u l k i n n e r wa l l a t b a l l v a l v e 7 7 95c4 - 007 7 7 53e4-007 7 7l 2e007 7 671 e007 7 6 2 9 e 1 0 7 7 5 8 8 e 0 0 7 7 5 4 7 e 0 0 7 7 50 6e 07 7 46 4e007 7 42 3e007 单位 P a 图 6球 阀处 本 体 内壁 压 力 云 图 F i g ． 6 P r e s s u r e n e p h o g r a m o f b u l k i n n e r w a l l a t b a l l v a l v e 2 ． 4不同开关角度对流场的影响 笔者分别模拟 了球阀关 闭 3 0和 4 5 。 的流场情 况 ，以弄清不同开关角度在关闭过程中的流场变化 规律 。球 阀关 闭 3 O和 4 5 。 时，本 体 内的速度场和 压力场分布规律与球 阀关闭6 0 。 时相同 图7 。随 暑 越 关 闭角度／ 。 图 7 关 闭角度与流体流速关 系曲线 Fi g ． 7 Re l a t i o n c HI v e o f c l o s i n g a n g l e a n d flui d ve l o c i t y 着关闭角度的增大，流体经过上、下阀座的过流面 积减小 ，速度逐渐增大 ，压力逐渐减小 ；关闭角度 坨 H s 枷 枷 枷 枷 m 4 9 7 O 2．． 6 9 4 0 7 8 3 3； ● L 4 5杜 ■■ 幽■■■蹰嬲 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 0 O 0 0 0 0 0 0 0 0 a 0 0 0 0 0 O O 0 O 0 e e e e e e e e e e ． 2 0 7 5 3 1 9 6 4 2 O 1●2 3 4 4 5 6 7 8 5 2 9 6 3 O 7 4 7 7 7 6 6 6 6 S 5 5 ■■ ■■■■丽 幽● 一 一 一 m m 时 时 m 一 Ⅱ e 0 e C C 4 9 7 0 2 6 9 4 0 7 h 8 3 3 7 2 9 4 S ■■网 ■■■网 豳 石 油机械 2 0 1 2年第 4 0卷第 5期 越大 ，速度和压力增加越快 ，出口处速度的增加呈 线性规律。球阀关闭 6 0 。 时 ，上阀座处流体速度高 于其他部位 ，达到 1 4 0 m ／ s 。在球阀逐渐关 闭的过 程中，内含固相颗粒 的高速流体 冲击球 阀和上阀 座 ，使密封面刺坏而无法实现密封。 球阀处本体 内壁的流体速度与关闭角度呈指数 关系 ，如图 8所示。球阀处本体 内壁流体最小速度 均处在 0～ 1 m ／ s 之间，且随着关闭角度 的增大，最 小速度略有增大，但增大得并不明显。这种很小的 流体速度主要是球阀处本体内壁流场的低速环形区 域内漩涡所致，流体内的固相在该区域很容易聚集 ， 发生固相颗粒粘滞现象 ，粘滞的固相在环形低速区 逐渐长大，增大球阀的开关力矩 ，甚至卡死球阀。 关 闭 角 厦 ／ 图 8 关 闭角度与球阀处本体 内壁流体 流速 关 系曲线 Fi g ． 8 F l u i d flo w c t l r v e o f c l o s i n g a n g l e a n d bu l k i nn e r wa l l a t ba l l va l v e 球 阀处本体内壁和下阀座处的压力与关闭角度 呈指数关系 图 9 ，随着关闭角度的增大 ，压力 增加较快 ；当球 阀从 3 0 。 关闭到 6 O 。 时，该 2处压 力增加了 1 8 MP a ，球 阀易产生较大振动 ，这对旋 钮处本体强度极为不利；上 阀座和出口处流体压力 的增加较为缓慢 。 关 闭 角度／ 。 图 9关闭角度与流体 压力关 系曲线 Fi g ． 9 Re l a t i on C H I V e o f c l o s i ng a n g l e a n d flu i d p r e s s u r e 3 方钻杆旋塞阀现场使用情况 统计 2 0 0 7年以来新疆某油田 1 0口方钻杆旋塞 阀失效 的典型井例，发现方钻杆旋塞阀的主要失效 形式为 阀座被刺坏 ，阀座密封面锈蚀严重 ，球阀 和阀座之间无法形成密封 ，高压钻井液进入阀体腔 室 ，从旋钮处溢出；旋塞 阀内产生大量固化钻井液 块 ，造成旋塞阀开关力矩变大 ，甚至无法实现全开 或全关 ；旋钮孔右侧 的壳体疲 劳破坏 出现裂纹或 断裂 。 以上失效形式均与流场数值模拟计算结果一 致 ，说明笔者的方钻杆旋塞阀流场数值模拟结果是 正确 的 4 结 论 1 流体从下部钻柱内流入旋塞 阀，进入阀球 时速度骤增 ，达到 9 3 n r ／ s ，流经阀内腔 向上流动 ， 高速流体冲击球阀上侧内壁 ，易使球阀产生振动。 2 在旋钮左侧 的上 、下 阀座低速 区均存 在 漩涡低速 区，流体速度 最小约为 0 ． 5 3 m ／ s ；钻井 液内固相在漩涡处首先聚集 ，然后在本体内壁环形 方向上长大 ，在本体与球阀之间形成固相泥环 ，从 而固结球阀，增大球阀开关力矩。 3 旋钮水平面处 的作用力存在 3 M P a差异 ， 增加了该处 的疲劳损坏，使得裂纹沿水平面扩展 。 4 方钻杆旋塞阀的失效形式均与流场数值模 拟计算结果一致，说明流场数值模拟结果是正确的。 参考文献 [ 1 ] 陈浩，宋周成，王晓萍，等 ．方钻杆旋塞阀的失 效分析 [ J ]．天然气工业，2 0 0 7，2 7 1 2 8 0 8 2． [ 2 ] 陈浩，马迁霞，王晓萍，等 ．方钻杆旋塞阀密封 设计探讨 [ J ]．石油机械，2 0 0 7 ，3 5 9 1 2 4 1 26，1 6 0． [ 3 ]T a r r B A，L u y R，R a b b y G，e t a 1 ． N e w g e n e r a t i o n d r i l l s t r i n g s a f e t y v a l v e s [ C]． I A D C ／ S P E D r i l l i n g C o n f e r e nc e，36 Ma r c h 1 9 98，SPE 39 3 20 ． [ 4 ] 王国荣 ，朱海燕，刘清友，等 ．空气锤钎头流热耦 合的三维数值模拟 [ J ]．华中科技大学学报自然 科 学版 ，2 0 1 0 ，3 8 3 1 61 9 ． 第一作者简介冯文荣，讲师，生于 1 9 7 1 年 ，2 0 0 9年 毕业于西南石油大学机电一体化专业 ，获硕士学位 ，现从 事钻井研究及现场应用指导工作。地址 6 1 0 5 0 0 四川省成 都市。E ma i l f e n g w e n r 2 0 0 6 1 2 6 ． c o n。 收稿 日期 2 0 1 11 01 7 本 文编辑王刚庆