翻板浮阀阀芯流道两相流流场分析*

2015-06-11龚彦，张也，张津，周权

机械研究与应用 2015年3期

龚彦，张也，张津，周权

(1.西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500;2.中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，湖北荆州 434024;3.宝石机械成都装备制造分公司，四川成都 610500)

0 引言

浮阀是一种重要的钻具内防喷工具，它通过钻杆螺纹连接在钻柱中，用以控制钻杆底部流体的流动，防止井底流体由钻柱内流道返回进口。翻板浮阀是一种常用的浮阀，由阀体及阀芯两部分组成，使用时阀芯总成装在阀体内。阀芯总成由阀座、浮板、扭簧、销轴、密封圈等组成。翻板浮阀主要有两个工作状态，钻进时，在泵或压缩机作用下的钻井介质(钻井液或气体)使得翻板浮阀浮板开启，钻井介质正常循环;钻进停止时，浮板在扭簧及底部钻井液的作用下自动关闭。因钻井介质含有各种固相颗粒，在流过翻板浮阀阀芯流道时，因受到流道形状的影响会发生固相颗粒沉积，从而会影响浮板的正常开启与关闭。故对翻板浮阀阀芯内部流道的两相流流场分析由为重要，其数值模拟结果有助于对阀芯流道的结构设计。

1 阀芯流道数值计算模型的建立

1.1 阀芯内部流道结构简化

以Φ120 mm翻板浮阀为例，采用Fluent对其阀芯内部流道进行数值模拟，其结构如图1所示［1］。

图1 翻板浮阀结构图

在一定外形尺寸条件下，对阀芯流道形状影响最大的是流道锥角，锥角的改变对阀芯流道内流场的影响很大，根据现有情况，后面将分析该翻板浮阀四种不同锥度的阀芯流场，各锥度下对应的流道结构参数如表1所列。根据图1所示翻板浮阀的结构特点，将其阀芯的内部流道建立为一个二维平面模型流场区域，将其导入ICEM中，采用BLOCK方法对其进行分块，然后设定划分单元的大小并进行二维结构化网格划分，划分结果如图2所示。

表1 不同锥度的流道结构参数

图2 流道结构化网格划分

1.2 流场参数设定

计算时，采用基于压力的稳态分析，设定沿轴向的重力加速度为9.8 m/s2，设置多相流模型为欧拉模型，并设定相数为2相，以及湍流模型为κ－ε模型。选取流体材料为air和yanxie，其中yanxie为自定义材料［2－3］，其岩屑材料参数如下:比热容为 1 100 J(kg·k)，密度为2 600，导热系数为0.3 W/(m·k)，粘度为1.8 e－5 pa·s。

设定两相流中的主相为air，次相为yanxie，且岩屑的直径为0.5 mm。边界条件设置为:①流场入口边界采用速度入口，设定湍动强度为5%和水力直径为38.8 mm，根据现场使用参数，设定入口气体轴向(X方向)速度为26 m/s，入口岩屑轴向速度为18 m/s，入口岩屑的体积分数为1%;②流场出口边界采用自由流出;③流场壁面采用无滑移边界条件。求解方式采用Phase Couple Simple算法和一阶迎风格式，设定体积分数的松弛因子为0.5，压力和动量的松弛因子分别为0.3和0.7，湍动能和湍动耗散率松弛因子为0.8，其余均为1。在上述设定完成后，参照入口参数对流场进行初始化。最后，设定迭代次数为1 000次，进行数值计算。

2 数值计算结果分析

2.1 气流速度场分析

根据表1所列的结构参数，计算得到四种流道的内流场，对岩屑在流道中的分布及沉积影响最大的速度场，速度场的分布情况可以较为直观地反映其对岩屑分布的影响，如速度场产生漩涡的地方会造成岩屑在此沉积。考察气流速度场的分布情况，可以用来指导流道形状的设计，以使得气流能较好地将岩屑带走，改变气流对岩屑分布及沉积的影响。不同锥角的气流速度场如图3～6所示。

图3 锥角1°的气流速度场

图4 锥角3°的气流速度场

图5 锥角5°的气流速度场

图6 锥角7°的气流速度场

根据图3～6所示的气流速度场分布情况可知，锥角为1°、3°、5°和 7°的情况下，气体最大速度分别为 29.3 m/s、32.6 m/s、38.5 m/s、48.3 m/s;可见随着入口锥度的增大，气体的最大速度也逐渐增大。同时，在气体最大速度增大情况下，锥度对气体域的速度分布也有显著地影响，锥角逐渐增大，气流出现最大速度的范围逐渐增大。在入口锥度增大的同时，阀芯内部流场中阀板所在位置处的紊流情况加剧，流道中出现了较大范围的漩涡，且漩涡的强度也是随着锥角的增大而增大。此外，在锥度为3°和7°时，流道中气流在出口处的速度相比进口速度大，流道形状对气流产生了一定的加速作用，而在锥度为5°时，气流的进出口速度则大小相当，相对均衡。

2.2 岩屑速度场分析

岩屑速度场的分布直接反映了流道形状对岩屑分布及沉积的影响。若岩屑的速度场中出现了漩涡，表明岩屑会在漩涡中心出现沉积，不同锥角条件下岩屑速度场分布情况如图7～10所示。

根据图7 ～9 分析知，锥角为 1°、3°、5°和 7°的情况下，岩屑的最大速度分别为 18.1 m/s、18.2 m/s、18.5 m/s、18.8 m/s;可见随着入口锥度的增大，岩屑的最大速度也逐渐增大，但变化不大。当锥角为1°、3°时，流道中岩屑的速度场比较平稳;当锥角为5°、7°时，流道中岩屑的速度场出现了紊流和漩涡，更容易导致岩屑的沉积。

图7 锥角为1°岩屑速度场

图8 锥角为3°岩屑速度场

图9 锥角为5°岩屑速度场

图10 锥角为7°岩屑速度场

2.3 岩屑体积分数分布情况

锥角3°、5°、7°三种模型的岩屑体积分数云图如图11～14。

图11 锥角为1°岩屑体积分数分布

图12 锥角为3°岩屑体积分数分布

根据图11 ～14 可知，锥角为 1°、3°、5°和 7°的情况下，岩屑的最大体积分数分别为 0.514、0.859、0.737、0.371，其中，1°时，岩屑体积分数的整体分布较为均匀，而其他三种情况，在流道最小直径处出现体积分数增加的情况，即在此处发生了岩屑堆积或沉积的情况，岩屑沉积的情况随着锥角的增加而严重，岩屑发成沉积的范围也逐渐增大。