恒流堵塞器冲刷磨损特性的数值模拟

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1、恒流堵塞器冲刷磨损特性的数值模拟　　论文关键词：分层注水　恒流堵塞器　颗粒冲刷磨损　数值模拟　　论文摘要：针对油田注水工况下，恒流堵塞器易受固体悬浮颗粒冲刷磨损作用的问题进行了数值模拟。以商业CFD软件Fluent6.1为基础，建立了恒流堵塞器流场三维几何模型，对堵塞器内部流场进行了计算；采用Lagrangian离散相模型、Haider曳力公式和随机轨道跟踪方法求解了湍流中颗粒运动轨道；应用Bitter颗粒冲刷磨损模型对冲刷磨损失重进行了计算；对现场测试数据和数值模拟结果进行了对比，证明了数值模拟的有效性；对模拟结果数值上不够

2、精确的原因进行了分析，指出了在注水流量控制装置流体磨损腐蚀分析中充分考虑电化学腐蚀和不锈钢钝化作用的必要性。　　恒流堵塞器是一种用于油田分层注水系统的新型井下分层流量控制装置，它通过机械结构的流量负反馈或压力前馈作用对流量进行自动调节，具有结构简单、体积小、成本低、使用方便、可靠性高等诸多优点，加上可直接应用于原分层注水管柱，因此具有很好的推广价值[1,2]。但油田注入水存在一定固体悬浮颗粒，且恒流堵塞器阀口处的流速很高，因此不可避免地要发生冲刷磨损现象，进而对其流量调节精度造成不利影响。　　目前对油田注水井井下流量控制装置冲

3、刷磨损情况的研究不多，对传统的固定水嘴堵塞器，一般采用陶瓷或硬质合金水嘴提高其耐冲刷腐蚀性能，但水嘴刺损仍是堵塞器最常见的失效形式之一。对于恒流堵塞器，目前的研究一般限于其流量特性方面，现　　对于定差减压-节流式恒流堵塞器，影响其额定流量的主要是节流阀口的直径和流量系数，理论分析表明，节流阀口磨损后，恒流堵塞器的流量将显著增大；而减压阀口磨损后，恒流堵塞器本身的调节特性使得相同工作压差下阀芯产生相应微小位移补偿了阀口磨损量，因此流量变化较小。图5给出了节流阀口和减压阀口磨损对流量影响的计算机仿真结果，恒流堵塞器的地面流量特性试

4、验也得到了相近的结论。冲刷磨损模拟计算中，减压阀口和节流阀口的最大冲刷磨损量如表2所示，可见节流阀口磨损量同减压阀口冲刷磨损量相比很小，这对恒流堵塞器的使用寿命是有利的。图3速度云图Fig.3Velocitycloudmap图4冲刷磨损量云图Fig.4Particleerosionratecloudmap图5阀口磨损对流量的影响Fig.5Influenceofthevalveports3·d-1工作压差／MPa最大冲刷磨损率／kg·m-2·s-1减压阀口节流阀口4028.2×10-91.7×10-98.52.5×10-78.0

5、×10-109023.7×10-82.9×10-98.51.1×10-72.0×10-9　　3.3现场试验情况及分析　　在大庆等油田进行的现场试验中，经过近10个月的井下应用，各恒流堵塞器都出现了一定的磨损，经观察，主要磨损部位均出现在减压阀口处，而节流阀口处的磨损现象不明显，实际磨损率同数值计算结果也在一定程度上相吻合；另外，郭英伟等[1]对KHPX-20型恒流堵塞器的井下应用情况作了一些更长周期的监测，18个月后减压阀口的最大磨损量为1mm左右，与本文的计算结果也基本相符。但是，一方面实际磨损率相对预测结果普遍偏大，另一方

6、面相近流量和工作压差下不同井层恒流堵塞器的磨损率存在较大差别。产生这一结果的主要原因在于：①各注水井层的水质等环境因素差别较大，水中杂质含量也存在较严重的超标现象。据2003年12月大庆油田完成的注水质量调查报告，该油田深度水处理站水质达标率仅为21.4%，部分超标井固体悬浮颗粒含量高达几十甚至几百mg/L，粒径超标现象也较普遍。②注入水中含有腐蚀性的成分如硫离子、氯离子、溶解氧等，金属材料在井下的冲刷磨损、电化学腐蚀过程相互影响和促进，加剧了流体磨损腐蚀程度。③即使单纯考虑冲刷磨损机械作用，由于湍流模型、两相流耦合模型、壁面

7、作用模型、冲刷磨损模型等都存在一定近似性和经验性，加上一些边界条件和参数的不确定性，要想完全真实地反映实际磨损情况也是比较困难的。　　4结论　　(1)采用CFD方法可以在一定程度上对恒流堵塞器的冲刷磨损情况进行模拟，便于分析易冲刷磨损部位和冲刷磨损程度，模拟结果具有一定可信性，是一种成本低、耗时少、应用方便的方法，可在一定程度上代替现场和模拟试验，但要求计算模型和参数设置应尽量符合实际情况。　　(2)油田注水流量控制装置在井下工作时一般受到磨损和腐蚀的交互作用，单纯考虑冲刷磨损作用进行分析误差可能较大，因此有必要加强井下流量控

8、制装置磨损腐蚀交互作用的试验和理论研究，以更好地分析流量控制装置的可靠性并对其结构、材料及表面处理等进行优化。参考