王志堅，賈彥伯，尚曉峰

(沈陽航空航天大學(xué) 機電工程學(xué)院，沈陽 110136)①

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螺旋復(fù)合篩管外護(hù)管固液兩相流沖蝕磨損分析

王志堅，賈彥伯，尚曉峰

(沈陽航空航天大學(xué) 機電工程學(xué)院，沈陽 110136)①

摘要：外護(hù)管作為螺旋復(fù)合篩管的重要部件，沖蝕性能方面研究很少。為了給外護(hù)管的設(shè)計和使用提供參考，利用有限元分析軟件CFX建立外護(hù)管縫口處固液兩相流沖蝕模型，模擬含砂石油在外護(hù)管縫口處的流動情況，獲得最大沖蝕磨損發(fā)生的位置，并對沖蝕磨損影響因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明：最大沖蝕磨損發(fā)生在底面與斜坡面連接處，并靠近底面的位置；最大沖蝕率隨入口流速的增大呈現(xiàn)指數(shù)增長趨勢；石油含砂直徑0.05 mm左右時，外護(hù)管的沖蝕磨損現(xiàn)象會比較嚴(yán)重；最大沖蝕率隨含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大呈現(xiàn)反比例降低趨勢。

關(guān)鍵詞：篩管；外護(hù)管；沖蝕磨損；數(shù)值模擬

篩管在含砂層油藏的采油過程中起到防砂的作用，它適用于各種完井[1]。目前，各個油田都在完井式采油中使用一種新研發(fā)的螺旋防砂篩管。外護(hù)管作為其中重要的部件，主要作用是在篩管正常工作過程中保護(hù)內(nèi)部的防砂過濾層不被破壞。含砂石油流經(jīng)外護(hù)管時對外護(hù)管的沖蝕作用，導(dǎo)致其出現(xiàn)缺陷，影響外護(hù)管的強度[2]與使用壽命。

關(guān)于流體對設(shè)備的沖蝕磨損問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。陳婭南[3]通過試驗來模擬真實環(huán)境下攜帶顆粒的天然氣對彎頭的沖蝕磨損，研究了來流速度、顆粒圓度與硬度等因素的影響。張繼軍等[4]從漿體的運動形式、流速與物料等方面分析了漿體對管道的磨損機理，認(rèn)為速度對磨損的影響程度最大。余文岙等[5]通過分析管壁的剪切應(yīng)力來預(yù)測彎頭、變徑、三通與補償器等典型管件的磨損位置。黃勇等[6]用CFD軟件對三通管的磨損位置進(jìn)行模擬。楊金龍等[7]用CFX軟件模擬氣液兩相流對等徑三通管的沖蝕情況，通過分析壁面的剪切應(yīng)力得到?jīng)_蝕失效規(guī)律。以上研究對象大部分是針對管道管體的研究，對于篩管，劉永紅等[8]通過沖蝕磨損試驗研究了含砂原油對石油防砂割縫篩管的沖蝕磨損性能，得到了篩管縫口表面的沖蝕磨損形貌，沖蝕磨損率與原油流速、砂粒濃度、沖蝕角之間的關(guān)系。目前，針對螺旋復(fù)合篩管外護(hù)管的沖蝕磨損性能的研究非常少。此次應(yīng)用計算流體動力學(xué)(CFD)方法及CFX軟件，建立外護(hù)管縫口處的流體湍流與沖蝕數(shù)學(xué)模型。采用穩(wěn)態(tài)模擬與有限體積法對固液兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬。研究了外護(hù)管縫口處的沖蝕磨損情況，并研究了入口流速、砂粒粒徑與含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)對沖蝕磨損的影響。

1多相流計算模型

1.1幾何模型與邊界條件

螺旋復(fù)合篩管由基管、防砂過濾層、與外護(hù)管3部分組成，并依次用焊接的形式組合在一起，其整體三維模型如圖1所示。外護(hù)管縫口處整體成倒梯形，含砂石油從孔口處流入，再經(jīng)兩側(cè)流孔流出，流入防砂過濾層。

圖1　螺旋復(fù)合篩管三維模型

多相流流體域的網(wǎng)格模型如圖2所示。設(shè)定流動介質(zhì)的液相為連續(xù)相，固相為離散相。入口處采用速度進(jìn)口邊界條件，出口處采用壓力出口邊界條件。設(shè)置流場數(shù)值模擬的算法為Simple，根據(jù)流動的情況設(shè)置湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型，對動量、湍流能與湍流耗散率的離散格式設(shè)置為一階迎風(fēng)格式，壁面為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)且無滑移。

圖2　多相流流體域的網(wǎng)格模型

原油密度820.1 kg/m3，動力黏度2.651×10-3Pa·s，石油含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，入口速度20 m/s，砂粒密度2 650 kg/m3，砂粒直徑0.3 mm。

1.2基本控制方程

沖蝕磨損的數(shù)值計算過程包括：連續(xù)相湍流場的計算；離散相固體砂粒的軌跡計算；計算模型的沖蝕磨損分析。計算所采用的連續(xù)性方程與動量方程如下[9]：

(1)

-αf▽p+▽·(αfτf)+αfρfg-fdrag

(2)

式中：ρf為流體密度，kg/m3；μf為流體速度，m/s；p為壓力，Pa；τf為流體應(yīng)力張量，g為重力加速度，m/s2；αf為流體體積分?jǐn)?shù)，fdrag為砂粒受流體平均阻力，N。

1.3砂粒軌跡模型

固體砂粒運動方程采用作用力平衡方程來計算[10]，其形式如下：

(3)

等式左邊為砂粒的慣性力，等式右邊第1項為砂粒的單位質(zhì)量曳力，第2項為砂粒的重力，第3項為砂粒的其他作用力。

1.4沖蝕磨損模型

固液兩相流對壁面的沖蝕磨損率使用Hashish磨損模型來定義[11]，其形式如下：

(4)

(5)

式中：W為粒子每次撞擊材料所產(chǎn)生的體積磨損，m3；rp為粒子半徑，m；n為速度指數(shù)，n=2.54；up為粒子速度，m/s；ρp為粒子密度，kg/m3；Rf為形狀因子；σ為塑性流動應(yīng)力，Pa；α為沖擊角，rad。

砂粒在流進(jìn)管道的過程中與壁面發(fā)生碰撞且會有能量損失，回復(fù)砂粒的反彈跡線發(fā)生變化。本次模擬采用Forder等人研究得出的沖擊-反彈回復(fù)系數(shù)公式[12]：

eN=0.988-0.78(θ)+0.19(θ)2-

0.024(θ)3+0.027(θ)4

(6)

eT=1-0.78(θ)+0.84(θ)2-0.21(θ)3+

0.028(θ)4-0.022(θ)5

(7)

式中：θ是砂粒的碰撞角度，rad；eN與eT分別為法向與切向的沖擊-反彈恢復(fù)系數(shù)。

2計算結(jié)果分析

2.1流場分析

壁面壓力分布情況如圖3所示，由圖3可知壓力最高區(qū)域出現(xiàn)在兩側(cè)斜坡的頂端處，并向壁面中心處逐漸減小，側(cè)流孔處壓力最小。主要原因是含砂流體先撞擊兩側(cè)斜坡面，由斜坡面頂端向下，撞擊速度逐漸減小，所以斜坡面頂端壓力偏大并且向中心處逐漸減?。辉谛逼旅媾c底面的連接處，由于撞擊到斜坡面上的流體在此發(fā)生了二次碰撞，所以壓力偏大。

圖3　壁面壓力分布

內(nèi)部速度分布如圖4所示，由于入口處面積大于出口處面積，所以出口處的流速大于入口處的流速。流速最小位置出現(xiàn)在靠近整個壁面的中心處；流速最大位置出現(xiàn)在出口處兩側(cè)，并向中間逐漸減小。

圖4　內(nèi)部速度分布

2.2沖蝕磨損率分布情況

壁面的剪切應(yīng)力分布情況如圖5所示，由圖5可知，剪切應(yīng)力最大位置出現(xiàn)在斜坡面與底面的連接處并靠近出口處的位置。主要是由于此處的含砂流體即將流出出口，含砂流體的流速與壁面的夾角偏小，并且此處流速較高，所以造成此處的剪切應(yīng)力偏大。

圖5　壁面剪切應(yīng)力分布

壁面的沖蝕率分布如圖6所示，由圖6可知，沖蝕率最大位置出現(xiàn)在底面與斜坡面連接處并靠近底面的位置。沖蝕率主要受固體顆粒的撞擊角度與撞擊速度的影響[13]，由于此處的撞擊角度偏小并且撞擊速度偏大，所以沖蝕率偏大。由圖5可知，連接處的斜坡壁面上剪切力偏大，可是此處的沖蝕率卻偏小。由圖7所示的固體砂粒運動軌跡中可以看出，此處流經(jīng)的固體砂粒數(shù)量偏少，砂粒與壁面撞擊的頻率偏低，所以沖蝕率偏小。

圖6　壁面沖蝕率分布

圖7　固體砂粒運動軌跡

2.3沖蝕磨損影響因素分析

2.3.1入口速度的影響

在砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，砂粒直徑為0.3 mm的條件下，最大沖蝕率隨入口速度的變化情況如圖8所示。由圖8可知，隨著入口流速的增大，最大沖蝕率呈現(xiàn)指數(shù)增長趨勢。隨著含砂流體速度的增大，砂粒所具有的動能也隨之增大，導(dǎo)致砂粒對壁面的剪切力矩與撞擊力增大；另外，在含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定的情況下，隨著入口流速的增大，砂粒撞擊壁面的頻率升高，易造成壁面的沖蝕磨損率增大。

圖8　入口速度與最大沖蝕率的關(guān)系曲線

2.3.2砂粒直徑的影響

在入口流速為20 m/s，砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的條件下，最大沖蝕率隨砂粒直徑的變化情況如圖9所示。由圖9可知，隨著砂粒直徑的增大，最大沖蝕率先增大后減??；砂粒直徑在0.15～0.50 mm時，最大沖蝕率的變化幅度較小。對于直徑較小的砂粒，流體對其具有較好的攜帶作用，砂粒與壁面的碰撞效果更加充分，出現(xiàn)較大的沖蝕磨損率；隨著砂粒直徑的增大，流體對砂粒的攜帶作用下降，并且砂粒間發(fā)生相互碰撞造成能量損失的幾率增加，導(dǎo)致砂粒與壁面碰撞的沖擊動能偏小，出現(xiàn)較小的沖蝕磨損率。此外，隨著砂粒粒徑增大，砂粒與壁面碰撞的面積也同時增大，因此會使單位面積上的沖蝕磨損率降低。所以單位面積上的沖蝕磨損率降低。在砂粒直徑為0.05 mm時，壁面的最大沖蝕率出現(xiàn)了峰值。主要原因是：流體對砂粒的攜帶作用較強，砂粒具有較高的速度，并且砂粒直徑較大，砂粒的質(zhì)量較大，導(dǎo)致砂粒與壁面的沖擊動能偏大。所以石油含砂的直徑在0.05 mm左右時，外護(hù)管的沖蝕磨損現(xiàn)象會比較嚴(yán)重。

圖9　砂粒直徑與最大沖蝕率的關(guān)系曲線

2.3.3砂粒含量的影響

在入口速度為20 m/s，砂粒直徑為0.3 mm的條件下，最大沖蝕率隨含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況如圖10所示。由圖10可知，隨著含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，最大沖蝕率呈現(xiàn)反比例降低趨勢；當(dāng)含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%時，最大沖蝕磨損率的變化幅度較小。主要原因是：隨著含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，砂粒之間發(fā)生相互碰撞沖擊的幾率也隨之增加，消耗了砂粒的動能，導(dǎo)致砂粒與壁面間的沖擊碰撞強度減弱；并且含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)更大，容易造成外護(hù)管側(cè)流孔處堵塞，導(dǎo)致砂粒與壁面的碰撞頻率降低。

圖10　含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)與最大沖蝕率的關(guān)系曲線

3結(jié)論

1)利用CFD方法分析了油井防砂篩管的外護(hù)管縫口處固液兩相流的流場分布情況。通過對壁面的剪切應(yīng)力、沖蝕率分布和砂粒的軌跡路線的分析，得到了外護(hù)管縫口處最大沖蝕磨損率的位置和產(chǎn)生原因。

2)改變?nèi)肟诹魉?，會影響固液兩相流對壁面的沖蝕情況。隨著入口流速的增大，最大沖蝕率呈現(xiàn)指數(shù)增長趨勢。

3)改變砂粒直徑，會影響固液兩相流對壁面的沖蝕情況。隨著砂粒直徑的增大，最大沖蝕率先增大后減??；砂粒直徑在0.15～0.50 mm，最大沖蝕率的變化幅度較??；石油含砂的直徑在0.05 mm左右時，外護(hù)管的沖蝕磨損現(xiàn)象會比較嚴(yán)重。

4)改變含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)，會影響固液兩相流對壁面的沖蝕情況。隨著含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，最大沖蝕率呈現(xiàn)反比例降低趨勢；當(dāng)含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%時，最大沖蝕磨損率的變化幅度較小。

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Erosion Wear Analysis of External Protecting Pipe with Spiral Composite Screen Pipe in Solid-Liquid Two-Phase Flow

WANG Zhijian，JIA Yanbo，SHANG Xiaofeng

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering，ShenyangAerospaceUniversity，Shenyang110136，China)

Abstract：Though the external protecting pipe is one of the most important components of spiral composite screen pipes，little research has been conducted on the field of its erosion fracture.In order to provide reference for the design of the external protecting pipe，the erosion model of external protecting pipe was established in CFX，and the flow situation of the seam position with the oil containing sand was simulated.The position of maximum erosion wear was obtained and influence factors of erosion wear was analyzed.The results showed that the maximum erosion occurs at the connection position of the bottom and slope surface and near the bottom surface.The maximum erosion rate increase exponentially with the growth of entrance velocity.As the diameter of sand is about 0.05 mm，erosion phenomenon of external protecting pipe will be more serious.The reduction of the maximum erosion rate show inverse proportion trend with the growth of sand mass fraction.

Keywords：screen liner；external protecting pipe；erosion wear；numerical simulation

中圖分類號：TE925.302

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.002

作者簡介：王志堅(1974-)，女，河南安陽人，教授，博士，2005年畢業(yè)于東北大學(xué)流體機械及工程專業(yè)，主要研究方向：工程有限元方法、流動傳熱傳質(zhì)仿真、多場耦合數(shù)值模擬等，E-mail：tadesuosi@163.com。

收稿日期：①2015-09-20

文章編號：1001-3482(2016)02-0006-05