牛貴鋒，楊萬有

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452)①

高溫高壓井下安全閥閥板優(yōu)化研究

牛貴鋒，楊萬有

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452)①

高溫井下安全閥均采用金屬材料制成，可用于350 ℃高溫、高壓水蒸汽及二氧化碳環(huán)境，為熱采井的安全控制提供保障。受試驗條件限制，通過試驗研究閥板的性能，周期長，且費用較高。采用數(shù)值模擬方法，對閥板受流場影響進(jìn)行了研究。在流體模擬計算過程中將濕蒸汽兩相流理論與工程熱物理中的流體熱物性計算方法有機(jī)結(jié)合，解決了閥體內(nèi)流體參數(shù)及溫度場的計算問題，提高了計算精度和速度。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，采用新的傳動結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)閥板的開啟和關(guān)閉壓力，改變了動密封結(jié)構(gòu)，提高了產(chǎn)品的使用壽命。

安全閥；高溫；高壓；閥板；數(shù)值模擬；試驗研究

井下安全閥是井中流體非正常流動的控制裝置，海上生產(chǎn)設(shè)施發(fā)生火警、管線破裂、發(fā)生不可抗拒的自然災(zāi)害，例如地震、冰情、強(qiáng)臺風(fēng)等非正常情況時，能緊急自動關(guān)閉，實現(xiàn)井中流體的流動控制，是海上完井管柱極為重要的組成部分[1-2]。高溫井下安全閥更是海上稠油熱采作業(yè)不可或缺的一道安全屏障。

高溫井下安全閥是一種用于高溫?zé)岵森h(huán)境的油管攜帶式井下安全閥，它是通過連接到地面的控制管線控制閥板的開啟和關(guān)閉，實現(xiàn)對油氣井的流體控制，保證生產(chǎn)安全。與傳統(tǒng)安全閥相比，該安全閥是專門針對超高溫環(huán)境研發(fā)的井下安全閥。

井下安全閥通常采用活塞式結(jié)構(gòu)或滑動心軸結(jié)構(gòu)推動閥板的開啟和關(guān)閉，這2種結(jié)構(gòu)都必須用密封件密封，這就會帶來以下缺點：①無法承受高溫；②井下的沙塵一旦進(jìn)入密封面，可能導(dǎo)致卡死；③反復(fù)的開啟關(guān)閉可能導(dǎo)致密封件損壞，因此使用次數(shù)有限。

傳統(tǒng)的井下安全閥由于彈簧的彈力有限，加上活塞或滑動心軸由于桿件的穩(wěn)定性原因，截面面積不會太小，導(dǎo)致開啟、關(guān)閉壓力不高，因此很難滿足超深水安裝；井下安全閥連接的控制管線是通過卡套連接到管線后用NPT螺紋纏繞膠帶擰入進(jìn)壓孔的，這種結(jié)構(gòu)不能擺脫對膠帶的依賴，溫度會使密封失效；井下安全閥的本體存在高溫下的靜密封問題。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

高溫井下安全閥主要由接頭、高溫動密封總成、彈簧、外筒、中心管、閥板組件等組成，如圖1所示。該井下安全閥沒有使用任何橡膠或高分子材料密封件，解決了高溫下的動密封和靜密封問題；采用新的傳動結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的活塞式結(jié)構(gòu)或滑動心軸結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)閥板的開啟和關(guān)閉壓力；改變動密封結(jié)構(gòu)提高產(chǎn)品的使用次數(shù)和壽命；改變控制管線的連接方式，使之不使用膠帶且更可靠。

工作原理：安全閥上下螺紋連接油管并安裝一根連續(xù)的控制管線下入井中，控制管線加壓推動高溫動密封總成伸出，經(jīng)過傳遞組件推動中心管下移，壓縮壓簧打開閥板；當(dāng)需要關(guān)閉時，控制管線卸壓，彈簧推動中心管和波紋管后移，關(guān)閉閥板。

1—上接頭；2—中接頭；3—高溫動密封總成；4—彈簧；5—外筒；6—中心管；7—閥板組件；8—下接頭。

核心動密封部件采用高溫動密封總成結(jié)構(gòu)，提供可靠的動密封，由于是金屬密封，其工作溫度可以達(dá)到400 ℃，解決耐高溫問題。高溫動密封總成為封閉腔體，不可能有沙塵進(jìn)入，外部的小顆粒對它沒有影響。動密封部件的往復(fù)運動疲勞次數(shù)可以達(dá)到2萬次，因此大大提高了開關(guān)的使用次數(shù)。由于高溫動密封總成為封閉金屬，可以保證在不破壞情況下永不滲漏，因此安全性極高。高溫動密封總成如圖2所示。

1—尾堵；2—上連接筒；3—密封組件；4—外套；5—推桿。

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 流道模型建立

在高溫井下安全閥打開和關(guān)閉的過程中，流過安全閥流體的壓力變化對安全閥的設(shè)計至關(guān)重要。通過進(jìn)一步的應(yīng)力分析，獲得作用于閥板表面的流體壓力定量估算?；诔顑恿黧w和注入熱流體條件，推導(dǎo)出管路水力學(xué)邊界速度，經(jīng)過分析研究，對模擬的井下安全閥進(jìn)行簡化，僅對與閥板相關(guān)的部分進(jìn)行建模分析。如圖3～4所示。

圖3 閥板開度定義示意

圖4 閥板流體域

通過在ANSYS CFX[3]軟件計算一組準(zhǔn)靜態(tài)流體動力學(xué)，分析閥板開啟過程中流體速度場和壓力場的變化。根據(jù)閥板不同的開度，模擬分析5、15、25、35、45、55、65、75、87°(完全打開)9種不同閉合角度時的情況。

為了使井下安全閥CFD分析條件符合研究要求，在研究過程中廣泛調(diào)研大量文獻(xiàn)，得到在此種極端條件下油藏流體的性質(zhì)。對于準(zhǔn)靜態(tài)流體模擬分析，黏度是關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如能得到在設(shè)計壓力和溫度下的黏度是最理想的。另外，通過已知的氣體溶解度和泡點壓力，使用經(jīng)驗公式進(jìn)行適當(dāng)推算，得到設(shè)計壓力和溫度下的密度和黏度值等流體性質(zhì)[4]。

3.2 剪切應(yīng)力輸運方程-湍流模型

從計算的雷諾數(shù)來看，預(yù)計計算流體為高度湍流流體。因此，需要在ANSYS CFX中選擇合適的湍流模型，以獲得準(zhǔn)確的數(shù)值模擬結(jié)果。在ANSYS CFX所有湍流模型中，剪切應(yīng)力輸運模型具有壁面自動處理功能。

剪切應(yīng)力輸運k-ω模型是雙方程渦黏模型。雙方程模型包括k-ε模型和k-ω模型，是目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模型，其中紊流動能為k；ε為湍流耗散；ω為特定耗散。1993年，Menter[5]組合和修正了這兩個模型，從而得到新的剪切應(yīng)力輸運湍流模型，在此湍流模型中，k-ε模型經(jīng)常用在內(nèi)流域，利用其比較簡單，以達(dá)到更好的數(shù)值穩(wěn)定性；而k-ω模型經(jīng)常用在外流域或自由流域，因為它是獨立的自由湍流。另外，對渦流黏度修正以加強(qiáng)負(fù)壓梯度作為運輸剪應(yīng)力。最終模型命名為剪切應(yīng)力輸運k-ω模型，該模型已被證明在處理負(fù)壓梯度和流動分離情況下有很好表現(xiàn)[6]。這與對進(jìn)行閥板流體動力分析的情況相符，閥板下部產(chǎn)生負(fù)壓梯度和流動分離。

ANSYS CFX建議使用壁面自動處理以獲得更精確模擬結(jié)果[7]，在對井下安全閥閥板進(jìn)行計算流體動力分析過程中，準(zhǔn)確處理管壁邊界層非常重要。壁面自動處理將低雷諾數(shù)表達(dá)式轉(zhuǎn)換為基于網(wǎng)格間距壁面公式，而低雷諾數(shù)公式計算精度在很大程度上取決于如何分辨近壁精度。

3.3 網(wǎng)格和邊界條件

流體控制方程解析求解實際問題，不進(jìn)行簡化幾乎是不可能的。數(shù)值方法適用于變換控制方程為代數(shù)方程以求近似解。ANSYS CFX中的數(shù)值離散方法被稱為有限體積法[8]，有限體積法在計算流體動力學(xué)中是最常用的數(shù)字方法之一。

假設(shè)：Q是目標(biāo)量，Ω是有限體積，F(xiàn)是有限體積邊界Γ下的流量。對于每個有限體積，滿足守恒公式[8]。

(1)

有限體積法的理念是離散流體域為不同的網(wǎng)格，然后這些網(wǎng)格用于構(gòu)建控制體積或有限體積。閥板流體域網(wǎng)格劃分如圖5。

未知變量是設(shè)在有限體積的中心和變量之間的插值函數(shù)。微分方程通過對控制體積的積分，得到最終的離散方程解。

圖5 閥板流體域網(wǎng)格劃分

計算流體動力分析的入口邊界條件中需要一個合適的速度剖面。首先計算出平均速度，接著計算速度剖面也即最大速度。按照定義，在圓形橫截面上的平均速度表達(dá)為[9]

(2)

式中：vavg為圓形管道橫截面上平均速度，m/s；D為圓形管道橫截面直徑，mm；R為圓形管道橫截面半徑，mm；r為流體域剖面半徑，mm。

由于雷諾數(shù)[10]表明管路中是紊流狀態(tài)，通常用冪律速度剖面來模擬紊流流動速度。冪律速度給出了一個相對較好的管路湍流代表性形狀。

(3)

(4)

冪律速度可以用n和最大速度計算得出，在紊流狀態(tài)及較深的儲層條件下，平均速度接近最大速度，最大速度減小則速度剖面變得更加平坦。

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在Ansys CFX中用一個準(zhǔn)靜態(tài)方式進(jìn)行閥板打開過程的計算流體動力學(xué)分析，因為閥板打開過程是一個困難和緩慢的過程。模擬結(jié)果顯示在極端高溫高壓條件下，閥板受力最惡劣的情況發(fā)生在閥板剛開始打開時。假設(shè)油藏深度3 000 m，油藏壓力200 MPa，閥板承受壓力如表1所示。

表1 3 000 m油藏深度時閥板承受壓力

在閥板開度時，油藏壓力作用于閥板的最大壓差達(dá)到1.2 MPa；當(dāng)閥板繼續(xù)打開，作用于閥板的最大壓差逐漸降低；在閥板完全打開的情況下，穿過閥板內(nèi)、外面的壓差為-0.001 MPa(負(fù)號表示內(nèi)表面的壓力大于外表面的壓力)，表示在閥板的某一區(qū)域存在阻止閥板閉合的壓力。

通過計算，在閥板全部打開的情況下，作用在閥板上的力為-75.62 N。因此，后期設(shè)計中需要增加一個使閥板閉合的安全扭轉(zhuǎn)彈簧。

油藏深度3 000 m、閥板開度在5～87°條件下閥板上、下面等壓線分布如圖6所示。

圖6 油藏深度3 000 m時閥板開度在5～87°條件下閥板上、下面等壓線分布

由圖6可見，閥板在打開過程期間深色區(qū)域有一個快速的下降。這是由于流體垂直作用于閥板上的面積逐漸減少，作用力也在逐漸降低。

不同油藏深度下閥板打開過程阻力的變化曲線如圖7所示。阻力隨著閥板的逐漸打開而快速下降。

圖7 閥板開度與阻力關(guān)系曲線

進(jìn)一步對閥板進(jìn)行有限元分析，閥板經(jīng)常承受沖擊載荷的作用，受力情況復(fù)雜。閥板開啟過程中，所需要克服的阻力主要包括柱狀壓縮彈簧反彈力、扭轉(zhuǎn)彈簧的扭轉(zhuǎn)力軸向分量和扭轉(zhuǎn)彈簧徑向分量使中心管所產(chǎn)生的摩擦力。分別計算3種力并求和，則為推動中心管所需要的軸向力(此處忽略其他較小的摩擦力)。閥板在不同開啟角度時所需軸向力如表2。

閥板在50.0 MPa壓差下的有限元分析應(yīng)力云圖如圖8所示。

表2 閥板不同開啟角度下的軸向力

注：柱狀彈簧剛度為3.27 N/mm，扭轉(zhuǎn)彈簧剛度為11.1 N·mm /(°)，摩擦因數(shù)為0.15。

圖8 閥板在50.0 MPa壓差下的應(yīng)力云圖

由圖8可知，最大剪切屈服等效應(yīng)力為536 MPa，小于材料許用剪切應(yīng)力1 020 MPa，閥板設(shè)計安全。

通過有限元分析進(jìn)一步獲取閥板上的流壓分布。在閥板打開過程中，對由于流壓引起的高阻力，閥板的初始運行將是極其困難的，閥板很容易出現(xiàn)“閉鎖”現(xiàn)象。從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，閥板承受極高壓差，如果控制管線的壓力不能克服儲層液體作用于閥板的壓力，閥板將不能打開甚至被鎖定。在下一步的設(shè)計工作中，可以考慮使用可靠的壓力驅(qū)動機(jī)構(gòu)或其他輔助結(jié)構(gòu)替代常規(guī)的液壓驅(qū)動，還應(yīng)設(shè)計安全扭簧處理閉合抗力擾動。

4 結(jié)論

1) 選用模型可對閥板流場進(jìn)行較準(zhǔn)確的數(shù)值模擬，并節(jié)省時間，縮短開發(fā)周期。依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果優(yōu)化設(shè)計壓力驅(qū)動機(jī)構(gòu)或其他輔助結(jié)構(gòu)及處理閉合抗力擾動的扭簧。

2) 數(shù)值模擬方法從理論上對井下安全閥的閥板在高溫高壓下的力學(xué)特性進(jìn)行深入研究，為設(shè)計高效安全設(shè)備提供了新途徑。

3) 數(shù)值模擬結(jié)果顯示，由于克服閥板的高壓差去打開閥板，在初始階段是極其困難的。通過參數(shù)優(yōu)化研究，可使閥板上最大應(yīng)力水平減小到一個可接受的范圍。

[1] 謝梅波，岳江河，王海東.各類井下安全閥系統(tǒng)的安裝的特點及安裝設(shè)計概述[J].中國海上油氣，1995，7(4)：31-32.

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[10] 袁恩熙.工程流體力學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2000.

Optimization of Valve Plate of High Temperature and High Pressure Downhole Safety Valve

NIU Guifeng，YANG Wanyou

(Enertech-drilling&ProductionCo.，CNOOC，Tianjin300452，China)

The high temperature downhole safety valve is made of metal materials，can be used for the working environment of 350 degrees centigrade，high pressure water vapor and carbon dioxide environment.It provides protection for the safety control of thermal recovery wells.Under the experimental conditions，the performance cycle of the valve plate is simple through the experiment，and the cost is high.To this end，the numerical simulation method is used to study the effect of the flow field on the valve plate.The fluid simulation process of wet steam two-phase flow thermal theory and engineering thermal physics in calculation methods are combined to solve the problem of calculating the fluid parameters and temperature field inside the body，which improves the calculation accuracy and speed.According to the optimization results，the opening and closing pressure of the valve plate is adjusted by using the new drive structure，which changes the dynamic seal structure to improve the use times and the life span of the product.

safety valve；high temperature；high pressure；valve plate；numerical simulation；experimental study

2016-10-14 基金項目：國家“十二五”科技重大專項“海上稠油熱采采油技術(shù)研究” 部分研究成果(2011ZX05024-005-003) 作者簡介：牛貴鋒(1979-)，男，高級工程師，主要從事油氣田開發(fā)與開采方面的研究工作，E-mail：niugf@cnooc.com.cn。

1001-3482(2017)02-0011-06

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.003