基于FLUENT的流量控制工具阀的仿真研究

刘欣， 刘元杰， 郭晓亮， 张凯

（大连理工大学机械工程学院振动工程研究所，辽宁大连 116024）

0 引言

经过多年的开采，石油资源越来越紧缺，世界原油总产量出现供不应求，而且新油井的性能也会随时间慢慢变差，出现油层出水等现象。当油层出水时，采出液中含水，而且其含水量会随时间越来越高，这会增加提取难度，降低生产效率，增加开采成本，导致原油产量降低[1-2]。

20多年前，国外成功地研发出了井下流量控制装置ICD（Inflow Control Device）和井下流量控制阀ICV（Inflow Control Valve）,提高了原油产量，使开采系统智能化。ICD和ICV均能在一定程度上降低油层出水的程度，提高开采效率。但因ICD装置不可调控，其灵敏性较差，而且无法适应井下环境的变化，只能适用于单一环境下的油井；而ICV装置可调控，井下装置通过传感器系统反馈的信息自动调整，其灵活性和适应性较强，但其生产成本较高，无法满足高强度作业，可靠性较差，使用寿命较短。国内外在智能井方向越来越成熟，但是还存在一些不足。本文针对以上问题，并依据现有研究成果，现研发出一种流量控制工具阀（以下简称工具阀），减轻油层出水的问题，达到控水增油的效果[3-9]。

1 工具阀的初始研究

1.1 工具阀的初始模型

根据工具阀的工作原理分析,工具阀中碟片是唯一的活动部件，通过改变开度（开度定义为碟片上表面与工具阀内唇的距离，平衡开度定义为工具阀在平衡位置时，碟片上表面与工具阀内唇的距离）来达到控水增油的效果，且需保证工具阀的入口面积与工具阀达到最大开度时的过流面积相等，设计出合理的内流通道，保证工具阀出口面积总和大于入口面积。所设计的工具阀结构如图1所示（设计之初，在底座中增加排砂孔，以便保证工具阀的长期工作性能），工具阀的结构形式简单，主要由碟片、底座、阀体和内套4个部分构成。

1.2 工具阀的工作原理-流线图说明

图1 工具阀的三维结构图

图2所示为工具阀的原理图，碟片可以根据流入流体的性质和流动状态自动改变开度大小，无需外界提供任何动力，碟片动作属于纯机械式的。工具阀工作原理主要是依据伯努利方程。理想状态下液体的伯努利方程表示为

图2 工具阀的工作原理图

工具阀中的流体受到质量力和表面力（又分为正压力和切向力），将作用在单位面积流体上的正压力称为静压，将流体运动时的能量称为动压。能量守恒定律表明，实际流体在流动时需克服由于黏性所产生的摩擦阻力，存在能量损耗，但在流体流线方向，流体的静压ps（p1、p2），动压）和损耗压力Δp损三者总和不变，工具阀是以这种规律为基础的。

工具阀的内部流线图如图3所示，流体在通过阀门到流出腔体前具有一定的动压，且静压较小；流体在碟片最远端时，会有一个转向的过程，此时动压变静压产生pst，滞止压力pst沿碟片边缘传递到下方，碟片两表面产生一定的压力差，带动碟片的上下移动。低黏度流体时，流速较快即动压较大，在碟片边缘产生的滞止压力pst较大，碟片两边面的压力差较大，碟片向入口方向移动，碟片开度变小，流体的流动截面变小，流体流量较小。

图3 工具阀的内部流线图

图3中，流体在通过碟片上边面时，高黏度流体相对低黏度流体的流速较小，形成的滞止压力pst较小，在碟片下方的压力场较小。当水通过工具阀时，流速较快，较大的滞止压力形成较大的压力场，使碟片向入口方向移动，碟片趋于关闭的状态，此时流体流量较小，工具阀表现的是节流作用；当高黏度流体流进阀体时，由于较小的压力场，碟片会趋于全开状态，此时流体流量较大[10-12]。

1.3 工具阀的工作原理-压力云图说明

图4、图5分别表示工具阀在碟片开度H=2.00 mm时，低黏度流体（水）和高黏度流体（高黏度油）流场的压力云图。低黏度流体时，碟片下方流场的压力较大，推动碟片向入口方向移动。如图6所示为碟片平衡位置时低黏度流场的压力云图，低黏度流体时，碟片开度较小，工具阀的流量较小，表现为工具阀的控水效果；而高黏度流体时，碟片下方流场的压力较小，导致碟片底部的压力不足，如图7所示为碟片平衡位置时高黏度流场的压力云图，高黏度流体时，碟片开度较大，工具阀的流量较大。

图4 碟片开度H=2.00 mm时，低黏度流体流场的压力云图

图5 碟片开度H=2.00 mm时，高黏度流体流场的压力云图

图6 碟片平衡位置时，低黏度流体流场的压力云图

图7 碟片平衡位置时，高黏度流体流场的压力云图

工具阀的内部流线图和流场的压力云图均表明所设计的工具阀高黏度流体流量较大，低黏度流体流量较小，即实现了工具阀控水增油的目的。

1.4 工具阀仿真方法

仿真计算时，采用动态网格技术虽然能很好地说明工具阀内部流体的动作形态,但是动网格仿真操作复杂，工作量较大，且周期时间较长，不适于短时间内的理论研究。现通过选取碟片不同的开度，人为分析碟片的受力情况，通过不同碟片的受力大小，确定碟片的运动趋势，然后通过多个碟片开度的受力情况，画出EXCEL图表，得到碟片的平衡开度以及工具阀的流量大小和相关云图，然后用这种方法来验证工具阀的控水增油的效果以及增强了工具阀控水效果的可靠性[13－17]。

1.5 引压孔的引用

该工具阀设计的初衷是达到控水增油的目的，研究发现这种结构的工具阀虽然能起到很好的控水效果，但通过压力云图发现低黏度时碟片下方流场的压力依然较小，如果能将压力更多地引导到碟片下方流场，碟片依然会有向入口方向移动的趋势，控水效果会进一步增强。为了达到这种效果，在碟片上设计出引压孔。引压孔有两种形式：横向引压孔和纵向引压孔（如图8～图9）。

图8 横向引压孔的控制阀的三维图

图9 纵向引压孔的工具阀的三维图

2 工具阀控水效果的增强

为验证横向和纵向引压孔的工具阀这两种方案的控水效果，选取8 mm直径入口的工具阀来建立模型。在低黏度流体（水）的情况下碟片的平衡开度与工具阀平衡流量的结果如表1所示。

表1 两种方案的数据情况

表1中，竖向引压孔的工具阀的平衡流量更小即低黏度流体时，带有竖向引压孔的工具阀的控水效果更好。为了更好地说明两种引压孔的导压效果，取开度H=0.15 mm时的低黏度流体（水）的工具阀，仿真得到的压力云图如图10和图11所示。

表1表明竖向引压孔的工具阀的控水效果更好，分析原因：如图10和图11工具阀流场的压力云图表示：横向引压孔的碟片下方的压力小于竖向引压孔的碟片下方的压力。这表明竖向引压孔能更好地将压力传导下去，竖向引压孔的碟片向腔室入口方向移动的趋势更大，碟片的平衡开度较小，具有较好的控水效果。相比于横向引压孔，带有竖向引压孔的碟片的工具阀还具有明显的排砂效果。

图10 横向引压孔的工具阀流场的压力云图

图11 竖向引压孔的工具阀流场的压力云图

3 工具阀结构参数与性能分析

根据仿真结果分析，发现同一入口直径的工具阀，在不同碟片直径下，工具阀对流体黏度适应范围有差别。为了验证碟片面积与入口面积的比值对工具阀黏度适应范围的影响，选取了4 mm直径入口的工具阀来建立模型，碟片面积与入口面积的比值分别取5.0、7.5、10.0三种来探求其影响规律。不同黏度流体时，工具阀在平衡位置的流量如图12所示。

图12 在不同比值下，工具阀的流量与黏度的关系

由图12得出以下结论：1）碟片面积与入口面积的比值越大，工具阀黏度适应范围越大；2）碟片面积与入口面积的比值越小，工具阀对黏度的敏感性越强，而且在较低黏度时表现最为突出；3）碟片面积与入口面积的比值越大，工具阀的自适应控水效果越好，但是在高黏度流体时，碟片面积与入口面积的比值越大，工具阀达到全开时所需要的流体黏度越大。

图12表明，当工具阀达到全开之后，随着流体黏度的增加，工具阀的流量反而减小。因为流体在圆环平面缝隙间的流动时，其流量（r1表示工具阀的入口半径），工具阀在全开时开度h是一定的，随着流体黏度越大，工具阀流量就越小。

4 结论

1）流线云图和压力云图均表明：低黏度流体时，碟片趋于关闭，开度较小，表现的是控水效果，高黏度流体时，碟片趋于打开，开度较大，表现的是增油效果，表明所设计的工具阀控水增油的可靠性。

2）在碟片引入的纵向引压孔能很好地将压力传导到碟片底部流场，使工具阀控水的效果进一步加强，极大提高了工具阀的功能性。

3）碟片面积与入口面积的比值决定黏度适应范围（比值越大，黏度适应范围就越大）和控水效果（比值越大，控水效果越好）；碟片上引压孔主要影响控水效果，孔面积越大，工具阀控水效果越好，但是同时碟片在同等黏度下越不容易到全开状态。