高压管汇多相流体冲蚀数值模拟研究

赖晓明

摘 要：针对国内外高压管汇件产品很难满足我国页岩气商业化开采，面临超高压压裂作业难题，在实际工程作业中陆续出现的一些质量问题，本课题将采用CFD软件仿真分析固-液两相流动，运用数值模拟方法能获得在各种工况下的完整数据，考虑固相颗粒之间的作用和固-液相之间的耦合作用力，分别对颗粒物含量较低时和固相颗粒含量较高的压裂作业流体工况进行分析，优化现有产品结构，解决一些重要的国产管汇件使用寿命不稳定的难题。

关键词：页岩气；压裂；CFD分析；数学模型

中图分类号：TE345 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）11-0097-02

0 引言

我国在油气勘探开发的广度和深度方面呈现出大幅的上涨态势，特别是页岩气油气资源的勘探开发，对压裂设备提出了前所未有的挑战，2015年左右，由于原有高压管汇性能满足不了作业要求，分别在新疆油田和川庆钻探等作业区块，连续发生了多次高压管汇失效事故。另外，近20年来，计算机运用技术取得的飞速发展，其中流体力学计算（Computational Fluid Dynamics，CFD）方面的研究也取得了前所未有的进步，研究逐步成为了一种与实验研究并存的有效手段。

1 研究目标

以为内径为3寸，工作压力约140Mpa的高压弯头为对象。这里为该样式的高压弯头构建了四种空间角度位置不同的两弯头相联接方式，分别为两弯头所在平面夹角为0°，45°，90°和135°。针对这些不同的联接方式，首先使用FLUENT所带前置网格软件GAMBIT建立相应的计算区域，各联接方式弯头的计算区域均由4部分组成：进口直管段、弯管1、弯管2及出口直管段。

2 网格划分

运用计算机对样品进行三维建模，用GAMBIT软件对模型进行本体材料的网格划分，完成计算空间的离散创建。采用FLUENT软件对流场进行有限体积法计算，实现计算的基础和前提是网格划分，其结果将直接影响到最终数值计算的稳定性、高效性和结果的准确性。在GAMBIT軟件时，为使计算更加准确、快捷，可以采用六面体网格划分，并在管壁处添加适当的边界层网格以便能更好的分析近管壁处的流动情况。所研究的四种不同联接方式模型图如图1所示。

3 边界条件及多相物性

把速度进口（velocity inlet）设定为管线进口端边界条件，根据实测的流量值计算得到流场入口速度；管段出口边界条件设置为压力出口（pressure outlet）；管壁设置为无滑移壁面（no-slip wall）。计算中所用材料相关物性为：支撑剂为30/50目（视密度：3.22g/cm3，体积密度：1.8g/cm3）；100目（视密度：3.14g/cm3，体积密度：1.67g/cm3），压裂液密度：1.0g/cm3，粘度：0.08pa·s。

4 多相流模型设置

当使用离散相模型时，采用双向耦合方式计算，液相湍流模型中选用标准双方程模型，颗粒运动阻力计算时选用球形阻力公式，颗粒粒径采用均匀分布，管壁边界条件设为反射边界，选用随机追踪模型预测由液相湍流引起的颗粒弥散。

压力速度耦合求解方法选用SIMPLEC方法，动量方程，湍动能及湍动能耗散率方程选用二阶迎风格式进行离散。各松弛因子选用默认设置。

当使用双流体模型时，选择Eulerian双流体模型，湍流选择标准多相混合模型（Mixture Multiphase Model）的双方程模型。固相颗粒粘度选用syamlal-obrien模型，颗粒体积粘度选用lun-et-al模型，忽略颗粒摩擦粘度，固体压力选用lun-et-al模型，径向分布函数选用lun-et-al模型，相间曳力选用gidaspow模型。

压力速度耦合求解方法选用PC-SIMPLE（Phase Coupled SIMPLE）方法，体积分数方程选用一阶迎风格式；动量方程，湍动能及湍动能耗散率方程选用二阶迎风格式进行离散。各松弛因子选用默认设置。

5 模拟结果及分析

对于目前确定的四种不同类型的弯管结构，分别模拟了30、50、100目等三种不同粒度颗粒多相流的情况。计算所设液流速度为15m/s，颗粒在计算区域入口处的流速设为与液流相同，颗粒流量设为3.6Kg/s。

分析颗粒粒度取为30目，弯管夹角为0°时的流场分布。弯管部分外侧的压应力高于内侧，在内侧压应力沿流动方向先降后升，在外侧应压力沿流动方向先升后降。因此，液流速度会在靠近内侧处先增加后减少，在靠近外侧处先减少后增加，液流相速度的急剧变化会加强颗粒相湍流程度，使得颗粒更易在管壁处发生冲蚀磨损。

由于固-液两相存在密度差，在沿流动方向上颗粒浓度逐渐增大，在弯管处两相出现了不同的运动形式，固-液两相在离心力作用下分离使固相颗粒集中在偏向弯管外侧，造成外侧壁面的颗粒浓度大幅增加。另外，在该处弯管两侧各有一个近似对称的颗粒浓度较高区域，这是弯管内的二次流造成的。

图2分别给出了当固相颗粒粒度取30目的情况下，三种弯管夹角分别为45°、90°和135°时弯管内的颗粒磨损率分布图。从图中可以看出磨损区域主要分布在弯管外侧管壁附近，在内侧管壁区域几乎没有磨损发生，且随着角度的增大，磨损严重区向弯管出口方向移动。

表1给出了三种不同粒度颗粒分别在四种不同弯管结构中模拟计算的压降及磨损率。从表中可以看出，颗粒粒度对压降的影响不大，弯管4压降弯管3弯管2弯管1；对于同种颗粒粒度来说，弯管2结构的平均磨损率最大。

6 讨论及小结

弯管的结构形式，即在生产中表现为管汇件的连接方式，对管汇件的耐冲蚀性能有着显著影响。不同连接方式，可能导致产品使用寿命出现倍数差距。

参考文献

[1] 张继信，樊建春，汪彤，姜心.压裂液对高压弯管冲蚀作用的数值分析[J].润滑与密封，2013（4）：27-31.

[2] 陈春，聂松林，吴正江，李壮云.高压水射流CFD仿真分析液压[J].机床与液压，2006（2）：103-105.

[3] 邓世彪，邱杰，张宏，等.大型压裂施工装备优化配套[J].石油机械，2011，39（9）：89-91.