直井測斜儀閥頭流場及沖蝕特性研究

摘要：直井測斜儀在井下惡劣環境中流場特性復雜，尤其閥頭部分容易發生沖蝕磨損。建立直井測斜儀閥頭三維模型，并對其流場和沖蝕特性進行有限元仿真分析，其中閥頭流場區域中間段作網格加密處理。結合現場工況參數，采用質量流量入口及壓力出口來完成邊界條件設置并求解。結果表明最大速度及最大湍流效應發生的位置在鉆井液通過導流套的節流入口處，最大湍流速度為15.8 m/s。分析離散相模型的粒子運動軌跡，發現存在于閥頭表面上方的粒子出現明顯堆積與反彈現象，對閥頭表面有一定的沖蝕效應。分析閥頭表面所受到的靜壓力云圖和剪應力云圖，應力集中現象分別出現在閥頭直接受鉆井液沖擊處和閥頭流通鉆井液的凹槽處。將求解結果與現場試驗情況對比，驗證了仿真的可行性及準確性。研究結果可解釋直井測斜儀中閥頭的失效現象，并為閥頭的結構設計或優化提供依據。

關鍵詞：直井測斜儀；閥頭；流場；沖蝕；離散相模型

中圖分類號：TE927文獻標識碼：Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.02.002

Erosion Characteristics of Valve Head in Vertical Well Inclinometer

ZHANG Lei1，LI Fuqiang1，CHEN Tianyu1，LI Zhibo1，WANG Lei1，LIU Chenxi2，TANG Liping2

（1.Engineering Technology Research Institute， CNPC Xibu Drilling Engineering Company Limited，

Urumqi 830000， China; 2. Zhundong Drilling Company， CNPC Xibu Drilling Engineering Company Limited，

Karamay 834000， China; 3. Karamay Drilling Company， CNPC Xibu Drilling Engineering Company Limited，

Karamay 834000， China;4. Xinjiang Branch， CNPC Tendering Centre， Karamay 834000， China;

5.School of Mechatronic Engineering， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China）

Abstract：A vertical well inclinometer always works in hostile condition with complex flow field characteristics， and erosive wear are prone to appear on its valve head. There is little research related to the erosive wear. A three dimensional model of the valve head of the vertical well inclinometer was developed and finite element analysis based on this model were conducted to study the flow field characteristics and erosive wear. For the numerical model， the valve head was meshed with small size meshes to reach its high quality. In terms of the field parameters， mass flow and pressure outlet were used for the boundary conditions of inlet and outlet， respectively. Results show that the maximum velocity and the maximum turbulence effect occur at the throttling inlet of the guide sleeve， and the maximum turbulence velocity is 15.8 m/s. For the trajectory of a particle in the discrete phase model， it is found that accumulation and rebound phenomena appears on the valve head， which means erosive wear appears on the valve head. In terms of the static pressure and shear stress， stress concentration phenomenon occurs at the positions of drill fluid eroding the valve head and the drill fluid grooves on the valve head. By comparing the numerical results with the results of field test， it is shown that the two results are consistent. This investigation can be used to explain the failure of valve head of the vertical well inclinometer and provide the design and optimization of valve head with scientific supports.

Key words：vertical well inclinometer; valve head; flow field ; erosive wear; discrete phase model

油氣鉆井中，隨著地層深度的增加，巖石強度增大，可鉆性變差，井眼軌跡變得更加難控制。因此，在深井超深井的鉆進過程中，大量井下測量裝置被用于獲取實時的井下數據，如直井測斜儀［1］。目前，直井測斜儀按結構形式分為機械式和電子式直井測斜儀，直井測斜儀按是否需要起下鉆測量數據又分為可隨鉆測量式和不可隨鉆測量式直井測斜儀［2-3］。近年來，越來越多的隨鉆測量式直井測斜儀已經在國內廣泛應用。然而，直井測斜儀在井下的工作環境惡劣，閥頭部分長時間受到鉆井液的沖刷，容易產生沖蝕磨損。當沖蝕磨損嚴重時，會影響直井測斜儀所傳輸的井下數據的精度，地面解碼時候產生較大解碼誤差，導致地面操作人員錯誤判斷實時鉆井狀態，執行錯誤操作，產生嚴重后果及經濟損失［4］。現有研究對于直井測斜儀閥頭沖蝕磨損的分析較少。針對此類問題，通過Fluent 結合流體力學基本理論，對直井測斜儀的閥頭從不同角度下的三維空間流場進行數值仿真，得到直井測斜儀的流場和沖蝕特性。研究方法與結果可為直井測斜儀中閥頭的失效分析提供依據，并為閥頭的設計與優化提供參考。

1沖蝕理論及模型

1.1沖蝕基本理論

沖蝕磨損是指一定速度的流體介質或細小顆粒以一定角度，對零件表面進行沖刷而產生的表面材料損耗現象［5］。這種現象在實際的井下作業中十分常見。直井測斜儀在井下工作時，閥頭部分長時間受到鉆井液的沖刷，主要是鉆井液中存在固體砂礫對閥頭表面沖刷，導致沖蝕磨損。

對沖蝕磨損的研究方法有很多，其中采用試驗法、數值模擬法和試驗法及數值模擬法組合使用比較常見［6］。數值仿真具有高效和成本低等特點，廣泛應用于井下工具的流體分析中，例如采用Fluent對直井測斜儀閥頭的流場和沖蝕特性進行分析，可得到其沖蝕失效機理［7］。

1.2離散相模型

鉆井液是由液體與固體顆粒相所組成的固液兩相流體系，液體相是連續的，但是鉆井液中存在的固體顆粒相是離散的，需要作離散化處理。在計算流體力學中，對鉆井液沖蝕閥頭的過程采用離散相模型［8］進行分析。這一類模型采用歐拉-拉格朗日法進行運算，主要采用歐拉法描述連續相，采用拉格朗日法描述離散相，并通過對大量離散相的粒子的運動方程積分，得到顆粒相的運動軌跡［9-10］，涉及的方程為：

dupdt=FD（u-up）+gy（ρp-ρ）ρp+Fy（1）

FD=18μρpd2pCDRe24（2）

Re=ρdp|u-up|μ（3）

式中：up為顆粒速度，m/s；ρp為顆粒密度，kg/m3；FD為對每單位質點質量的最大摩擦力，N；CD為拖曳力系數，其值為CD=α1+α2Re+α3Re2；u是液相速度，m/s；μ是流體分子粘度，Pa·s；ρ是流體密度，kg/m3；Fy是附加加速度項；dp是顆粒孔徑，mm。

1.3物理模型

對直井測斜儀閥頭部分進行三維建模，所建三維模型如圖1所示。

對直井測斜儀閥頭部分進行流道的抽取并簡化，得到用于計算的直井測斜儀閥頭部分的流道物理模型。為了更好地展現其內部結構及內部流道區域，直井測斜儀閥頭部分流道示意圖如圖2a所示。依據圖2a再進行流道抽取，得到直井測斜儀閥頭部分流道部分半剖面三維模型視圖，如圖2b所示。

2直井測斜儀閥頭有限元模擬

2.1網格劃分及部分參數配置

圖3是基于ANSYS /Mesh的對流道部分物理模型的網格劃分。為了更好地求解計算，采用網格加密以及部分精細化參數調整，網格整體質量介于0.8～1.0，經檢驗網格滿足無關性要求及計算需求［11-12］。

2.2邊界條件的設定

使用Fluent對直井測斜儀的閥頭沖蝕特性進行研究。表1所示是直井測斜儀在石042井測斜的數據。依據現場數據，首先在求解器模型中選用k-ε湍流模型，設置湍流強度為5％，根據現場實際情況，采用質量流量入口和壓力出口。考慮現場可能遇到惡劣環境，在求解器設置中鉆井液的密度為1.5 kg/m3，連續相黏度為60 Pa·s，排量取20 L/s，從而計算出入口質量流量為30 kg/s。設置鉆井液流體的密度以及離散相模型砂礫的大小及流速，砂礫直井為0.1 mm，流速為19.7 m/s。

3計算結果與分析

3.1閥頭部分流場特性分析

按照現場工況設置邊界條件并進行運算后，得到了如圖4所示直井測斜儀閥頭部分流場速度云圖和如圖5所示的直井測斜儀閥頭部分湍流動能云圖。

由圖4得出直井測斜儀閥頭內部流場最大速度在通過導流套的節流入口處，最大速度約為15.8 m/s，流場區域其他部分常規速度在1.4～7.0 m/s。由圖5得出流場區域湍流動能較大的區域，即湍流效應較為嚴重的區域，其結果是速度的大小與湍流動能的大小幾乎呈現正相關趨勢。鉆井液流體在直井測斜儀閥頭內部會發生湍流效應，部分區域速度及湍流動能較大，且從閥頭表面區域流場特性來看，流體對閥頭表面會產生一定的沖蝕效應。

為了更好地說明在直井測斜儀內部流體流動的流場特性，給出了模型中流場沿直井測斜儀軸向方向的鉆井液的速度特性（如圖6）以及湍流動能特性（如圖7）， 可以看出，在直井測斜儀閥頭模型距入口位置50～100 mm，不論是內部流場的速度還是湍

流動能都較高，說明該部分的湍流效應較為嚴重。因此，在閥頭表面區域，由于該湍流流體的直接沖擊，導致閥頭所受到沖擊的速度較大，使得閥頭表面更加容易產生沖蝕磨損。

3.2直井測斜儀閥頭內表面壓力

直井測斜儀閥頭內表面壓力特性如圖8所示。由圖8可知，雖然直井測斜儀閥頭內部存在湍流效應，但是引起的直井測斜儀閥頭內部表面壓力集中現象不明顯，因此，鉆井液的沖刷對直井測斜儀閥頭內部表面沖刷引起沖蝕磨損的概率較小。

3.3離散相模型粒子運動軌跡分析

按照現場的實際工況，鉆井液中含砂量約為0.5％，并按照此含砂量來設置質量流量來模擬離散相粒子運動軌跡，所得到的離散相粒子運動軌跡特性如圖9所示。輸入的離散相粒子略小于輸出的離散相粒子，由于閥頭部分的節流效應，部分離散相粒子會在直井測斜儀內部短暫滯留，存在于閥頭表面上方的粒子會出現明顯堆積和反彈現象，這種現象表明砂粒對閥頭表面有較強的沖蝕。

3.4閥頭沖蝕特性分析

由于鉆井液是液體與固體顆粒組成的固液兩相流體系，在入井作業之后，閥頭所處的位置直接受到鉆井液的沖刷，相比于其他部件更加容易產生沖蝕磨損［13-15］。為了減緩閥頭的沖蝕磨損，提高其使用壽命并降低成本和提高鉆井效率，需要找出閥頭的易損位置，并做出相應的處理（如噴丸處理、加工硬化處理等［16］）。如圖10所示為當直井測斜儀處于測斜或短暫靜止狀態下或緩慢鉆進狀態下閥頭所受到的靜態壓力云圖，可以得出2個壓力較大的部位：

1）在閥頭的尖部及其周圍受到了相對較大的壓力，最大壓力值約為72 600 Pa。

2）在閥頭流通鉆井液的2個凹槽處。

為了更好地說明鉆井液對直井測斜儀閥頭的沖蝕效應，得到了在鉆井液沖刷下閥頭壁面所受到的剪應力（如圖11）。由應力云圖可以看出，在閥頭流通鉆井液的凹槽處出現了較為明顯的應力集中現象，應力集中點的最大剪應力為7 330 Pa。由此可知，不論是在靜態壓力云圖或者壁面剪應力云圖中，閥頭流通鉆井液的凹槽處受到了較大的鉆井液壓力并出現了應力集中，加上砂粒對凹槽處的不斷沖刷，在此處更加容易產生沖蝕磨損，導致閥頭失效。

3.5現場對比分析與改進措施

在實際的井下作業過程中，由于可能存在鉆井液排量大于正常鉆井的情況，因此閥頭發生沖蝕磨損的可能性會大幅提高。圖12為直井測斜儀在石042井應用后閥頭出現的沖蝕磨損。從圖12中可以看出閥頭流通鉆井液的凹槽處產生了較為嚴重的沖蝕磨損并最終導致失效，其沖蝕磨損的位置與仿真所得出的結論基本一致。

基于有限元仿真得出的閥頭易發生沖蝕磨損的位置，可以采取以下措施來減少沖蝕磨損。

1）更換高強度的閥頭材料。

2）對閥頭表面做加工硬化或者噴丸處理。

3）重新設計閥頭流通鉆井液的凹槽的形狀及尺寸等。

4結論

1）結合現場工況參數分析了直井測斜儀閥頭的流場和沖蝕特性。最大速度及最大湍流效應發生的位置在鉆井液通過導流套的節流入口處，最大湍流速度為15.8 m/s。直井測斜儀閥頭內表面所受靜壓結果表明內表面無明顯壓力集中現象。

2）基于離散相的粒子運動軌跡特性，得到存在于閥頭表面上方的粒子會出現明顯堆積和反彈現象，對閥頭表面有明顯的沖蝕效應。

3）基于閥頭表面所受到的靜壓力和剪應力特性，得到壓力集中分別出現在閥頭直接受鉆井液沖擊處和閥頭流通鉆井液的凹槽處。仿真結果與現場應用結果吻合，可用于確定閥頭的沖蝕情況。

參考文獻：

［1］劉禹銘， 蔡玉貴. 機械式無線隨鉆直井測斜儀在海上油田的應用 ［J］. 石油機械， 2014， 42（8）： 75-78.

［2］袁磊. 電子式隨鉆測斜儀器的研制及應用 ［J］. 石油機械， 2013， 41（7）： 78-81.

［3］蔡文軍， 王平， 祝遠征， 等. 機械式無線隨鉆測斜儀設計方案及關鍵技術 ［J］. 石油學報， 2006（2）： 103-106.

［4］閆鐵， 許瑞， 劉維凱， 等. 中國智能化鉆井技術研究發展 ［J］. 東北石油大學學報， 2020， 44（4）： 15-21+6.

［5］王鵬， 田懿， 吉進元， 等. 連續波泥漿脈沖發生器閥口形狀拓撲優化設計 ［J］. 中國石油大學學報（自然科學版）， 2020， 44（5）： 147-152.

［6］李泉新， 褚志偉. 礦用泥漿脈沖無線隨鉆測量信號發生裝置設計 ［J］. 工礦自動化， 2019， 45（8）： 32-37.

［7］王智明， 張崢， 張爽. 高速率泥漿脈沖器工作模式設計與試驗 ［J］. 石油礦場機械， 2019， 48（1）： 51-55.

［8］王俊， 魯寧， 李陳， 等. 泥漿式正脈沖發生器的研制與應用 ［J］. 鉆采工藝， 2009， 32（6）： 68-71.

［9］黃鍇， 王鵬， 馮定， 等. 連續波泥漿脈沖發生器轉子參數設計及敏感性分析 ［J］. 機械設計與制造， 2017（12）： 225-228.

［10］張永學， 何濤， 樊建春， 等. 含缺陷的高壓彎管沖蝕特性影響研究 ［J］. 石油機械， 2022， 50（6）： 135-142.

［11］胡開松， 周思柱， 華劍， 等. 高壓魚尾管匯沖蝕規律研究 ［J］. 中國科技論文， 2020， 15（10）： 1177-1181.

［12］劉獻博， 薛亮， 劉敏， 等. 連續波鉆井液脈沖發生器壓力波波形優化研究 ［J］. 石油機械， 2020， 48（12）： 44-51.

［13］胡永建. 有保護時隙的高效PPM鉆井液脈沖信號編碼 ［J］. 石油鉆探技術， 2018， 46（6）： 118-122.

［14］王智明， 肖俊遠， 菅志軍. 旋轉閥泥漿脈沖器轉子水力特性研究 ［J］. 石油礦場機械， 2012， 41（3）： 1-3.

［15］俊遠， 王智明， 劉建領. 泥漿脈沖發生器研究現狀［J］. 石油礦場機械， 2010， 39（10）： 8-11.

［16］王智明， 菅志軍， 李相方， 等. 連續波鉆井液脈沖發生器結構設計探討 ［J］. 石油機械， 2007（12）： 56-58.