[发明专利]一种中低压压裂井口中针形节流阀冲蚀优化设计方法

说明书

本发明提出了一种中低压压裂井口中针形节流阀冲蚀优化设计方法，该方法通过三维软件进行几何建模，并利用WorkbenchFluent软件进行仿真分析；管内介质为液固两相流，石油为连续相采用RNG湍流模型，沙粒为离散相采用离散相模型，冲蚀率模型采用WorkbenchFluent中定义的冲蚀率模型。结果表明，冲蚀点主要集中在阀芯与进口管的迎流壁面处、阀芯的背流壁面处和阀体与入口对流壁下端，且阀芯背流面冲蚀较迎流面最严重。改进后的节流阀结构在一定程度上改变了液固两相流中固体颗粒的流动方向，对节流阀主要冲蚀部位起到了保护作用。

技术领域

本发明属于节流阀冲蚀技术领域，尤其涉及一种中低压压裂井口中针形节流阀冲蚀优化设计方法。

背景技术

由于采油时采集的原油中含有大量沙粒，管道输送介质为液固两相流，在使用过程中，节流阀内部长时间受到液固两相流(特别是其中的砂粒)的冲击，易发生冲蚀和刺漏等现象，严重影响生产安全。在节流发内部由于输送管道进口与出口为垂直设计，导致通道流通方向改变，其通道内压力、速度以及沙粒粒子的流动轨迹都发生改变，故此处为冲蚀现象最严重的位置。以针形节流阀阀体为例，针形节流阀阀体通道内迎流面受到的冲蚀破坏较为严重，直接导致其节流功能失效。因此，如何减缓节流阀的冲蚀是现有技术中亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中低压压裂井口中针形节流阀冲蚀优化设计方法，基于阀针式节流阀，利用三维软件进行几何建模，并利用WorkbenchFluent软件进行仿真分析，分析结果表明冲蚀点主要集中在阀针与进口管的迎流壁面处、阀针的背流壁面处、阀体与入口对流壁下端，且阀芯背流面冲蚀较迎流面最严重。根据以上分析结果，对阀针式节流阀的阀针进行结构优化，并验证优化模型的有效性。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种中低压压裂井口中针形节流阀冲蚀优化设计方法，包括以下步骤：

S1：获取针形节流阀的性能参数；

S2：建立简化的针形节流阀三维模型并设置材料属性：

根据步骤S1中获取的性能参数，采用三维造型软件绘制步骤S1中的针形节流阀三维模型，之后保留阀体、阀杆、阀针以及阀座以获取针形节流阀三维模型的简化模型；

之后对简化模型的阀体、阀杆和阀座分别进行材料选择；

S3：将步骤S2建立的简化模型导入ANSYS Workbench中，采用非结构化四面体网格方式对简化模型进行网格划分；

S4：将步骤S3中的简化模型导入WorkbenchFluent软件进行数值模拟计算；其中，仿真分析基于液固两相流方程和冲蚀磨损方程；液固两相流方程包括湍流运动的连续方程和动量方程；

湍流运动的连续方程为：

湍流运动的动量方程为：

S5：根据模拟结果，获取简化模型中阀体的冲蚀位置、冲蚀位置的阀体冲蚀率曲线图；

S6：根据冲蚀位置、阀体冲蚀率曲线图，对步骤S2中的简化模型进行结构优化，以获取节流阀的优化模型：

其中，优化模型中的阀针包括一连接部和一扁平部；优化模型中的阀杆、连接部、扁平部依次连接；

S7：重复步骤S3～S5，以获取优化模型中阀体的冲蚀位置、阀体冲蚀率曲线图；

S8：对比步骤S5和步骤S7中的分析结果以对优化模型进行验证。

优选地，所述扁平部包括相互平行的两曲面；两曲面的交线正对流体入口。

优选地，步骤S4中湍流运动的连续方程的建立过程如下：