钻井液固液分离旋流器壁面磨损特性_莫丽.pdf

2023 年 2 月第 48 卷 第 2 期润滑与密封LUBICATION ENGINEEINGFeb.2023Vol.48 No.2DOI:10.3969/j.issn.02540150.2023.02.007文献引用:莫丽，许先雨，刘栖，等钻井液固液分离旋流器壁面磨损特性 J 润滑与密封，2023，48(2):4451Cite as:MO Li，XU Xianyu，LIU Xi，et alWall wear characteristics of hydrocyclone for solidliquid separation of drilling fluid J Lubrica-tion Engineering，2023，48(2):4451*基金项目:国家重点研发计划项目(2019YFC031230)收稿日期:20211203;修回日期:20211230作者简介:莫丽(1968)，女，硕士，教授，研究方向为机械设计及理论、石油机械及装备。Email:315812917 。钻井液固液分离旋流器壁面磨损特性*莫丽许先雨刘栖赵山雨(西南石油大学机电工程学院，石油天然气装备技术四川省科技资源共享服务平台四川成都 610500)摘要:针对石油钻井过程中，由于钻井液中泥沙等固体颗粒产生的冲蚀磨损导致的旋流器失效问题，采用 CFDDPM 模型开展以非牛顿流体为钻井液时旋流器冲蚀磨损研究，探讨不同流速、稠度系数、流动性指数、含砂体积比和入口倾角对旋流器内壁冲蚀磨损的影响。结果表明:旋流器内壁磨损呈螺旋状，锥段处磨损率随着半径的减小而增大，底流口处是受损最为严重的部位;在流速 515 m/s、含砂体积比 1%9%时旋流器的最大冲蚀率随着流速增大呈指数型增长，冲蚀面积明显扩张;低流速下含砂体积比对最大冲蚀率影响较弱，而高流速下最大冲蚀率与含砂体积比呈正相关;入口倾角的增大同时增大了向下的轴向速度，使得颗粒能更快地到达底流口减小了与壁面的接触，其冲蚀率呈线性减小;最大冲蚀率随稠度系数的增大整体呈现平缓下降的趋势，随着流动性指数的增大而急速下降，流动性指数对冲蚀破坏的影响相比稠度系数更剧烈一些。关键词:非牛顿流体;冲蚀磨损;冲蚀速率;入口结构;旋流器中图分类号:TE926;TH117.1Wall Wear Characteristics of Hydrocyclone forSolidliquid Separation of Drilling FluidMO LiXU XianyuLIU XiZHAO Shanyu(Oil and Gas Equipment Technology Sichuan Province Science and Technology esource Sharing Service Platform，School of Mechanical and Electrical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China)Abstract:Aimed at the failure problem of hydrocyclone caused by erosion and abrasion of solid particles such as sedi-ment in the drilling fluid during the oil drilling process，the erosion wear of hydrocyclone with nonNewtonian fluid asdrilling fluid was studied by using CFDDPM modelThe effects of different flow rates，consistency coefficient，fluidity in-dex，sand volume ratio and inlet inclination angle on the erosion wear of hydrocyclone inner wall were exploredThe resultsshow that the wear of the inner wall of the cyclone is in a spiral shape，the wear rate of the cone section increases with thedecrease of the radius，and the underflow port is the most severely damaged partWhen the flow velocity is from 5 m/s to 15m/s and the sand volume ratio is from 1%to 9%，the maximum erosion rate of the hydrocyclone increases exponentiallywith the increase of the velocity，and the erosion area obviously expandsThe sand volume ratio has a weaker effect on themaximum erosion rate at low flow velocity，while the maximum erosion rate is positively correlated with sand volume ratio athigh flow velocityThe increase of the inlet inclination angle increases the downward axial velocity at the same time，so thatthe contact of the particles with the wall is reduced because the particles can reach the underflow port faster，and the ero-sion rate decreases linearlyThe maximum erosion rate shows a gentle downward trend with the increase of the consistencycoefficient，and decreases rapidly with the increase of the fluidity indexThe influence of fluidity index on erosion damage ismore severe than that of consistency coefficientKeywords:nonNewtonian fluid;erosion wear;erosion rate;entrance structure;hydrocyclone钻井过程中钻井液起着清洁井底、携带岩屑、稳定井压、冷却和润滑钻头及钻柱等作用1。钻井液中固体颗粒每减少 1%，钻井将提速 10%左右。水力旋流器因其结构简单和分离性能优秀常用作钻井液后处理设备2。钻井过程中因钻井工况和钻井深度不同所采用的钻井液性能要求也不同3，目前非牛顿型钻井液开始广泛使用。但旋流器的导向筒、锥体、底流口等易磨损部位需经常更换，耗费了大量人力物力4。因此，研究旋流器失效机制的，对于延长旋流器使用寿命具有重要的意义。刘晓明等5 以幂律流体和清水为介质分析了二者的流场差异。ALVES 等6 采用微型水力旋流器对非牛顿流体钻井液进行固液分离实验，验证了当含砂体积分数大于 5%时，颗粒间的相互作用会降低轴向速度，降低沙粒的分离效率。OLSON 和 OMMEN7 使用 CFD 分析旋流器内部流场，并提出了旋流器的冲蚀机制。刘宏钢等8 以水为介质通过数值模拟和实验验证了旋流器最大磨损发生在锥段底流口。王勇等人9 研究表明，在水为介质下颗粒流速、粒径、质量流量与最大冲蚀量成正相关。袁惠新等10 采用 CFD方法应用 SM 模型分析了重分散相颗粒对旋流器壁面的磨损，结果表明旋流器壁面以局部磨损为主。张进11 通过对非牛顿钻井液的分离行为研究，分析了低流速不同流性指数和稠度系数对旋流器壁面磨损的影响。旋流器作为钻井液除砂的重要设备，目前对其的研究多在以水为介质下开展的，而关于非牛顿流体钻井液下旋流器冲蚀磨损研究还不完善。因此，本文作者采用 CFD 仿真模拟方法在已有研究基础上开展关于含砂体积比、非牛顿流体稠度系数和流动性指数、流体流速与入口倾角等因素对旋流器冲蚀磨损影响分析。1理论模型1.1湍流模型颗粒在旋流器内处于强旋流状态。计算旋流器中流体流动的雷诺数，可得知其为湍流，故选择 SM湍流模型，其具有精度较高、使用范围较广、对旋流器内的强旋流湍流流场具有更高精度的预测能力等特点。SM 湍流模型方程如下所示。(1)基本方程连续性方程:uixi=0(1)动量方程:uit+ujuixi=1pxi+v2uixixj+fi(2)(2)雷诺应力模型雷诺应力运输方程:(uiuj)t+(ukuiuj)xk=Dij+Pij+Gij+ijij+Fij(3)式中:Dij为湍流扩散项;Pij为应力产生项;Gij为浮力产生项;ij为应力应变再分配项;ij为离散相;Fij为系统旋转产生项。1.2壁面碰撞恢复方程颗粒在钻井液携带下以一定的速度和角度与旋流器壁面发生碰撞时会存在能量损失，因此反弹速度低于入射速度12。颗粒壁面模型在 CFD 冲蚀分析中，常用来求解反弹颗粒的速度变化，该模型需要定义两个重要的恢复系数，分别为法向分量 en和切向分量e，其表达式为en=up1up2，e=vp1vp2(4)其恢复系数表达式为en=0.993 0.030 7+4.75 1042 2.61 1063(5)e=0.988 0.029+6.43 1042 3.56 1063(6)1.3冲蚀模型对于旋流器内壁冲蚀预测，根据 CHU 等13 的研究，文中将旋流器内壁视为韧性材料磨损，选用 Flu-ent 中离散相模型(DPM)作为计算的冲蚀模型。冲蚀速率公式为srosion=Nparticlesp=1mpC(dp)f()vb(v)Aface(7)式中:mp是颗粒质量流量，kg/s;C(dp)为颗粒的粒径函数，为 1.8109;为颗粒路径与壁面间冲击角;v 为颗粒相对速度;b(v)为颗粒相对速度函数，为 2.4114;f()为冲击角函数，根据文献 15实验结果获取;Aface为壁面面积，m2。1.4幂律流体本构方程工程中幂律流体流变模式应用最为广泛，其本构方程为=Kn(8)式中:为 剪 切 应 力，Pa;K 为 稠 度 系 数，Pasn;为剪切速率，s1;n 为流动性指数。2建立模型、网格划分与边界条件设置文中选用 FX50 型小尺寸旋流器进行数值模拟，表 1 所示为旋流器相关参数，图 1(a)所示为旋流542023 年第 2 期莫丽等:钻井液固液分离旋流器壁面磨损特性器结构。采用 ICEM 对旋流器进行全六面体结构网格划分，对旋流器中心处进行网格加密，并在近壁面添加边界层网格，网格划分结果如图 1(b)所示。经过网格无关性验证，当旋流器网格数量采用 248 007时，网格数量对仿真结果影响较小，因此认为网格满足无关性要求。表 1FX50 旋流器结构尺寸Table 1FX50 cyclone structure size参数D/mma/mmb/mm d0/mm ds/mm H/mm/()数值5081213104015图 1旋流器结构示意及网格划分Fig.1Schematic of hydrocyclone structure(a)and grid division(b)设置入口处边界条件为速度入口，溢流口和