三气合采井下分层调控工具高速流体冲蚀研究

目的针对三气合采复杂工况导致井下分层调控工具易冲蚀失效的问题,开展高速气固混合流体对该工具冲蚀规律研究,以获得其最优结构设计参数。方法通过计算流体力学的方法建立了井下分层调控工具的三维冲蚀模型,并采用离散相模型描述了固相颗粒的运动轨迹。通过数值模拟分析,得到了井下分层调控工具的易冲蚀区域,并通过实验验证了不同结构参数和产量下的冲蚀破坏机理。结果冲蚀磨损区域主要分布在笼套段底部、节流孔及其内壁面、笼套段与固定油嘴的过渡段、固定油嘴入口端、固定油嘴内壁面。随着固定油嘴入口角度增大,固定油嘴内壁面最大冲蚀率变化不大,过渡段和固定油嘴入口端最大冲蚀率先增大后减小再增大。随着笼套底部半径增大,笼套段底部最大冲蚀率处于较低水平且无明显变化,但节流孔及其内壁面最大冲蚀率逐渐增大。随着笼套式阀芯开度增大,节流孔及内壁面最大冲蚀率处于较低水平且无明显变化,过渡段及油嘴入口端最大冲蚀率在阀芯开度为60%时取得最大值。随着固相颗粒粒径以及质量流量的增大,节流孔及内壁面、过渡段和固定油嘴入口端最大冲蚀率呈增大趋势,笼套段底部和固定油嘴内壁面最大冲蚀率较低且无明显变化。结论本研究结果揭示了高速高压气固两相流对两级节流结构的冲蚀破坏机理,在设计同类井下工具时,可选择固定油嘴进口角为25°~30°,笼套底部半径为25~30 mm,阀芯开度小于50%或大于70%。