基于CFD-DPM方法对高温液固两相流中封隔器芯轴侵蚀机制的研究

《Chemical Engineering Research and Design》：CFD–DPM investigation of erosion mechanisms in a packer mandrel under high-temperature liquid–solid two-phase flow

　　

Hui Ji|Jun Li|Wei Lian|Hui Zhang|Gonghui Liu|Xingyu Li

中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249，中国

摘要

高速含沙流体会对井下封隔器中的芯轴造成严重侵蚀。然而，针对热机械应力耦合作用下的封隔器系统的预测模型仍不完善，且目前尚未有研究考虑温度因素对封隔器芯轴多相流侵蚀的影响。本研究采用CFD–DPM耦合框架，系统研究可回收测试-处理-挤压型封隔器芯轴中的多相流与颗粒相互作用及侵蚀行为。该计算框架结合拉格朗日颗粒追踪技术与湍流建模，能够精确量化受五种关键操作参数影响的侵蚀规律：流体速度（5-35米/秒）、温度（160-220摄氏度）、硅石颗粒尺寸（0.2-4.0毫米）、固体含量（0.5-5.0千克/秒）以及直径比（0.35-0.80）。研究结果表明，随着流体速度的增加，最大侵蚀速率可上升至原来的25.5倍；而固体含量的增加则可使侵蚀速率提升8.27倍。颗粒尺寸对侵蚀的影响并非单调变化。在流体性质恒定的前提下，温度对侵蚀的影响较小，造成的变化不足2%。流场分析显示，涡旋强度和颗粒撞击位置极易受流动加速及几何结构收缩的影响。这些研究结果可为封隔器的结构优化设计及故障位置预测提供依据，从而提升其使用寿命与可靠性。

引言

封隔器是油气井中不可或缺的井下组件，用于隔离井筒不同段，确保作业的安全与高效进行（Johnson和Brown，2020）。其性能直接影响井筒完整性、储层控制效果以及环境保护水平（Zhang等人，2021）。随着钻探向更深、更复杂的地层推进，封隔器越来越容易受到高温、具有侵蚀性的多相流以及磨蚀性固体的影响，这些因素都会加速封隔器组件的老化（Wang等人，2019）。

在超深井中，封隔器还需应对更高的温度、具有侵蚀性的流体、磨蚀性砂粒以及腐蚀性介质，这些因素共同作用会给封隔器带来巨大的机械与化学应力（Li和Chen，2020）。这些因素会导致封隔器中的核心部件如芯轴和密封元件逐渐发生侵蚀（见图1）。侵蚀引发的损伤会降低密封性能，进而导致流体泄漏、压力失衡，在极端情况下甚至可能引发严重的井控事故（Gao等人，2022a）。此外，侵蚀还会大幅增加维护频率、作业停机时间以及相关成本。因此，深入理解侵蚀机制及其影响因素对于提升封隔器的耐用性并优化其设计以适应长期使用至关重要。

侵蚀现象是由固体颗粒与流体边界之间的机械相互作用所引发的，在高流速、含沙的多相流条件下尤为明显。Finnie最早提出了微观机械侵蚀模型（Finnie，1960），随后Meng和Ludema通过基于能量的公式对该模型进行了扩展（Meng和Ludema，1995）。Oka等人进一步将材料属性、撞击速度和入射角度纳入模型，提升了预测精度。实验研究也证实了颗粒形状、尺寸和速度等因素与侵蚀程度之间存在关联。例如，Wang等人发现颗粒速度越快，侵蚀速率呈指数级上升，而浓度与侵蚀速率则呈线性关系；Li和Chen则发现角形颗粒比球形颗粒更容易引发侵蚀。Zhang等人还指出，硬度与韧性更高的材料具备更好的抗侵蚀能力。

随着计算流体动力学技术的进步，人们开始更多关注通过改变流场来减轻颗粒与壁面碰撞的几何导向型侵蚀缓解策略（Kumar等人，2019；Edwards等人，2021；Zhou等人，2023）。近期研究表明，通过产生旋流或二次流，可以有效改变颗粒的运动轨迹，从而减轻局部侵蚀。例如，扭曲的管壁设计（Antonio等人，2017）以及扭曲的带状插件（Fagundes dos Santos等人，2016）能够产生持续的涡旋运动，使颗粒撞击力远离易受损伤的区域。其他方法，如涡流室（Duarte等人，2016）和带堵头的T形结构（Duarte等人，2020），则是通过减缓流体流速、分散颗粒或减小撞击角度来减轻侵蚀。

尽管已有大量关于弯头、变径管和直管中侵蚀现象的研究（Chen，2021；Wang等人，2020；Teng等人，2021；Gao等人，2022b；Zhu等人，2022；Liu等人，2023；Chang，2024；Wu等人，2024；Su和Zhang，2024），但封隔器中心管内的侵蚀行为却鲜有研究，因为这种结构的内部流道存在突然的直径变化且空间较为狭小。由几何结构变化引起的流场分离和局部涡旋形成往往被忽视，但实际上它们对颗粒撞击特征及侵蚀模式起着至关重要的作用。

为填补这一研究空白，本研究采用CFD–DPM耦合框架，研究超深井条件下一类可回收测试-处理-挤压型封隔器芯轴的侵蚀行为。研究系统分析了流体速度、温度、颗粒尺寸、含沙质量流量以及直径比等关键操作与结构参数的影响。通过将本研究中发现的侵蚀机制与其他基于旋流或几何结构的缓解策略的机制进行对比，本研究旨在阐明所提出设计的优势所在。研究目标包括明确主导侵蚀的机制、量化关键几何与操作参数的影响程度，以及找出有效的侵蚀缓解策略。本研究的主要贡献有三点：（一）建立了适用于超深井条件下可回收测试-处理-挤压型封隔器芯轴的基于CFD–DPM的侵蚀评估方法；（二）系统量化了操作参数与几何因素对侵蚀的影响程度；（三）为在极端工况下使用的井下工具提高抗侵蚀能力、降低侵蚀引发的故障风险提供了设计指导。

章节节选

RTTS封隔器结构

图2展示了RTTS封隔器的三维结构示意图及实际结构。该封隔器装置由四个主要功能模块组成：固定装置、坐封装置、解封装置以及扶正装置。其主要组成部分包括橡胶筒、坐封剪切销、芯轴、位移销、扶正器以及滑套。

芯轴是封隔器的主要结构部件，它为整个装置提供轴向支撑，其他所有组件都安装在这根芯轴上。

模型简化与网格划分

为简化模拟过程，仅对RTTS封隔器芯轴的流道部分进行了建模。该结构的几何形状被近似为一段直径变化的阶梯形管道：顶部长度为200毫米，底部长度为500毫米。中间缩小的部分的外径为d?=60毫米，底部直径则为d?=73毫米，因此直径比为d?/d?。如图3所示，简化后的模型总长度为1515毫米。

虽然封隔器芯轴被简化为阶梯形结构，

结果与讨论

页岩气水平井中RTTS套管封隔器芯轴的侵蚀速率受多种关键参数的影响，其中包括流体流量、温度、颗粒尺寸、颗粒流量以及套管直径比。准确了解这些参数的影响对于预测和优化侵蚀行为至关重要。表3汇总了模拟过程中这些参数的不同取值情况，有助于清晰了解各因素的具体影响。

结论

本研究采用CFD–DPM耦合方法，研究了液固两相流条件下RTTS封隔器芯轴的侵蚀行为，并系统分析了流体速度、温度、颗粒尺寸、质量流量以及直径比等参数的影响。主要结论如下：

• (1)
  流体速度对侵蚀有着显著影响。当流体速度从5米/秒升高到35米/秒时，最大侵蚀速率从3.43×10^-5千克/平方米上升至8.74×10^-4千克/平方米，增幅高达25.5倍。流体速度越高，

CRediT作者贡献说明

Gonghui Liu：负责研究指导与资源协调。Xingyu Li：负责资源保障与方法设计。Jun Li：负责原始稿件撰写、方法研究以及概念构思。Hui Ji：负责原始稿件撰写、审稿与编辑工作、方法研究、实验分析以及概念构思。Wei Lian：负责审稿与编辑工作以及结果可视化。Hui Zhang：负责实验分析以及概念构思。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家科技重大专项（2025ZD1401900；2025ZD1401901）、“井下金属密封层原位生成与控制机制研究”项目（U23B2081）以及国家自然科学基金委员会联合基金项目（U22B2072）所提供的支持。

数据获取情况

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