井控節(jié)流閥沖蝕機(jī)理及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

蔣凱 佟新宇

摘要：鉆井井控過程中，節(jié)流閥是非常重要的一個(gè)設(shè)備，其工作的正常性對于壓井成敗產(chǎn)生直接影響，所以，通過現(xiàn)代化的分析軟件分析井控裝置井控節(jié)流閥，結(jié)合節(jié)流閥的流場特點(diǎn)，對其相關(guān)機(jī)理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。本文主要對井控節(jié)流閥沖蝕機(jī)理進(jìn)行一定的分析，并優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

主題詞：井控節(jié)流閥；鉆井工程；沖蝕機(jī)理

節(jié)流閥對于鉆井井控的管匯來說是比較重要的，該設(shè)備能夠進(jìn)行正常工作也是壓井成敗的關(guān)鍵所在，受到一定流量的作用，科學(xué)地調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度，對節(jié)流閥的兩端壓差進(jìn)行控制，繼而提供一定的回壓給井底，避免出現(xiàn)井涌和井噴等多種事故，因此，井控節(jié)流閥對于安全生產(chǎn)來說是至關(guān)重要的。因?yàn)榫碌膲毫Ρ容^大，加之泥漿具有較強(qiáng)的沖蝕性，井控節(jié)流閥需要具備更多的優(yōu)勢才能夠符合安全生產(chǎn)所需。

一、分析節(jié)流閥的力學(xué)

在油氣田的施工現(xiàn)場， 通常會(huì)運(yùn)用到井控節(jié)流閥，最開始運(yùn)用的就是錐形閥心，因?yàn)殄F形閥心屬于一端固定和一端比較自由的一些懸臂梁的結(jié)構(gòu)，會(huì)在高壓流體的壓力下出現(xiàn)震動(dòng)，導(dǎo)致疲勞破壞甚至斷裂，與安全生產(chǎn)所需不符合。對楔形閥心進(jìn)行改用之后，因?yàn)樾ㄐ伍y心的具體工作就像是簡支梁的結(jié)構(gòu)，具有較高的穩(wěn)定性，因此防止了斷裂問題的出現(xiàn)。然而閥在具體應(yīng)用過程中還是有很多問題出現(xiàn)，存在的主要問題之一便是泥漿經(jīng)過節(jié)流口后沖到閥門殼體，導(dǎo)致殼體出現(xiàn)沖蝕，還會(huì)有沖穿殼體的問題發(fā)生，本文所說的ANSYS軟件能夠很好地分析閥的具體流場。

（一）建立模型

具體工作開展的過程中，楔形節(jié)流閥內(nèi)的泥漿屬于三維非定常的一種流動(dòng)，在這一過程中，流體運(yùn)動(dòng)的情況具有一定的復(fù)雜性。然而通過定性對流體進(jìn)行了解能夠在節(jié)流閥當(dāng)中維持三維流動(dòng)的趨勢，并不需要完全地對節(jié)流閥的復(fù)雜性進(jìn)行模擬，在這一過程中，主要通過節(jié)流閥的對稱面流場分析，將其簡化成平面流動(dòng)就能夠達(dá)到最終的目的。 劃分節(jié)流閥網(wǎng)格一般選擇的是映射網(wǎng)格，并且在壁面等多種流體梯度較大的地方應(yīng)該進(jìn)行劃密，有助于精確地解釋。還要將壁面邊界的條件設(shè)定為x、y不同的方向上，其流體速度設(shè)置為零，在入口流量上為20 L/s，在出口背壓上為0MPa，此時(shí)的流體密度是1893 kg/m3。

（二）分析最終的結(jié)果

收斂計(jì)算結(jié)果之后，會(huì)獲得關(guān)于流場分布速度云圖以及矢量的分布圖，相關(guān)人員可以得到，泥漿在節(jié)流口通過之后會(huì)使得高速流體出現(xiàn)較大的速度，并且沖到殼體上，因?yàn)槟酀{當(dāng)中的顆粒狀物質(zhì)比較多，還會(huì)產(chǎn)生物質(zhì)沖刷殼體的現(xiàn)象，切削殼體，受到高壓高流速的影響，能夠以最快的速度從殼體壁沖穿，最終導(dǎo)致節(jié)流閥出現(xiàn)失效的問題 。

二、井控節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

為了防止出現(xiàn)上述問題，需要對流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的改變，進(jìn)而有效地改善泥漿流出的趨勢，防止對殼體壁面造成沖刷。利用流場和結(jié)構(gòu)之間存在的關(guān)系， 可以通過改變節(jié)流閥結(jié)構(gòu)達(dá)到目的。

對于石油企業(yè)來說，鉆采開發(fā)期間總是會(huì)碰到壓井作業(yè)，為井底給予一定的回壓繼而使得地層壓力能夠平衡，壓井作業(yè)則是通過井控節(jié)流閥的開度調(diào)節(jié) 阻礙井內(nèi)流體出現(xiàn)阻力，繼而使得回壓出現(xiàn)。因此，井控節(jié)流閥對于鉆井井控的管匯而言至關(guān)重要，通過對節(jié)流閥進(jìn)行有效地調(diào)節(jié)控制井中壓力，進(jìn)而有效防止井涌和井噴事故的出現(xiàn)。通過全面有效地分析井控節(jié)流閥沖蝕機(jī)理，明確當(dāng)中存在的問題，并且制定針對性地將誒夠優(yōu)化的措施，為井控作業(yè)的開展做好基礎(chǔ)保障，還要通過相關(guān)軟件的應(yīng)用分析節(jié)流閥節(jié)流口的區(qū)域流場，獲得不同的閥芯尺寸分布規(guī)律，對最優(yōu)閥芯結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行確定，進(jìn)而使得鉆井工作得以有效開展。 對于相關(guān)人員來說，需要通過以下幾點(diǎn)措施進(jìn)行優(yōu)化，為我國石油企業(yè)的發(fā)展做好基礎(chǔ)保障。

一是，把楔形節(jié)流閥平面向弧面進(jìn)行改造。選擇和上相同的一些邊界條件以及參數(shù)，繼而能夠在ANSYS軟件的CFD模塊當(dāng)中作全面的流場分析，并且獲得一定的效果圖，即速度云圖以及矢量的分布圖。相關(guān)人員可以從最終的結(jié)果中看出，改變楔形面的形狀之后，流體流動(dòng)的時(shí)候因?yàn)閭涫芑∶婕s束，導(dǎo)致液體出流趨勢出現(xiàn)了一定的改變，如果流體從閥心脫離的話，流體流動(dòng)趨勢就是沿著節(jié)流閥的末端表面切線方向進(jìn)行射出。因此，如果弧面末端切線的方向和殼體中軸線之間平行的話，高速流體射出的方向也就不能沖向殼體，在此基礎(chǔ)上，使得泥漿在殼體中產(chǎn)生的沖蝕作用逐漸降低，為井控作業(yè)開展的整體質(zhì)量打好基礎(chǔ)，同時(shí)，還是石油企業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的重要支撐。

二是，現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用過程中，需要節(jié)流閥調(diào)節(jié)壓力時(shí)屬于線性的，因?yàn)楣?jié)流閥閥心改變?yōu)榛∶嬷?，其在閥心當(dāng)中移動(dòng)的話節(jié)流口的面積變化缺乏均勻性，然而在部分行程段的節(jié)流閥出現(xiàn)的壓降變化缺乏明顯性，有些行程段的節(jié)流閥所出現(xiàn)的壓降是非常劇烈的，因此導(dǎo)致節(jié)流閥對于壓力線性的調(diào)節(jié)造成嚴(yán)重的影響。

想要達(dá)到線性調(diào)節(jié)的目的，同時(shí)，對流體出流的趨勢目標(biāo)進(jìn)行完成，就要在閥心上部運(yùn)用楔形平面，然而在閥心末端還是需要保留平面讓其和殼體當(dāng)中的軸線平行，楔形面和平面之間選擇圓弧進(jìn)行過渡，確保流體的出流方向不能像殼體進(jìn)行指向，選擇一樣的邊界條件與參數(shù)，對速度云圖以及矢量圖進(jìn)行全面有效地分析。相關(guān)人員可以從這些結(jié)果中看出，復(fù)合形的節(jié)流閥因?yàn)殚y心下端出現(xiàn)了垂直方向平面，并對流體方向進(jìn)行了改變，防止流體沖蝕殼體壁。與此同時(shí)，閥心上端部出現(xiàn)的直線段與壓降線性調(diào)節(jié)所需之間是相互滿足的，可以在現(xiàn)場進(jìn)行有效地應(yīng)用。只有這樣，才能為井控作業(yè)的開展做好基礎(chǔ)保障，推動(dòng)石油企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

結(jié)束語

綜上所述，通過分析節(jié)流閥流場，能夠發(fā)現(xiàn)各種節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)流場的分布規(guī)律以及特點(diǎn)，明確節(jié)流閥的沖蝕失效的機(jī)理，并制定針對性地結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)的策略。與此同時(shí)，分析不同閥心結(jié)構(gòu)的節(jié)流閥流場分布以及工作性能，這是節(jié)流閥性能提高的重要基礎(chǔ)和前提，也是相關(guān)企業(yè)發(fā)展的重要推動(dòng)力和保障。

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