楔形節(jié)流閥沖蝕磨損規(guī)律研究

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(1.中石化中原石油工程有限公司，河南 濮陽(yáng) 457001； 2.中石化中原石油工程有限公司 管具公司，河南 濮陽(yáng) 457001； 3.中石化中原石油工程有限公司 鉆井一公司，河南 濮陽(yáng) 457001； 4.中石化中原石油工程有限公司 鉆井工程技術(shù)研究院，河南 濮陽(yáng) 457001)①

深井、超深井鉆進(jìn)過程中，井控裝備的可靠性非常重要。例如，新疆順南區(qū)塊為斷裂控制油氣藏，普遍埋深超過7 000 m，孔縫洞發(fā)育，壓力體系復(fù)雜且敏感性強(qiáng)，為平衡井底壓力，所用鉆井液密度甚至高達(dá)1.98 g/cm3，井底工具及地面井控裝備易被沖蝕，井控安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1-2]。通過對(duì)中石化西北局順南區(qū)塊鉆井資料調(diào)研與現(xiàn)場(chǎng)交流得知，105 MPa節(jié)流管匯主要安裝楔形節(jié)流閥，其閥芯及下游短節(jié)的沖蝕磨損是導(dǎo)致節(jié)流管匯失效的主要原因，如圖1所示。

圖1 楔形節(jié)流閥及短節(jié)沖蝕磨損示意

關(guān)于楔形節(jié)流閥閥腔物理場(chǎng)及力學(xué)結(jié)構(gòu)研究較多[3-8]，部分通過速度場(chǎng)預(yù)判沖蝕磨損區(qū)域及通過分析顆粒屬性預(yù)判沖蝕磨損速率[9-13]，但對(duì)節(jié)流閥關(guān)鍵參數(shù)——開度與沖蝕速率、沖蝕區(qū)域等沖蝕磨損規(guī)律研究較少。本文以順南區(qū)塊使用的楔形節(jié)流閥為研究對(duì)象，依據(jù)伯努利方程建立了楔形節(jié)流閥開度與節(jié)流面積、節(jié)流壓降的數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用DDPM模型開展了CFD仿真研究，得到了不同開度條件下節(jié)流閥的沖蝕磨損規(guī)律，為節(jié)流閥優(yōu)化設(shè)計(jì)特別是現(xiàn)場(chǎng)施工優(yōu)選參數(shù)提供了理論依據(jù)。

1 流體攜巖沖蝕節(jié)流閥計(jì)算模型

1.1 物理模型

以西北X井鉆井現(xiàn)場(chǎng)使用的額定工作壓力105 MPa、主通徑78 mm，安裝楔形節(jié)流閥的節(jié)流管匯主通道為例，建立幾何模型，如圖2所示。該井用密度ρ=1.98×103kg/m3、固相含量30.4%(其中重晶石含量90%，鐵礦粉含量10%)的鉆井液，以Q=20 L/s的排量從井口進(jìn)入節(jié)流管匯，并通過主通道J2b→J2a→J1→J5進(jìn)行循環(huán)。其中，固相顆粒的平均直徑0.045 mm，重晶石形狀系數(shù)為0.53，鐵礦粉形狀系數(shù)0.9。閥件J1為楔形節(jié)流閥，其結(jié)構(gòu)及幾何尺寸如圖2所示；其它閥件均為平板閥。

1.2 控制方程

鉆井液攜固相顆粒沖蝕節(jié)流閥時(shí)，其密度不會(huì)隨時(shí)間和空間發(fā)生變化，即密度為常數(shù)。因此，選用壓力基進(jìn)行計(jì)算，其控制方程為

式中：ux、uy、uz分別為x、y、z方向的速度分量，m/s；ρ為流體密度，kg/m3；f為單位質(zhì)量力，m/s2；p為流體微元體上的壓強(qiáng)，Pa。

圖2 主通道及楔形節(jié)流閥結(jié)構(gòu)示意

由于節(jié)流閥閥芯的存在，鉆井液在閥腔內(nèi)的流動(dòng)以旋流為主，故采用對(duì)紊流流動(dòng)具有較好模擬性的RNGk-ε湍流模型進(jìn)行模擬。此外，固相顆粒作為離散相在受力情況下滿足隨機(jī)歸到模型。

其中：

式中：u和up分別為流體相速度和顆粒速度，m/s；μ為流體流動(dòng)黏度，Pa·s；ρp為顆粒密度，kg/m3；dp為顆粒直徑，m；Re為相對(duì)雷諾數(shù)；CD為曳力系數(shù)；gx為x方向重力加速度，m/s2；Fx為x方向上的其他作用力，包括質(zhì)量力、熱泳力、布朗力等，N；FD為單位質(zhì)量拖曳力，N。

閥芯為硬質(zhì)合金，滿足硬脆性沖蝕模型[14]。

式中：Rero單位時(shí)間單位面積沖蝕磨損速率，kg/(m2·s)；C(dpn)為顆粒直徑的函數(shù)，m；f(α)為顆粒對(duì)靶面攻角的函數(shù)，rad；b(vpn)是顆粒相對(duì)于靶材面速度v的函數(shù)，m/s；Awall節(jié)流閥內(nèi)表面單位沖蝕面積，m2；mpn為顆粒的質(zhì)量流量，kg/s；n表示最大加重材料顆粒數(shù)。

2 節(jié)流閥物理場(chǎng)模擬結(jié)果

2.1 速度場(chǎng)分布規(guī)律

基于伯努利方程建立節(jié)流閥前后壓差Δp和速度vf與過流面積Sg的關(guān)系。

vf=Q/Sg

(7)

式中：vf為流過閥芯的速度，m/s；vr為閥芯入口速度，m/s；Sg為節(jié)流閥過流面積，m2；Q為流量，m3/s。

相應(yīng)節(jié)流閥過流面積Sg與開度示意如圖3所示，其中陰影部分為過流面積。取閥座閥芯間隙值5×10-4m，閥芯的0～10 mm為導(dǎo)流面，10～60 mm為有效節(jié)流范圍。為準(zhǔn)確研究開度與節(jié)流壓降及節(jié)流速度的關(guān)系，將閥芯有效調(diào)節(jié)范圍等分為10份，即從x=0時(shí)開始調(diào)節(jié)，長(zhǎng)度每增加5 mm，開度增加10%。

圖3 過流面積與開度示意

節(jié)流平均速度和節(jié)流壓降與閥芯開度關(guān)系曲線如圖4所示。楔形節(jié)流閥節(jié)流壓降最高達(dá)31.1 MPa，節(jié)流速度最高達(dá)176.9 m/s。隨著開度的減小，節(jié)流壓降和節(jié)流平均速度增大，當(dāng)節(jié)流閥開度小于40%時(shí)，增幅急劇變大；當(dāng)節(jié)流閥開度大于60%時(shí)，節(jié)流效果不明顯，但節(jié)流閥壓降與開度呈近似線性關(guān)系，控制精度提升。

圖4 節(jié)流平均速度和節(jié)流壓降與閥芯開度關(guān)系曲線

節(jié)流閥開度為30%時(shí)，主流道及楔形節(jié)流閥速度云圖如圖5所示。流體在楔形節(jié)流閥上游的速度場(chǎng)分布均勻，平均速度約為4.2 m/s，進(jìn)入閥腔后，由于過流面積急劇縮小至2.3×10-4m2，流體被瞬間加速，靠近楔形面附近流體的最高速度約為90.2 m/s，高速流體沿著閥芯楔形面延伸，流動(dòng)方向與楔形面平行，直到受閥芯端部導(dǎo)流面導(dǎo)流作用才微弱改變方向，但整體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)不變，流體速度矢量依然指向下游短節(jié)的外壁面方向，以約27.0 m/s的速度不斷沖擊短節(jié)管壁。加重鉆井液將對(duì)閥芯及下游短節(jié)外壁面形成強(qiáng)烈的定向沖蝕磨損，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的沖蝕磨損情況吻合。

2.2 沖蝕磨損規(guī)律

影響沖蝕磨損的因素眾多，包括攻角、顆粒質(zhì)量流量及速度等參數(shù)，固相粒度、形狀系數(shù)等沖蝕材料性能及閥芯硬度、表面粗糙度等靶材性能3方面。但當(dāng)節(jié)流閥在循環(huán)節(jié)流過程中，閥芯材質(zhì)和結(jié)構(gòu)固定，鉆井液性能固定，最直接和最有效的控制手段為調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度。結(jié)合速度與沖蝕速率呈指數(shù)關(guān)系可知，

圖5 主流道及楔形節(jié)流閥速度云圖

節(jié)流閥沖蝕磨損最主要的影響因素為節(jié)流閥開度。因此，需重點(diǎn)研究節(jié)流閥開度與沖蝕速率的關(guān)系。

楔形節(jié)流閥不同開度時(shí)閥芯沖蝕速率云圖如圖6所示。當(dāng)開度較小時(shí)，閥芯沖蝕磨損比較集中，位于楔形面頂端中點(diǎn)及導(dǎo)流平面中點(diǎn)附近；隨著開度增加，楔形面上的主要沖蝕磨損區(qū)域慢慢下移，且始終位于閥座頂面之下的部分；當(dāng)閥芯開度位于10%～50%時(shí)，導(dǎo)流面上的沖蝕磨損區(qū)域分布較寬，而當(dāng)閥芯開度位于60%～90%時(shí)，導(dǎo)流面上的沖蝕磨損區(qū)域又呈點(diǎn)狀分布。當(dāng)開度超過60%后，楔形面和導(dǎo)流面的沖蝕磨損區(qū)域逐漸融合到一起，當(dāng)開度繼續(xù)增加至100%時(shí)，整個(gè)閥芯都出現(xiàn)沖蝕磨損，磨損區(qū)域分布最廣，沖蝕速率最小。

圖6 楔形節(jié)流閥不同開度時(shí)閥芯沖蝕速率云圖

楔形節(jié)流閥開度與閥芯最大沖蝕速率關(guān)系曲線如圖7所示。從圖7中可知，楔形節(jié)流閥閥芯最大沖蝕速率隨開度減小而增加。開度為10%時(shí)，沖蝕速率最大，約為30 kg/(m2·s)；當(dāng)閥芯開度小于23%時(shí)，沖蝕速率較大且隨閥芯開度減小迅速遞增，此開度區(qū)間鉆井液造成的沖蝕磨損最嚴(yán)重；當(dāng)閥芯開度大于23%時(shí)，沖蝕速率相對(duì)較小且與開度呈近似線性關(guān)系，斜率較小，最大沖蝕速率隨開度增加的降幅較小。

圖7 楔形節(jié)流閥開度與閥芯最大沖蝕速率關(guān)系曲線

沖蝕條件完全相同的情況下(密度2.0 kg/m3、時(shí)間2 h)，節(jié)流閥開度20%和開度50%時(shí)的閥芯沖蝕磨損如圖8所示，前者沖蝕磨損程度明顯大于后者，試驗(yàn)結(jié)果與仿真研究的沖蝕磨損規(guī)律較吻合。

圖8 閥芯沖蝕磨損示意

3 結(jié)論

1) 節(jié)流閥開度小于40%時(shí)，節(jié)流壓降和節(jié)流平均速度較大；開度大于60%時(shí)，節(jié)流壓降和節(jié)流平均速度較小且與開度呈近似線性關(guān)系。推薦高壓節(jié)流時(shí)開度小于40%，精細(xì)控壓時(shí)開度大于60%。

2) 楔形節(jié)流閥最大沖蝕磨損位于閥芯楔形面頂部和軸向?qū)Я髅嬷虚g區(qū)域，同時(shí)對(duì)下游短節(jié)內(nèi)壁面外側(cè)造成強(qiáng)烈沖蝕。該研究結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際磨損情況相吻合，推薦將普通短節(jié)更換為防刺短節(jié)，減緩沖蝕。

3) 節(jié)流閥開度小于23%時(shí)，沖蝕速率較大且隨閥芯開度減小迅速遞增；閥芯開度大于23%時(shí)，沖蝕速率非常小且與開度呈近似線性關(guān)系。為降低節(jié)流閥沖蝕磨損，推薦開度大于23%。