節(jié)流閥沖蝕性能仿真分析與試驗(yàn)研究

樊好福,明 鑫，李玉民，孫 凱，李 濤

(1.中石化中原石油工程有限公司 鉆井一公司，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)

高壓節(jié)流閥是石油和天然氣開采中的關(guān)鍵井控裝備，用于調(diào)節(jié)由井底返回的鉆井液壓力，并向井底提供適當(dāng)?shù)幕貕阂云胶獾貙訅毫?，防止井涌井噴等事故的發(fā)生。高壓節(jié)流閥的損壞會(huì)造成災(zāi)難性的后果，因此對(duì)其可靠性和安全性的要求較高[1-3]。沖蝕磨損是高壓節(jié)流閥的主要失效形式。A.C.等采用有限元體積法研究了固體顆粒對(duì)300 MW蒸汽渦輪機(jī)上噴嘴的沖蝕作用，得出了沖蝕的影響因子有沖擊角、質(zhì)點(diǎn)速度和顆粒直徑等；S.H.等做了液體沖蝕引起管壁變薄的研究[4-5]；D.W.用金剛石來(lái)提高節(jié)流閥的耐沖蝕性能；L.N.對(duì)石油專用閥分別進(jìn)行了模擬分析和試驗(yàn)研究[6-10]。

新疆、川渝地區(qū)的油氣資源埋藏較深，地層壓力大，產(chǎn)量高。在鉆井過(guò)程中，井控裝置，特別是105 MPa節(jié)流管匯在高壓、高產(chǎn)、高固相的惡劣工況條件下，節(jié)流閥出現(xiàn)不同程度的沖蝕磨損，引發(fā)安全隱患，難以滿足井控安全需要。針對(duì)節(jié)流閥沖蝕磨損嚴(yán)重的困局，急需開展105 MPa節(jié)流閥耐沖蝕性能研究。本文選取了新型筒式節(jié)流閥、楔形節(jié)流閥、孔板節(jié)流閥進(jìn)行了對(duì)比研究。

1 沖蝕機(jī)理分析

1) 節(jié)流閥材質(zhì)特點(diǎn)。閥體材質(zhì)為4130，HB197-235；閥芯材質(zhì)均為碳化鎢，HRA90-93。

2) 節(jié)流閥沖蝕特點(diǎn)。電子顯微鏡觀測(cè)下閥體切片，出現(xiàn)微切削和犁溝；閥芯沖蝕坑兩邊形成凸起的唇片，并呈波紋漣漪狀。

3) 沖蝕理論。綜合分析確定，微切削模型理論、鍛造擠壓理論能揭示巖屑沖蝕節(jié)流閥的行為。兩套模型理論并非各自獨(dú)立地簡(jiǎn)單拼湊，而是相互補(bǔ)充，從不同角度、不同的沖蝕階段來(lái)闡述節(jié)流閥不同位置的沖蝕現(xiàn)象，進(jìn)而確立節(jié)流閥沖蝕磨損機(jī)理。

根據(jù)節(jié)流閥沖蝕機(jī)理，確定采用如下沖蝕計(jì)算模型[11]：

2 仿真分析與試驗(yàn)研究

對(duì)新型筒式節(jié)流閥、楔型節(jié)流閥、孔板型節(jié)流閥在混氣重泥漿條件下分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)，檢驗(yàn)3種類型節(jié)流閥在實(shí)施節(jié)流壓井時(shí)的可靠性、耐沖蝕性和對(duì)井控技術(shù)與井控工藝要求的符合性、適應(yīng)性，為節(jié)流壓井作業(yè)提供決策依據(jù)。

1) 新型筒式節(jié)流閥。新型筒式閥芯采用圓柱形結(jié)構(gòu)，閥芯、閥座均為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，閥芯、閥座采用碳化鎢合金，HRA92，可提高抗沖蝕能力，且可調(diào)換方向安裝，其過(guò)流面積與開度如圖1所示。

2) 楔形節(jié)流閥。該閥是為了解決針形節(jié)流閥易斷裂而研制的，閥芯采用楔形結(jié)構(gòu)，閥芯閥座同樣采用碳化鎢合金，HRA94，其過(guò)流面積與開度如圖2所示。

a 閥芯

b 過(guò)流面積-開度

a 閥芯

b 過(guò)流面積-開度

3) 孔板式節(jié)流閥。閥瓣的流通截面形狀為扇形，閥瓣分為上、下兩部分。固定下閥瓣，旋轉(zhuǎn)上閥瓣，可以調(diào)整流通面積，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制和調(diào)節(jié)，閥芯閥座也采用碳化鎢合金[13-14]、HRA92，其過(guò)流面積與開度如圖3所示。

a 閥芯

b 過(guò)流面積-開度

2.1 仿真分析

根據(jù)3類型閥過(guò)流面積與開度示意圖，在保證最大過(guò)流面積一致的前提下，針對(duì)不同的閥芯位移值(如表1所示)，開展了相同條件下新型筒式節(jié)流閥、楔形節(jié)流閥和孔板節(jié)流閥的流場(chǎng)和沖蝕有限元仿真分析。

表1 閥芯位置及過(guò)流面積

對(duì)于新型筒式節(jié)流閥，由于圓柱形閥芯具有結(jié)構(gòu)對(duì)稱的特點(diǎn)，其流場(chǎng)較平穩(wěn)，過(guò)流面為對(duì)稱環(huán)形，流體流過(guò)節(jié)流面時(shí)，流體沖蝕力減弱，減小了對(duì)下游設(shè)備的沖蝕，受力的集中區(qū)域?yàn)殚y芯與閥座節(jié)流面最小的區(qū)域，閥芯節(jié)流面段出現(xiàn)環(huán)狀痕跡，如圖4所示。

a 速度云圖

b 沖蝕速率云圖

對(duì)楔形節(jié)流閥進(jìn)行沖蝕數(shù)值模擬分析，速度場(chǎng)分布如圖5a所示，可知在楔形閥的閥芯與閥座結(jié)合的部位存在應(yīng)力集中區(qū)，且下游變徑處存在單側(cè)高速線流，因此會(huì)對(duì)閥芯部位及下游變徑處形成沖蝕，如圖5所示。

a 速度云圖

b 沖蝕速率云圖

對(duì)孔板型節(jié)流閥進(jìn)行沖蝕數(shù)值模擬分析，速度場(chǎng)分布如圖6a所示。從流場(chǎng)圖中可以看出，閥出口端流體分布不均勻，介質(zhì)經(jīng)閥瓣后流動(dòng)明顯偏向一側(cè)，且沿壁面的流速較大，會(huì)導(dǎo)致流體對(duì)單邊沖蝕嚴(yán)重，如圖6所示。

a 速度云圖

b 沖蝕速率云圖

2.2 試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證仿真分析的準(zhǔn)確性，利用元壩12-1H井的井場(chǎng)，分別對(duì)3種節(jié)流閥進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)沖蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備主要有 F-1600H型泥漿泵1臺(tái)、氣密封檢測(cè)車3臺(tái)、105 MPa節(jié)流管匯、液氣分離器、泥漿罐等。泥漿參數(shù)為：密度1.8 g/cm3，pH值11，黏度48 s ，固相含量35%，含砂量0.20%。泵沖次80～110 min-1。氮?dú)饧兌?9.9%，排量2.2 m3/min。泥漿和氮?dú)獾幕旌媳仍?∶1～1∶2。

利用F-1600H型泥漿泵和現(xiàn)場(chǎng)氣密封檢測(cè)車將氣體和泥漿注入到節(jié)流管匯，節(jié)流閥開度1/8，控制壓力和排量，對(duì)節(jié)流閥及下游管道進(jìn)行8 h的沖蝕試驗(yàn)，如圖7所示。

a 井場(chǎng)管匯

b 管匯流程

2.2.1 新型筒式節(jié)流閥試驗(yàn)分析

在試驗(yàn)期間，泵的瞬時(shí)最高壓力為44 MPa，伴隨多次壓力瞬時(shí)升高現(xiàn)象。由于沖擊壓力過(guò)大，上下壓差為10 MPa，因此控制平均壓力為30 MPa，如圖8所示。

試驗(yàn)完成后，拆閥進(jìn)行檢查，在閥芯距離頂端約9.5 mm處有一環(huán)狀沖蝕痕，寬2.6 mm，沖蝕處直徑50.4 mm，閥座無(wú)明顯蝕痕，下游抗沖蝕短接無(wú)沖蝕痕跡，與仿真分析結(jié)果一致，如圖9所示。

圖8 新型筒式閥沖蝕試驗(yàn)壓力曲線

圖9 新型筒式閥沖蝕磨損示意

該閥在試驗(yàn)過(guò)程中操作較靈活，圓柱形閥芯大端部抗沖擊能力強(qiáng)，消除了振動(dòng)斷裂的風(fēng)險(xiǎn)；圓柱形結(jié)構(gòu)對(duì)流體有很好的引導(dǎo)作用，明顯降低了對(duì)下游的沖蝕，同時(shí)下游管道內(nèi)采用了抗沖蝕合金套，優(yōu)化了射入角，大幅提高了耐沖蝕效果；試驗(yàn)過(guò)程中壓力波動(dòng)較大，是由于大顆粒物質(zhì)在過(guò)流面很小的情況下通過(guò)時(shí)造成的。

2.2.2 楔形節(jié)流閥試驗(yàn)分析

由于該閥結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)憋高壓，將泵速提到最高，泵壓仍未能超過(guò)20MPa，如圖10所示。

試驗(yàn)完成后，拆閥進(jìn)行檢查，閥芯楔形面大端端面處有輕微沖蝕痕跡，閥座無(wú)明顯蝕痕，雖然采用了防沖蝕短接，但是在下游發(fā)現(xiàn)半月形沖蝕痕跡，大約3 cm2，與仿真分析結(jié)果一致，如圖11所示。

圖10 楔形閥沖蝕試驗(yàn)壓力曲線

圖11 楔形閥沖蝕磨損示意

閥芯及閥座采用硬質(zhì)合金，耐沖蝕較好，但由于設(shè)計(jì)缺陷，對(duì)下游形成單側(cè)沖蝕，對(duì)下游沖蝕較嚴(yán)重。將閥芯前端座在閥座上，避免閥芯震動(dòng)斷裂，抗震能力得到了加強(qiáng)。在開度較大的情況下，壓力較穩(wěn)定。但是控壓范圍較窄，不能實(shí)現(xiàn)截?cái)?。在極限工況下試驗(yàn)設(shè)備也無(wú)法實(shí)現(xiàn)高控壓。楔形節(jié)流閥在壓力穩(wěn)定方面符合井控技術(shù)要求，不會(huì)造成很大的壓力波動(dòng)而對(duì)設(shè)備或地層造成破壞，同時(shí)在可控的調(diào)壓范圍內(nèi)，調(diào)壓平穩(wěn)，楔形節(jié)流閥在大多數(shù)情況下符合井控技術(shù)和井控工藝要求。

2.2.3 孔板節(jié)流閥試驗(yàn)分析

在試驗(yàn)過(guò)程中泵壓多次從高壓瞬時(shí)跌落至4 MPa左右，開關(guān)活動(dòng)閥后壓力又能升高至原壓力。最后一次壓力從14 MPa降至4 MPa，時(shí)間為1 min。認(rèn)為該閥損壞，停止試驗(yàn)，如圖12所示。

圖12 孔板閥沖蝕試驗(yàn)壓力曲線

試驗(yàn)完成后，拆閥進(jìn)行檢查，節(jié)流閥閥芯及閥座無(wú)沖蝕痕跡，閥座套底部及四周有明顯的沖蝕痕跡，蝕痕最深5 mm；下游短節(jié)與閥連接處有沖蝕痕跡，蝕痕最深1 mm，長(zhǎng)10 mm，沖蝕痕跡總長(zhǎng)70 mm。與仿真分析結(jié)果一致，如圖13所示。

圖13 孔板閥沖蝕磨損示意

該閥閥芯及閥座孔抗沖蝕能力強(qiáng)，但閥座套底部，下游短節(jié)抗沖蝕能力較弱。閥座與閥芯之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)全密封，存在空隙，流體經(jīng)過(guò)會(huì)產(chǎn)生沖蝕和震動(dòng)；控壓效果差，且壓力波動(dòng)大，因此該種孔板節(jié)流閥在實(shí)際使用過(guò)程中不符合井控技術(shù)和工藝的要求。

3 結(jié)論

在混氣流量2.2 m3/min，泥漿密度1.8 g/cm3，沖蝕時(shí)間8 h的試驗(yàn)工況下，得到3種類型節(jié)流閥的沖蝕效果及壓力曲線。分析可知，新型筒式節(jié)流閥的耐沖蝕能力最強(qiáng)。從耐沖蝕能力、節(jié)流壓井可靠性、井控工藝要求3方面綜合分析，新型筒式節(jié)流閥的綜合性能較楔形節(jié)流閥和孔板節(jié)流閥好，更符合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的需要。