鉆井用節(jié)流閥抗沖蝕性能的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

曹 陽(yáng) 方曉慶 張俊藍(lán) 唐笛瀟

中石化西南石油工程有限公司油田工程服務(wù)分公司

0 引言

節(jié)流閥是節(jié)流管匯中最重要的設(shè)備[1-2]，根據(jù)其閥芯的不同，可分為楔形、孔板、圓柱、針形等4種類型。目前在管匯主、副節(jié)流通道上一般安裝楔形閥或圓柱閥，應(yīng)急通道安裝孔板閥。使用原則是，優(yōu)先采用楔形或圓柱節(jié)流閥對(duì)流體進(jìn)行控制，當(dāng)楔形閥（圓柱閥）出現(xiàn)損壞或發(fā)生其他意外情況才啟用孔板閥。在井噴事故發(fā)生后，需要利用節(jié)流閥長(zhǎng)時(shí)間對(duì)井內(nèi)流體進(jìn)行節(jié)流和壓力控制，要求節(jié)流閥有較強(qiáng)的抗沖蝕能力，目前這3種節(jié)流閥抗沖蝕能力評(píng)價(jià)大多停留在有限元分析或流體流場(chǎng)模擬計(jì)算階段[3-6]，無(wú)實(shí)測(cè)抗沖蝕數(shù)據(jù)，這給選型和使用帶來(lái)較大困難；普通井和“三高”井如何配置；井噴節(jié)流過(guò)程中節(jié)流閥被沖蝕到什么程度，還能使用多久等，只能憑經(jīng)驗(yàn)、靠感覺(jué)判斷，易造成人為判斷錯(cuò)誤，為了了解沖蝕狀況，只能頻繁地倒換管線，然后拆卸檢查，這將造成井內(nèi)壓力波動(dòng)大，增加井控作業(yè)難度和人員風(fēng)險(xiǎn)，貽誤壓井時(shí)機(jī)。為此，研究形成了一套節(jié)流閥抗沖蝕實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)鉆井用節(jié)流閥進(jìn)行了抗沖蝕實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了閥的抗沖蝕能力，分析了沖蝕產(chǎn)生的原因，提出了改進(jìn)思路，為節(jié)流閥的選型、使用和改進(jìn)提供了有益參考。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)程序

泥漿泵、泥漿罐、節(jié)流管匯、制氮車、泥氣分離器串聯(lián)在一起，泥漿泵從泥漿罐中吸入實(shí)驗(yàn)用鉆井液，鉆井液加壓后輸送至節(jié)流管匯，同時(shí)制氮車把氮?dú)庾⑷牍軈R，在管匯內(nèi)形成三相流體，操控節(jié)流閥對(duì)流體節(jié)流，模擬井噴時(shí)三相流體對(duì)節(jié)流閥進(jìn)行沖蝕，流經(jīng)節(jié)流閥的三相流體匯聚在泥氣分離器內(nèi)進(jìn)行分離、脫氣，然后回收至泥漿罐，形成循環(huán)直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

常用節(jié)流閥如圖1所示。

流體流動(dòng)路線：泥漿罐→泥漿泵→節(jié)流管匯（節(jié)流閥）→泥氣分離器→泥漿罐。

1.2 參數(shù)優(yōu)化

井噴過(guò)程中流體的排量、流速，流體中巖屑或重晶石等是造成節(jié)流閥沖蝕的主要因素[7-8]，所以首先應(yīng)確定以上參數(shù)，但是在井噴、壓井過(guò)程中鉆井液的排量、鉆井液的流速、鉆井液中的氣液比例不僅是變量，同時(shí)也無(wú)法進(jìn)行精確測(cè)量，所以通過(guò)查閱資料和借鑒以往經(jīng)驗(yàn)的方法進(jìn)行確定和優(yōu)化。

圖1 常用節(jié)流閥圖

1.2.1 流量和流速

在實(shí)際井噴和壓井過(guò)程中，初期放噴量是個(gè)變量目前還無(wú)相關(guān)記載數(shù)據(jù)，后期壓井一般采用泵入量和放噴量持平方式，參考以往井（ST1井、HF203H井）泵入量選擇在0.5～1.5 m3/min。考慮到井噴流量可達(dá)到上百萬(wàn)立方米，流速可超過(guò)每秒百米，分析認(rèn)為靠現(xiàn)有設(shè)備，采用常規(guī)方式無(wú)法模擬如此大排量和高流速流體，故采用減小過(guò)流面積方式以提高液體流速。

1.2.2 泵入壓力

節(jié)流閥在處理井噴過(guò)程中主要是為了控制環(huán)空壓力，達(dá)到保護(hù)套管或增加井底回壓目的，后續(xù)壓井前放噴一般依據(jù)環(huán)空壓力進(jìn)行控制，參考高壓氣井（ST1井、HF203H井）在壓井放噴時(shí)的環(huán)空壓力控制范圍（30～35 MPa），所以實(shí)驗(yàn)壓力設(shè)計(jì)為40 MPa。

1.2.3 鉆井液密度

選取中國(guó)石化西南石油工程有限公司主要作業(yè)區(qū)塊川東北及川西深層氣藏為例，采用上述兩區(qū)塊常用鉆井液密度（1.85 g/cm3）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2.4 氣液比例

氣井在鉆井過(guò)程中更易發(fā)生井噴事故，因此設(shè)計(jì)三相流體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但井噴過(guò)程中氣液比例是個(gè)變量，無(wú)法計(jì)算，通過(guò)查閱資料，參考以往井噴事故經(jīng)驗(yàn)，考慮目前設(shè)備能力，所以實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用制氮車混入2.2 m3/min的氮?dú)狻?/p>

1.3 設(shè)備選擇

1.3.1 泥漿泵

選擇F-1600HL泥漿泵，該泵最高額定工作壓力52 MPa，排量可達(dá)52 L/s，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

1.3.2 制氮車

制氮車制氮量2.2 m3/min，壓力可達(dá)105 MPa，能保證氣體順利的混入鉆井液中，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

考慮到在“三高”井中更容易發(fā)生井噴事故，所以選用105 MPa級(jí)別液控節(jié)流閥，并配備節(jié)控箱，利用節(jié)控箱遠(yuǎn)距離操控節(jié)流閥，可使人員遠(yuǎn)離高壓，降低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。

1.3.4 泥氣分離器

由于混入氮?dú)饬枯^小，排放壓力低，選用NQF1200—1.6 MPa型泥氣分離器完全能滿足三相流體的氣液分離要求。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 準(zhǔn)備工作

2.1.1 設(shè)備連接

泥漿泵管線、氮?dú)廛嚬芫€通過(guò)儀表法蘭，并聯(lián)在管匯上，泥漿泵和管匯采用高壓軟管連接，節(jié)流管匯連接泥氣分離器，回漿管線連接至泥漿罐。

2.1.2 設(shè)備固定

鉆井泥漿泵、管匯、放噴管線、泥氣分離器采用水泥基墩固定，管線和設(shè)備懸空處進(jìn)行支撐，泥氣分離器上部采用繃?yán)K固定。

2.1.3 設(shè)備試壓

高職專業(yè)課程體系是實(shí)現(xiàn)高等職業(yè)教育人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要平臺(tái)。通過(guò)對(duì)機(jī)械制造與自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)崗位、相關(guān)職業(yè)資格、所需技能與職業(yè)素養(yǎng)、典型工作任務(wù)與職業(yè)能力的調(diào)研分析,結(jié)合三峽職院機(jī)械制造與自動(dòng)化專業(yè)建設(shè)的特點(diǎn),我們構(gòu)建基于崗位工作任務(wù)的“1+3”課程體系,以加強(qiáng)學(xué)生職業(yè)綜合能力的培養(yǎng)，如圖3所示：

采用清水對(duì)設(shè)備和管線試壓50 MPa，穩(wěn)壓10 min，無(wú)壓降和滲漏，試壓合格。

2.2 圓柱節(jié)流閥

圓柱節(jié)流閥先處于全開(kāi)狀態(tài)，緩慢起泵，待泵沖達(dá)到110次/min，排量22.3 L/s，逐漸關(guān)閉圓柱節(jié)流閥，在閥芯行程僅剩4 mm情況下，泵壓升至35 MPa，后混入氮?dú)猓獨(dú)馀帕?.2 m3/min，制氮車壓力略高于泵壓。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為了獲得高壓，閥開(kāi)啟度小，期間多次出現(xiàn)憋壓和超壓現(xiàn)象，泵壓最高瞬時(shí)至44 MPa，造成多次緊急停泵，為保證實(shí)驗(yàn)安全，調(diào)整泵沖介于60～80次/min，排量16.2 L/s，閥芯開(kāi)啟至7 mm，沖蝕實(shí)驗(yàn)泵壓介于20～35 MPa，如圖2所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)總計(jì)490 min。圖2中壓力曲線突然下降是因?yàn)闄z修泵導(dǎo)致。

2.3 楔形節(jié)流閥

圖2 圓柱節(jié)流閥實(shí)驗(yàn)壓力曲線圖

楔形節(jié)流閥先處于全開(kāi)狀態(tài)，緩慢起泵，待泵沖達(dá)到110次/min，排量22.3 L/s，逐漸關(guān)閉閥，該閥閥芯和閥座間隙較大[9-10]，在閥芯關(guān)閉至僅剩3 mm情況下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)小過(guò)流面積節(jié)流，泵壓僅能在12～17 MPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，后混入氮?dú)?，氮?dú)馀帕?.2 m3/min，制氮車壓力略高于泵壓，沖蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)總計(jì)486 min，如圖3所示。圖3中壓力曲線突然下降是因?yàn)闄z修泵導(dǎo)致。

圖3 楔形節(jié)流閥實(shí)驗(yàn)壓力曲線圖

2.4 孔板節(jié)流閥

孔板節(jié)流閥先處于全開(kāi)狀態(tài)，緩慢起泵，待泵沖達(dá)到110次/min，排量22.3 L/s，逐漸關(guān)閉孔板節(jié)流閥，當(dāng)閥開(kāi)度約1/8時(shí)，實(shí)驗(yàn)泵壓介于14～23 MPa，如圖4所示。

考慮到該閥有截止功能[11]，為了避免出現(xiàn)圓柱節(jié)流閥實(shí)驗(yàn)中超壓現(xiàn)象，因此控制實(shí)驗(yàn)壓力在該范圍內(nèi)，后混入氮?dú)猓獨(dú)馀帕?.2 m3/min，制氮車壓力略高于泵壓，沖蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)總計(jì)315 min。實(shí)驗(yàn)中后期泵壓多次從高壓瞬時(shí)跌落至4.0 MPa，開(kāi)關(guān)活動(dòng)閥后又升至原壓力，最后一次壓力從14 MPa跌落至4.0 MPa（圖4），認(rèn)為該閥沖蝕受損導(dǎo)致，停止實(shí)驗(yàn)。

圖4 孔板節(jié)流閥實(shí)驗(yàn)壓力曲線圖

2.5 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分別對(duì)3種閥進(jìn)行了拆卸、檢查和測(cè)量，圓柱節(jié)流閥未被沖蝕，楔形節(jié)流閥閥芯有輕微沖蝕，下游短節(jié)沖蝕較嚴(yán)重，孔板節(jié)流閥閥芯后端和下游短節(jié)沖蝕嚴(yán)重。

2.5.1 圓柱節(jié)流閥

圓柱節(jié)流閥閥芯?50.4 mm無(wú)變化，節(jié)流處有一環(huán)狀沖蝕印記，寬2.6 mm（圖5-a），閥座無(wú)蝕痕（圖5-b），下游短節(jié)也無(wú)沖蝕痕跡，分析認(rèn)為閥芯和閥座采用高強(qiáng)度材料制成，強(qiáng)度高，閥芯設(shè)計(jì)為圓柱流體沖擊到閥芯后形成了紊流，同時(shí)下游短節(jié)前端采用喇叭口形式，優(yōu)化了抗沖蝕角度，對(duì)流體進(jìn)行引導(dǎo)修正，減弱了流體對(duì)下游的沖蝕，這在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)期間出現(xiàn)超壓，主要是閥芯和閥座間隙較小，鉆井液中的固體顆粒和雜質(zhì)在通過(guò)時(shí)憋壓所致。

圖5 圓柱節(jié)流閥閥芯及閥座實(shí)驗(yàn)后照片

2.5.2 楔形節(jié)流閥

楔形節(jié)流閥閥芯大端側(cè)面處有一處輕微蝕痕，深度約1 mm（圖6-a），閥座無(wú)明顯蝕痕，下游短節(jié)有一處4 mm×10 mm月牙狀蝕痕（圖6-b）。分析認(rèn)為閥芯雖然采用高強(qiáng)度材質(zhì)但硬度不夠高[12-14]，所以出現(xiàn)蝕痕，由于閥芯設(shè)計(jì)成楔形結(jié)構(gòu)，流體流過(guò)后不會(huì)形成紊流，反而會(huì)形成單側(cè)高速流體[15-16]，這是造成下游短節(jié)單邊被刺蝕的主要原因，這在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

圖6 楔形節(jié)流閥閥芯及下游短節(jié)沖蝕照片

2.5.3 孔板節(jié)流閥

閥芯表面無(wú)沖蝕痕跡，但閥芯后端被嚴(yán)重沖蝕，蝕痕最深5 mm（圖7-a），下游短節(jié)與閥連接處有蝕痕，蝕痕深1 mm，寬10 mm（圖7-b）。分析認(rèn)為，閥芯與閥芯之間主要靠組裝時(shí)的預(yù)緊力形成密封，但在節(jié)流時(shí)高壓流體會(huì)產(chǎn)生向上推力，使閥桿被推起，導(dǎo)致預(yù)緊力下降，兩閥芯間出現(xiàn)間隙，流體經(jīng)閥芯間隙流入閥芯后端造成沖蝕（表1）。下游短節(jié)被沖蝕是因?yàn)楣?jié)流孔采用不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，流體經(jīng)閥芯節(jié)流后，分流不均勻，流動(dòng)偏向一側(cè)[15-17]，且流速較高導(dǎo)致。

圖7 孔板節(jié)流閥閥芯后端及下游短節(jié)沖蝕照片

表1 節(jié)流閥實(shí)驗(yàn)后的對(duì)比參數(shù)表

3 結(jié)論及建議

1）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，研究形成的三相流體沖蝕方法，能有效模擬三相流體對(duì)閥的沖蝕情況。采取的閉環(huán)實(shí)驗(yàn)程序能保證實(shí)驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行；通過(guò)遠(yuǎn)程控制閥的開(kāi)啟度，可調(diào)整實(shí)驗(yàn)所需壓力和流體流速；氮?dú)庾⑷雺毫β愿哂趯?shí)驗(yàn)壓力能保證氣體有效混入，形成三相流體，該方法也可用于類似結(jié)構(gòu)節(jié)流閥的評(píng)價(jià)。

2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了圓柱節(jié)流閥抗沖蝕能力最強(qiáng)，未有蝕痕；楔形節(jié)流閥次之，閥芯有輕微蝕痕，下游短節(jié)有較嚴(yán)重沖蝕；孔板節(jié)流閥最弱，閥芯底部和下游短節(jié)有較嚴(yán)重沖蝕的評(píng)價(jià)結(jié)果，在“三高”井中推薦優(yōu)先配置圓柱節(jié)流閥。

3）針對(duì)楔形節(jié)流閥下游短節(jié)單側(cè)和閥芯被沖蝕問(wèn)題，建議閥芯形狀改進(jìn)成圓柱形，節(jié)流后的流體能形成紊流，避免單邊沖蝕，材質(zhì)采用更高強(qiáng)度的合金材料以提高抗沖蝕能力。

4）認(rèn)為孔板節(jié)流閥因結(jié)構(gòu)原因，不可避免地會(huì)形成單側(cè)沖蝕，針對(duì)閥芯后座沖蝕嚴(yán)重的問(wèn)題，建議在閥芯側(cè)面增加一道密封，可阻絕流體流經(jīng)底部。

5）由于實(shí)驗(yàn)參數(shù)取值與實(shí)際井噴存在差異，井噴過(guò)程中流體流速和比例存在大量不確定和隨機(jī)性，所以實(shí)驗(yàn)所獲閥抗沖蝕時(shí)間、蝕痕形狀、位置等數(shù)據(jù)與實(shí)際井噴可能存在一定差異，建議加大實(shí)驗(yàn)規(guī)模，增加多種流速及液氣比例的實(shí)驗(yàn)。