川渝地區(qū)“三高”氣井節(jié)流管匯閥門與井控工藝適應(yīng)性分析

摘要：隨著近年來勘探開發(fā)的深入，超深井、高壓井、超高溫井的增加，當(dāng)實施井控工藝時，節(jié)流管匯閥門及通道頻繁遭遇沖蝕損壞的難題，嚴(yán)重影響了壓井施工的順利進行，并給井控設(shè)備造成重大損失。為確保鉆井施工過程中的井控安全，針對節(jié)流管匯閥門開展研究，對各類閥門與井控工藝適應(yīng)性進行了探討，形成一套符合“三高”氣井井控工藝的節(jié)流管匯閥門配套要求，以達到提升節(jié)流管匯整體使用的抗沖蝕能力、可靠性和與井控工藝的符合性。

關(guān)鍵詞：“三高”氣井;管匯閥門;抗沖蝕;適應(yīng)性分析

一、前言

川渝地區(qū)是天然氣勘探和開發(fā)的重要資源地，是天然氣業(yè)務(wù)發(fā)展的重點和核心。四川盆地油氣資源相當(dāng)豐富，勘探開發(fā)的主力區(qū)域和層位有川西海相的雷口坡、茅口組，川東北海相的嘉陵江組、長興組、飛仙關(guān)組、燈影組、茅口組，威榮和焦石壩頁巖氣的龍馬溪組、筇竹寺等。川渝地區(qū)海相儲層屬于典型的高產(chǎn)、高壓、高含硫的“三高”地區(qū)。

節(jié)流管匯是現(xiàn)代井控工藝必備的井控裝備之一。目前常用節(jié)流管匯設(shè)計雖然已達到了井控工藝的基本要求，但在實際使用中，由于設(shè)備的加工工藝、閥門的設(shè)計結(jié)構(gòu)等原因，節(jié)流管匯仍存在節(jié)流閥閥芯易脫落、平板閥帶壓開啟力矩過大、節(jié)流閥下游沖蝕等井控安全問題。平板閥是一種截止閥，如用來節(jié)流控制壓力，將閥板處于半開半關(guān)的工況下，井內(nèi)帶砂石的流體，一部分可從外接管線處放走，一部分會作用在閥板和閥體上，沖壞閥板、沖刷到閥體上的流體就會將殼體刺薄甚至刺穿孔。因此，為符合“三高”氣井井控工藝的節(jié)流管匯閥門配套要求，有必要重新審視現(xiàn)用閥門的安全性及適用性。

二、管匯閥門組成及結(jié)構(gòu)特點

節(jié)流管匯閥門主要由平板閥和節(jié)流閥組成，為此對常用的幾種結(jié)構(gòu)形式的平板閥和節(jié)流閥進行結(jié)構(gòu)特點分析，為優(yōu)選與井控工藝相適應(yīng)的閥門提供理論基礎(chǔ)。

（一）平板閥組成及結(jié)構(gòu)特點

平板閥按驅(qū)動形式可分為液動平板閥、手動平板閥和手液一體式平板閥;按閥桿驅(qū)動螺紋和螺母是否與流體接觸可分為明桿式平板閥和暗桿式平板閥;按閥板密封形式可分為前座密封式平板閥和后座密封式平板閥。根據(jù)“三高”氣井井控現(xiàn)用管匯統(tǒng)計來看，主要以手動前座密封式明桿平板閥和手動后座密封式暗桿平板閥為主。

（二）節(jié)流閥組成及結(jié)構(gòu)特點

節(jié)流閥按驅(qū)動形式可分為液動節(jié)流閥、手動節(jié)流閥;按閥芯的節(jié)流形狀可分為針形節(jié)流閥、孔板式節(jié)流閥、楔形節(jié)流閥和新型筒形（PCV）節(jié)流閥。由于針型節(jié)流閥在高壓多相流的作用下極易斷裂，因此在目前井控管匯上使用的主要是孔板式節(jié)流閥、楔形節(jié)流閥和新型筒形（PCV）節(jié)流閥。

三、管匯閥門與井控工藝適應(yīng)性分析

在井控工藝中，通過開關(guān)平板閥進行導(dǎo)流和截流，并通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度來控制節(jié)流閥上游壓力，從而在井口施加一定套壓來平衡井底地層壓力，有效地排出溢流，恢復(fù)和重建井筒壓力平衡。若不能快速開啟平板閥進行泄壓，可能會導(dǎo)致套壓過高，造成井控事故復(fù)雜化;同時在平板閥不能迅速打開的情況下也會對平板閥造成沖蝕。由于節(jié)流壓差大，混氣鉆井液沖蝕性強，常會造成節(jié)流管匯沖蝕磨損，甚至造成管匯刺穿、天然氣泄漏等井控安全事故。筆者從不同結(jié)構(gòu)形式手動平板閥帶壓開關(guān)力矩、不同結(jié)構(gòu)形式的節(jié)流閥抗沖蝕能力開展研究分析，優(yōu)選出與井控工藝適應(yīng)性更強的閥門。

（一）手動平板閥開關(guān)力矩分析

手動平板閥開關(guān)力矩的大小是表征閥門開關(guān)靈活程度的一個關(guān)鍵指標(biāo)。對使用的明桿式平板閥和暗桿式平板閥進行帶壓力矩測試，并進行對比分。分析表明目前重型節(jié)流管匯上暗桿式平板閥開關(guān)力矩低于明桿式平板閥開關(guān)力矩。

（二）節(jié)流閥抗沖蝕能力分析

節(jié)流管匯在壓井過程中失效的主要原因是由于鉆井液和天然氣組成的氣液混合物高速通過節(jié)流管匯時，對節(jié)流閥閥腔和下游管匯內(nèi)壁造成了磨損。磨損可以歸納為3種形式：氣蝕磨損、沖蝕磨損和氣蝕與沖蝕的復(fù)合磨損。經(jīng)過現(xiàn)場長期的試驗觀察，當(dāng)流體速度高于臨界速度時沖蝕是高速流體作用于金屬固體表面的普遍現(xiàn)象;當(dāng)流速高于20～30m/s時，主要發(fā)生氣蝕破壞;當(dāng)速度高于30m/s時，發(fā)生氣蝕與沖蝕的復(fù)合磨損，當(dāng)在井內(nèi)流體壓力、溫度、氣液混量等相同的情況下，節(jié)流閥及下游管匯受磨損程度主要取決與節(jié)流閥的材質(zhì)及結(jié)構(gòu)形式。

孔板式節(jié)流閥采用了直線型流量特性，即閥的相對開度與相對流量成直線關(guān)系。研究表明：當(dāng)閥進、出口端壓力分布均勻，未出現(xiàn)壓力的波動，但由于閥座處具有節(jié)流作用，存在壓力差，故出現(xiàn)了壓力的波動，在閥座處流速較大，并在閥后出現(xiàn)了射流，產(chǎn)生了一定程度的沖刷。

楔形節(jié)流閥依據(jù)伯努利方程模型，并運用DDPM模型開展了CFD仿真研究。研究表明：節(jié)流閥開度大于23%時，沖蝕速率非常小且與開度呈近似線性關(guān)系;閥芯開度小于20%時，沖蝕速率較大且隨閥芯開度減小迅速遞增。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，同時對下游短節(jié)內(nèi)壁面單側(cè)造成強烈沖蝕，因此需要將普通短節(jié)更換為防刺短節(jié)，減緩沖蝕。

新型筒形（PCV）節(jié)流閥流量特性基本分為兩部分，一部分是開度為30%以下，在這個區(qū)域，節(jié)流閥以壓力線性調(diào)節(jié)為主，使節(jié)流閥上游壓力得到有效控制;另一部分是開度為30%～70%區(qū)域，節(jié)流閥主要以流量線性調(diào)節(jié)為主，在線性調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上流體盡可能大流量通過節(jié)流閥。在節(jié)流面處，流速環(huán)形對稱，流體流過節(jié)流面后，徑向沖擊得以相互抵消，且沿下游軸向流動，無側(cè)向沖蝕。

（三）與井控工藝適應(yīng)性分析

新型筒形（PCV）節(jié)流閥在試驗過程中操作較靈活，圓柱形閥芯大端部抗沖擊能力強，消除了振動斷裂的風(fēng)險;圓柱形結(jié)構(gòu)對流體有很好的引導(dǎo)作用，明顯降低了對下游的沖蝕，同時下游管道內(nèi)采用了抗沖蝕合金套，優(yōu)化了射入角，大大提高了耐沖蝕效果;Cv值為線性，節(jié)流可控性好。試驗過程中壓力波動較大，是由于大顆粒物質(zhì)在過流面很小的情況下通過時造成壓力波動較大。在壓井施工過程，最大允許關(guān)井套壓都不能超過井口裝置的額定工作壓力、套管抗內(nèi)壓強度的80%和薄弱地層破裂壓力所允許關(guān)井套壓三者中的最小值。且壓力控制也不宜過低，過低會造成壓力失衡，井筒將再次受油氣侵。PCV節(jié)流閥開度在有效區(qū)間（30%到70%之間）內(nèi)，Cv值為線性，節(jié)流可控性好，與井控技術(shù)與井控工藝的要求相符合。

孔板節(jié)流閥耐沖蝕性差;閥座與閥芯之間無法實現(xiàn)全密封，存在空隙，流體經(jīng)過會產(chǎn)生沖蝕和震動;控壓效果差，且壓力波動大。該種孔板節(jié)流閥在實際使用過程中不符合井控技術(shù)和工藝的要求

四、結(jié)論

通過對兩種形式的平板閥進行力矩試驗和結(jié)構(gòu)形式分析，本文中提到的這種手動后座密封式暗桿平板閥更符合井控工藝的要求。通過對三種形式的節(jié)流閥進行流場理論分析和動態(tài)模擬試驗，本文中提到的新型筒形（PCV）節(jié)流閥更符合井控工藝的要求。

參考文獻

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作者簡介

方曉慶（1983.06-），男，漢族，安徽黃山人，本科，工程師，主要研究方向：井控裝置及井控工藝等。