陳浩 王長江 吳震 裴延波 蘇瑩瑩

1.西南石油大學(xué) 2.中國石油天然氣管道局三公司 3.中國石油塔里木油田公司

安全鉆井鉆柱內(nèi)防噴系統(tǒng)止回閥工作機(jī)理及失效分析

陳浩1王長江2吳震3裴延波1蘇瑩瑩1

1.西南石油大學(xué) 2.中國石油天然氣管道局三公司 3.中國石油塔里木油田公司

鉆柱內(nèi)防噴系統(tǒng)止回閥以反應(yīng)迅捷及可靠的封堵能力,在防井涌、井噴中起到舉足輕重的作用,是安全鉆井的重要保證。但止回閥在正常鉆井過程中處于常開啟狀態(tài)而長時間遭受高壓鉆井液的沖蝕,極易導(dǎo)致止回閥密封失效或過早報廢,存在安全隱患。針對其使用壽命短、耐蝕性差、水力特性不清楚、研究資料奇缺等亟需解決的關(guān)鍵問題,通過把流體力學(xué)影響因素與沖刷腐蝕磨損理論有機(jī)地結(jié)合起來,借助實驗建立磨礪性腐蝕介質(zhì)——鉆井液的模型,利用CFD技術(shù)確定影響沖刷腐蝕磨損的流體力學(xué)參數(shù),分析典型鉆柱止回閥的工作機(jī)理,實現(xiàn)止回閥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化;并選擇性地對止回閥進(jìn)行沖刷腐蝕磨損試驗,篩選出閥體、閥座材料及主要耐磨件的強(qiáng)化處理方法。通過井下工作情況模擬實驗與計算機(jī)仿真分析,找出井噴條件下鉆柱內(nèi)防噴系統(tǒng)止回閥的失效機(jī)理,尋求流體力學(xué)參數(shù)、介質(zhì)性質(zhì)、材料因素等對止回閥性能的影響關(guān)系,繼而建立一種新的鉆柱止回閥設(shè)計方法或準(zhǔn)則,以推進(jìn)我國鉆柱止回閥研制的技術(shù)進(jìn)步。

內(nèi)防噴系統(tǒng) 鉆柱止回閥 流體動力學(xué) 沖刷腐蝕磨損 機(jī)理研究

0 引言

在內(nèi)防噴系統(tǒng)中,止回閥實際上是一種單向閥,連接在鉆鋌與鉆桿之間。正常鉆井時,鉆井液通過閥隙向下流動進(jìn)行循環(huán);當(dāng)井涌或井噴出現(xiàn)時,高壓液流將反向流動,推動閥芯件與基體接觸產(chǎn)生密封,防止情況惡化。止回閥以迅捷反應(yīng)及良好的封堵能力,在防井涌、井噴中起到舉足輕重的作用,對安全鉆井起著重要的保證。但止回閥在正常鉆井過程中均處在常開啟狀態(tài),長時間地遭受高壓鉆井液的沖刷和腐蝕,易造成止回閥密封失效甚至完全報廢,且在整個內(nèi)防噴系統(tǒng)中,井底止回閥的工作條件最為惡劣。故而很有必要對止回閥的失效機(jī)理進(jìn)行全面深入的研究、分析,以采取相應(yīng)的措施提高止回閥性能,推進(jìn)止回閥的總體水平上一個新臺階,體現(xiàn)其顯著的技術(shù)價值和經(jīng)濟(jì)效益。

1 開展止回閥研究的必要性

1.1 研究的必要性

鉆井過程中,當(dāng)遇到高壓地層時,如果沒有可靠的防噴系統(tǒng)就有可能發(fā)生井噴。無論是鉆柱外井噴,還是鉆柱內(nèi)井噴,都存在引發(fā)災(zāi)難性事故的潛在危險,有的后果相當(dāng)慘重。目前,各種類型規(guī)格的防噴器已有能力將鉆柱外井涌及井噴控制住,但對于鉆柱內(nèi)井噴問題,卻沒能得到有效解決。鉆柱內(nèi)井噴時有發(fā)生,輕則憋壞水龍帶,污染井場;重則燒壞鉆機(jī)設(shè)備,破壞油氣資源,危及鉆井人員安全。2003年12月23日發(fā)生在重慶開縣的嚴(yán)重井噴事故,大量混有劇毒的天然氣外泄。法院在審判事故責(zé)任人時,認(rèn)定的最嚴(yán)重的罪責(zé)就是“沒有使用內(nèi)防噴工具”。由此可見,內(nèi)防噴工具在確保鉆井工程安全運行中起到多么重要的作用。所謂鉆柱內(nèi)防噴系統(tǒng),就是預(yù)防及處理鉆柱內(nèi)井噴的配套系列產(chǎn)品,主要由方鉆桿上、下旋塞閥,新型鉆桿回壓閥,投入式止回閥和鉆井液自動防噴閥等組成,有時也包含旁通閥。鉆井工程中,運用內(nèi)防噴系統(tǒng)能可靠地解決鉆柱內(nèi)井噴問題,同時也能有效改善鉆井工作環(huán)境和勞動條件,有利于實現(xiàn)文明生產(chǎn)和科學(xué)鉆井[1]。從收集到的國內(nèi)外內(nèi)防噴系統(tǒng)的研究和生產(chǎn)等方面的資料可以看出,國內(nèi)在防噴器研究、制造、使用上,有幾個印象是相當(dāng)深刻的[2]:

1)國內(nèi)鉆柱內(nèi)防噴系統(tǒng)所取得的成果不及環(huán)形防噴器顯著。從總體上看,國內(nèi)在井控裝備研制中,特別是在環(huán)形空間防噴器研究中,有關(guān)設(shè)計研究單位與現(xiàn)場、工廠密切協(xié)作,有針對性地吸收國外產(chǎn)品的長處和優(yōu)點,結(jié)合國情與制造能力,生產(chǎn)出滿足現(xiàn)場石油鉆井需要的各型防噴器。從資料調(diào)研看,迄今為止,國內(nèi)從機(jī)理性研究來揭示內(nèi)防噴工具失效本質(zhì)的研究報告寥寥無幾,也基本上沒有確保內(nèi)防噴工具安全性和可靠性的設(shè)計方法。

2)國內(nèi)缺乏自主研制的內(nèi)防噴工具。在內(nèi)防噴工具中,方鉆桿上下旋塞閥的生產(chǎn)規(guī)模大于止回閥,沒有稱得上自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。

3)從調(diào)研資料中看不出國內(nèi)內(nèi)防噴工具的發(fā)展方向和研究動態(tài)。目前,盡管我國有眾多生產(chǎn)廠家能生產(chǎn)內(nèi)防噴系統(tǒng)中的各型閥,基本上滿足了生產(chǎn)需要。但從現(xiàn)場使用看,國產(chǎn)內(nèi)防噴工具普遍存在產(chǎn)品可靠性差,壽命低等問題。

4)鉆柱止回閥的機(jī)理研究和使用等方面的問題尚未解決,有關(guān)生產(chǎn)方面的資料也比較缺乏。

由此可見,迄今為止,國內(nèi)對鉆柱止回閥的重視程度還不夠。

1.2 沖刷腐蝕機(jī)理及CFD技術(shù)應(yīng)用

實踐證明,在井噴工況條件下,高壓液流(70 M Pa或更高)轉(zhuǎn)化為高速液流(100 m/s以上)通過鉆柱止回閥閥體與閥座間的環(huán)隙,對閥體及閥座均有很強(qiáng)的沖蝕。鉆井液是具有腐蝕作用的介質(zhì),且含有磨礪性固體顆粒,這種介質(zhì)對止回閥的流道、閥體和閥座將造成嚴(yán)重傷害,可以說,內(nèi)防噴系統(tǒng)止回閥的可靠性和壽命在很大程度上取決于它耐鉆井液沖刷腐蝕磨損的能力。沖刷腐蝕是一個很復(fù)雜的過程,影響因素眾多,主要包括材料(冶金)、環(huán)境和流體力學(xué)3個方面[3]。過去人們常通過失重實驗以及各種流動條件下的電化學(xué)測量技術(shù)對前兩個因素的影響做較為深入的分析,并開展了沖刷和腐蝕交互作用的研究,以期揭示沖刷腐蝕的本質(zhì)[4-6]。相比之下,流體力學(xué)因素影響規(guī)律的研究尚未成熟。因此,無論是對沖刷腐蝕實驗結(jié)果的預(yù)測,還是對沖刷腐蝕機(jī)理的深入闡述都受到限制。以往,閥的性能常常需要通過模擬實際工況的試驗,或者通過使用才能做出評價,要花費很高的人力和財力成本。近年來,由于CFD技術(shù)的廣泛使用[7-9],可以方便地把流體力學(xué)理論和沖刷腐蝕磨損理論結(jié)合起來,開展更深入的機(jī)理性研究和產(chǎn)品開發(fā)。

2 止回閥工作機(jī)理的研究

2.1 研究內(nèi)容

開展該項研究的主要目標(biāo)是將理論研究、計算機(jī)仿真研究和模擬工況的試驗研究有機(jī)地融為一體,應(yīng)用多學(xué)科最新、最成熟的理論和技術(shù),評價現(xiàn)有的幾種內(nèi)防噴系統(tǒng)止回閥性能,通過模擬和數(shù)值分析進(jìn)一步優(yōu)化閥的結(jié)構(gòu),改善閥的性能,初步建立起止回閥設(shè)計的一種新方法,并在機(jī)理研究上有所建樹。研究工作主要包括以下內(nèi)容:

1)全面分析國產(chǎn)止回閥失效原因,尋求失效的控制機(jī)理。深入現(xiàn)場調(diào)研,收集止回閥失效現(xiàn)象、事故發(fā)生工況條件和失效殘件,利用掃描電子顯微鏡、金相顯微鏡、腐蝕分析設(shè)備,解剖和分析失效殘件,尋求鉆柱止回閥的失效原因與失效控制機(jī)理,為延長止回閥壽命和研究工作的正確模擬提供依據(jù)。

2)開展鉆井液性質(zhì)的實驗分析,對影響沖刷腐蝕磨損的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。鉆井液是含有磨礪性固體顆粒的腐蝕介質(zhì),顆粒對液—固兩相沖刷腐蝕有很大的影響。一般來說,顆粒硬度越高、顆粒半徑越大,沖刷腐蝕越嚴(yán)重;顆粒濃度越大,沖刷腐蝕速率的絕對值越大。另外,多角顆粒往往比球形顆粒造成更大的沖刷腐蝕。同時,在液—固兩相流中因顆粒多角引起的表面膜損傷會進(jìn)一步造成材料的電化學(xué)損傷。因此,必須通過一定試驗,測定鉆井液中顆粒硬度、尺寸均適用于沖刷腐蝕磨損的鉆井液模型。

3)用Pro/E軟件建立典型止回閥的三維模型,調(diào)入Phoenies CFD軟件進(jìn)行流場分析。在鉆柱止回閥中,具有很大的橫向壓力梯度和強(qiáng)度的二次流,流動呈現(xiàn)出很強(qiáng)的三維性。因此,必須生成符合實際流動情況的三維結(jié)構(gòu)模型。故而采用Pro/E軟件建立幾種典型止回閥的三維模型,然后轉(zhuǎn)入Phoenies CFD軟件中建立CFD計算流體動力學(xué)模型。通過CFD計算,對幾種典型止回閥進(jìn)行分析,并得出與沖刷腐蝕磨損有關(guān)的參數(shù),如速度、沖刷角度等。典型止回閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4)進(jìn)行止回閥工作行為的計算機(jī)仿真研究,優(yōu)化止回閥結(jié)構(gòu)。將CFD計算獲得的相關(guān)參數(shù)引入沖刷腐蝕磨損公式中,并對公式進(jìn)行相應(yīng)處理。對幾種典型的鉆柱止回閥進(jìn)行計算機(jī)仿真研究,評比出相對的最優(yōu)結(jié)構(gòu)止回閥。繼而對這種止回閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,再進(jìn)行計算機(jī)仿真實驗,尋求流體力學(xué)參數(shù)、介質(zhì)性質(zhì)、材料因素對止回閥性能的影響關(guān)系。

圖1 典型止回閥結(jié)構(gòu)圖

5)選擇性地進(jìn)行沖刷磨損試驗,篩選出止回閥閥體、閥座材料。目前,計算沖刷腐蝕磨損的公式中,代表材料性質(zhì)的參數(shù)有硬度、沖擊韌性、塑性流動應(yīng)力等。根據(jù)現(xiàn)有研究成果來看,這些參數(shù)還不能完全反映材料的耐磨性能,例如在沖刷腐蝕磨損中,材料的耐腐蝕性是第一位的。因此,必須進(jìn)行模擬實際工況的沖刷腐蝕磨損試驗,以便獲得耐磨性優(yōu)良的閥體、閥座材料和相應(yīng)的強(qiáng)化處理方法。

6)形成理論研究成果。在理論研究、試驗研究和仿真研究的基礎(chǔ)上,獲得基于井噴條件下的鉆柱內(nèi)防噴系統(tǒng)止回閥的工作機(jī)理及失效機(jī)理,確定流體力學(xué)參數(shù)、介質(zhì)性質(zhì)、材料因素等對止回閥性能的影響關(guān)系,最終建立一種新的鉆柱止回閥設(shè)計方法或準(zhǔn)則。

2.2 技術(shù)路線

止回閥工作機(jī)理研究路線如圖2所示。

圖2 止回閥研究工作機(jī)理路線圖

2.3 擬解決的關(guān)鍵問題

1)對影響沖刷腐蝕磨損的鉆井液參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬、綜合評定,并最終選型。

2)對基于井噴條件下的止回閥內(nèi)復(fù)雜流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬,正確確定對沖刷腐蝕磨損影響的流體因素。

3)建立基于井噴工況條件下,模擬井底實際情況的止回閥工作行為仿真軟件,利用仿真試驗技術(shù)進(jìn)一步對止回閥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。正確選定沖刷腐蝕磨損公式及公式的處理是本研究內(nèi)容的關(guān)鍵。

4)模擬井底工況條件,進(jìn)行沖刷腐蝕磨損試驗,正確選出止回閥閥體、閥座材料及相應(yīng)的強(qiáng)化處理方法。

5)獲得基于井噴條件下的鉆柱內(nèi)防噴系統(tǒng)止回閥的失效機(jī)理,確定流體力學(xué)參數(shù)、介質(zhì)性質(zhì)、材料因素對止回閥性能的影響關(guān)系。

3 結(jié)論與認(rèn)識

1)建立起與沖刷腐蝕磨損有關(guān)的鉆井液模型,為止回閥的沖刷腐蝕磨損研究提供參考。

2)對現(xiàn)有的典型結(jié)構(gòu)鉆柱止回閥的流體力學(xué)性能和耐沖刷腐蝕磨損性能有全新的了解,為開發(fā)新型鉆柱止回閥提供借鑒。

3)評價現(xiàn)有沖刷腐蝕磨損公式,選擇出適用于井噴工況條件下的、符合止回閥結(jié)構(gòu)特點的磨損公式,為井下工具的沖刷腐蝕磨損研究提供理論依據(jù)。

4)通過模擬實際工況的沖刷腐蝕磨損試驗,總結(jié)出止回閥材料與強(qiáng)化處理方法的耐磨特點,以方便止回閥閥體、閥座的材料選擇及強(qiáng)化方法的確定。

5)開發(fā)出基于井噴工況條件、應(yīng)用計算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)和沖刷腐蝕磨損理論的計算機(jī)仿真軟件,從而經(jīng)濟(jì)、有效地改善止回閥流體力學(xué)性能及耐沖刷腐蝕磨損性能。

6)形成一套對止回閥流體力學(xué)性能設(shè)計及耐沖刷腐蝕磨損性能設(shè)計有指導(dǎo)意義的理論、方法和準(zhǔn)則,為進(jìn)一步研究現(xiàn)有鉆柱止回閥及開發(fā)新型鉆柱止回閥提供理論參考。

[1]張建諾.鉆柱內(nèi)防噴系統(tǒng)[J].石油機(jī)械,1990,18(3):1-3.

[2]陳浩,宋周成,王曉萍,等.鉆柱內(nèi)防噴系統(tǒng)研究方向探討[J].石油機(jī)械,2007,35(7):66-68.

[3]代真.流體力學(xué)因素對液固兩相流沖刷腐蝕的影響[J].石油化工設(shè)備,2006,35(6):20-23.

[4]鄭玉貴,姚治銘,柯偉,等.流體力學(xué)因素對沖刷腐蝕的影響機(jī)制[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2000,12(1):36-40.

[5]董剛,張九淵.固體粒子沖蝕磨損研究進(jìn)展[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報,2003,21(2):307-309.

[6]CHEN J,RUDEEN D K.App lication of a coupled solid/ fluids mixture theo ry:p rocess of squeezing a sponge[J]. Journal of Elasticity,1996:139-152.

[7]鐘英杰,都晉燕,張雪梅.CFD技術(shù)及在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003,31(6):286-289.

[8]曹瑋.CFD技術(shù)在油田中的應(yīng)用[J].油氣田地面工程, 2008,27(7):81-82.

[9]COLENBRANDER G W.CFD in research for the petrochemical industry[J].App lied Scientific Research,1991: 211-245.

Workingmechanism and failure analysis of check valves of BOP(blowout preventer)system in drilling string for safe drilling

Chen Hao1,Wang Changjiang2,Wu Zhen3,Pei Yanbo1,Su Yingying1
(1.School of M echanical and Electrical Engineering,Southw est Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China;2.N o.3 Group of China Petroleum Pipeline Bureau,CN PC,L angfang,Hebei 065000, China;3.Tarim Oilfield Com pany,PetroChina,U rumqi,Xinjiang 830000,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 6,pp.69-72,6/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The check valve of the BOP system in drilling string is sensitive and w ith reliable sealing capacity,w hich p lays such a significant role in avoiding well kickso r blowouts that it can be regarded as an impo rtant guarantee in safe drilling.However,during the normal drilling p rocess,the check valve usually stays in an open state;thus,it keeps suffering scouring by the drilling fluid w ith high p ressure,so the check valve is inclined to be p rematurely unserviceable or w ith sealing failure;thus causing hidden dangers in safe p roduction.In view of themajor p roblemson the check valve such as short service life,poor co rrosion resistance,uncertain hydraulic characteristics,and a critical shortageof researchmaterials,this papermakes an in-dep th investigation into the wo rking p rincip les and failure analysis of a check valve.First,an experimental analysiswasmade on the p roperties of drilling fluid and a numerical simulation was performed on the parameters of influencing the erosive-corrosive wear,thus,in combination w ith the influencing factors of fluid dynamics and the theo ry of erosive-co rrosive wear,themodelson drilling fluid were built.Second,3D modelsof several typical check valves were set up by the Pro/E software and hydrodynamic parameters were determined by the CFD calculation, thus,the wo rking p rinciplesof typical check valveswere analyzed and the structuresof check valveswere optimized.Third,the erosive-corrosive wear tests were conducted selectively to pick out good materials fo r valve body and seat and obtain p roper strengthening methods of main wear-resistant parts.Finally,sim ulation experiment and computer simulation analysis of dow nhole operation were made to obtain the failuremechanism of a check valve under well blowout and exp lo re the relationship between the performance of a check valve and these factors such as hydrodynamic parameters,p ropertiesof drilling fluid,materials and so on.It is concluded that a set of theo ries,methods and criteria has been achieved for the design of check valves of BOP system in the drilling string, w hich p romo tes the domestic technical p rogress in this field.

inner BOP system,check valve in drilling string,fluid dynamics,erosion-co rrosive wear,mechanism study

石油天然氣裝備教育部重點實驗室·西南石油大學(xué)項目“基于井噴工況條件下的鉆柱內(nèi)防噴系統(tǒng)止回閥工作機(jī)理研究”(編號:2007XJZ102)。

陳浩,1963年生,副教授,碩士;1991年畢業(yè)于原西南石油學(xué)院機(jī)械工程專業(yè);現(xiàn)從事教學(xué)與科研工作,研究方向為現(xiàn)代設(shè)計理論及井下工具。地址:(610500)四川省成都市新都區(qū)西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院。電話:13668181066。E-mail:ch91668@163.com

陳浩等.安全鉆井鉆柱內(nèi)防噴系統(tǒng)止回閥工作機(jī)理及失效分析.天然氣工業(yè),2010,30(6):69-72.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.019

2010-01-04 編輯 鐘水清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.019

Chen Hao,associate p rofesso r,was born in 1963.He graduated in mechanical engineering from Southwest Petroleum Institute in 1991.He has been engaged in teaching and research of themodern design theo ries and dow nhole tools.

Add:No.18,Xindu Avenue,Xindu District,Chengdu,Sichuan 610500,P.R.China

Mobile:+86-13668181066E-mail:ch91668@163.com