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) 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]:
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
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
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。
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。