節流閥沖蝕性能仿真分析與試驗研究 | |||||||||||||
來(lái)源:哲成閥門(mén) 作者:哲成閥門(mén)貿易部 發(fā)布時(shí)間:2019-6-19 閱讀:次 | |||||||||||||
高壓節流閥是石油和天然氣開(kāi)采中的關(guān)鍵井控裝備, 用于調節由井底返回的鉆井液壓力, 并向井底提供適當的回壓以平衡地層壓力, 防止井涌井噴等事故的發(fā)生。高壓節流閥的損壞會(huì )造成災難性的后果, 因此對其可靠性和安全性的要求較高 新疆、川渝地區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節流管匯在高壓、高產(chǎn)、高固相的惡劣工況條件下, 節流閥出現不同程度的沖蝕磨損, 引發(fā)安全隱患, 難以滿(mǎn)足井控安全需要。針對節流閥沖蝕磨損嚴重的困局, 急需開(kāi)105 MPa節流閥耐沖蝕性能研究。本文選取了新型筒式節流閥、楔形節流閥、孔板節流閥進(jìn)行了對比研究。 1 沖蝕機理分析1) 節流閥材質(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) 節流閥沖蝕特點(diǎn)。電子顯微鏡觀(guān)測下閥體切片, 出現微切削和犁溝;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流閥的行為。兩套模型理論并非各自獨立地簡(jiǎn)單拼湊, 而是相互補充, 從不同角度、不同的沖蝕階段來(lái)闡述節流閥不同位置的沖蝕現象, 進(jìn)而確立節流閥沖蝕磨損機理。 根據節流閥沖蝕機理, 確定采用如下沖蝕計算模型 式中:Rero為沖蝕磨損速率, kg/ (m2·s) ;C (dpn) 為顆粒直徑的函數, m;f (α) 為顆粒對靶面攻角的α函數, rad;b (vpn) 是顆粒相對于靶材面速度的函數, m/s;Awall節流閥內表面單位沖蝕面積, m2; 對新型筒式節流閥、楔型節流閥、孔板型節流閥在混氣重泥漿條件下分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬試驗, 檢驗3種類(lèi)型節流閥在實(shí)施節流壓井時(shí)的可靠性、耐沖蝕性和對井控技術(shù)與井控工藝要求的符合性、適應性, 為節流壓井作業(yè)提供決策依據。 1) 新型筒式節流閥。新型筒式閥芯采用圓柱形結構, 閥芯、閥座均為對稱(chēng)結構, 閥芯、閥座采用碳化鎢合金, HRA92, 可提高抗沖蝕能力, 且可調換方向安裝, 其過(guò)流面積與開(kāi)度如圖1所示。 2) 楔形節流閥。該閥是為了解決針形節流閥易斷裂而研制的, 閥芯采用楔形結構, 閥芯閥座同樣采用碳化鎢合金, HRA94, 其過(guò)流面積與開(kāi)度如圖2所示。 a 閥芯
b 過(guò)流面積開(kāi)度
圖1 新型筒式節流閥閥芯及過(guò)流面積-開(kāi)度示意
a 閥芯
b 過(guò)流面積開(kāi)度
圖2 楔形閥閥芯及過(guò)流面積-開(kāi)度示意
3) 孔板式節流閥。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, 旋轉上閥瓣, 可以調整流通面積, 實(shí)現對流量的控制和調節, 閥芯閥座也采用碳化鎢合金 a 閥芯
b 過(guò)流面積開(kāi)度
圖3 孔板式節流閥閥芯及過(guò)流面積-開(kāi)度示意
2.1 仿真分析 根據3類(lèi)型閥過(guò)流面積與開(kāi)度示意圖, 在保證最大過(guò)流面積一致的前提下, 針對不同的閥芯位移值 (如表1所示) , 開(kāi)展了相同條件下新型筒式節流閥、楔形節流閥和孔板節流閥的流場(chǎng)和沖蝕有限元仿真分析。 表1 閥芯位置及過(guò)流面積
對于新型筒式節流閥, 由于圓柱形閥芯具有結構對稱(chēng)的特點(diǎn), 其流場(chǎng)較平穩, 過(guò)流面為對稱(chēng)環(huán)形, 流體流過(guò)節流面時(shí), 流體沖蝕力減弱, 減小了對下游設備的沖蝕, 受力的集中區域為閥芯與閥座節流面最小的區域, 閥芯節流面段出現環(huán)狀痕跡, 如圖4所示。 a 速度云圖
b 沖蝕速度云圖
圖4 新型筒式節流閥分析結果
對楔形節流閥進(jìn)行沖蝕數值模擬分析, 速度場(chǎng)分布如圖5a所示, 可知在楔形閥的閥芯與閥座結合的部位存在應力集中區, 且下游變徑處存在單側高速線(xiàn)流, 因此會(huì )對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 沖蝕速度云圖 5 楔形節流閥分析結果
對孔板型節流閥進(jìn)行沖蝕數值模擬分析, 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, 且沿壁面的流速較大, 會(huì )導致流體對單邊沖蝕嚴重, 如圖6所示。 a 速度云圖
b 沖蝕速度云圖 圖6 孔板型節流閥分析結果
2.2 試驗研究為驗證仿真分析的準確性, 利用元壩12-1H井的井場(chǎng), 分別對3種節流閥進(jìn)行了現場(chǎng)沖蝕試驗。試驗設備主要有 F-1600H型泥漿泵1臺、氣密封檢測車(chē)3臺、105 MPa節流管匯、液氣分離器、泥漿罐等。泥漿參數為: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。氮氣純度99.9%, 排量2.2 m3/min。泥漿和氮氣的混合比在1∶1~1∶2。 利用F-1600H型泥漿泵和現場(chǎng)氣密封檢測車(chē)將氣體和泥漿注入到節流管匯, 節流閥開(kāi)度1/8, 控制壓力和排量, 對節流閥及下游管道進(jìn)行8 h的沖蝕試驗, 如圖7所示。 圖7 井場(chǎng)管匯及流程
2.2.1 新型筒式節流閥試驗分析在試驗期間, 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, 與仿真分析結果一致, 如圖9所示。
圖8 新型筒式閥沖蝕試驗壓力曲線(xiàn) 圖9 新型筒式閥沖蝕磨損示意
該閥在試驗過(guò)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(dòng)斷裂的風(fēng)險;圓柱形結構對流體有很好的引導作用, 明顯降低了對下游的沖蝕, 同時(shí)下游管道內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 楔形節流閥試驗分析由于該閥結構的問(wèn)題, 無(wú)法實(shí)現憋高壓, 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)現半月形沖蝕痕跡, 大約3 cm2, 與仿真分析結果一致, 如圖11所示。 圖10 楔形閥沖蝕試驗壓力曲線(xiàn)
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, 但由于設計缺陷, 對下游形成單側沖蝕, 對下游沖蝕較嚴重。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。在開(kāi)度較大的情況下, 壓力較穩定。但是控壓范圍較窄, 不能實(shí)現截斷。在極限工況下試驗設備也無(wú)法實(shí)現高控壓。楔形節流閥在壓力穩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)而對設備或地層造成破壞, 同時(shí)在可控的調壓范圍內, 調壓平穩, 楔形節流閥在大多數情況下符合井控技術(shù)和井控工藝要求。 2.2.3 孔板節流閥試驗分析在試驗過(guò)程中泵壓多次從高壓瞬時(shí)跌落至4 MPa左右, 開(kāi)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。認為該閥損壞, 停止試驗, 如圖12所示。 圖12 孔板閥沖蝕試驗壓力曲線(xiàn)
試驗完成后, 拆閥進(jìn)行檢查, 節流閥閥芯及閥座無(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;下游短節與閥連接處有沖蝕痕跡, 蝕痕最深1 mm, 長(cháng)10 mm, 沖蝕痕跡總長(cháng)70 mm。與仿真分析結果一致, 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, 但閥座套底部, 下游短節抗沖蝕能力較弱。閥座與閥芯之間無(wú)法實(shí)現全密封, 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的試驗工況下, 得到3種類(lèi)型節流閥的沖蝕效果及壓力曲線(xiàn)。分析可知, 新型筒式節流閥的耐沖蝕能力最強。從耐沖蝕能力、節流壓井可靠性、井控工藝要求3方面綜合分析, 新型筒式節流閥的綜合性能較楔形節流閥和孔板節流閥好, 更符合生產(chǎn)現場(chǎng)的需要。 |
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本文Tag:節流閥、抗沖蝕、試驗 | |||||||||||||
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