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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。沖蝕磨損是高壓節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300 MW蒸汽渦輪機上噴嘴的沖蝕作用, 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;D.W.用金剛石來(lái)提高節流閥的耐沖蝕性能;L.N.對石油專(zhuān)用閥分別進(jìn)行了模擬分析和試驗研究。

      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[11]:

Rero=n=1Νm˙pnC(dpn)f(α)vpnb(vpn)Awall

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;m˙pn 為顆粒的質(zhì)量流量, kg/s;n表示最大加重材料顆粒數。

2 仿真分析與試驗研究

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[13,14]、HRA92, 其過(guò)流面積與開(kāi)度如圖3所示。

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


節流閥類(lèi)型
新型筒式節流閥 楔形節流閥 孔板節流閥

閥芯位置
0.011 5 m 0.069 39 m 127.5°

過(guò)流面積/m2
0.000 225 3 0.000 225 3 0.000 225 4
 

      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。

本文Tag:節流閥、抗沖蝕、試驗
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