论文部分内容阅读
摘要：随着近年来勘探开发的深入，超深井、高压井、超高温井的增加，当实施井控工艺时，节流管汇阀门及通道频繁遭遇冲蚀损坏的难题，严重影响了压井施工的顺利进行，并给井控设备造成重大损失。为确保钻井施工过程中的井控安全，针对节流管汇阀门开展研究，对各类阀门与井控工艺适应性进行了探讨，形成一套符合“三高”气井井控工艺的节流管汇阀门配套要求，以达到提升节流管汇整体使用的抗冲蚀能力、可靠性和与井控工艺的符合性。
关键词：“三高”气井;管汇阀门;抗冲蚀;适应性分析
一、前言
川渝地区是天然气勘探和开发的重要资源地，是天然气业务发展的重点和核心。四川盆地油气资源相当丰富，勘探开发的主力区域和层位有川西海相的雷口坡、茅口组，川东北海相的嘉陵江组、长兴组、飞仙关组、灯影组、茅口组，威荣和焦石坝页岩气的龙马溪组、筇竹寺等。川渝地区海相储层属于典型的高产、高压、高含硫的“三高”地区。
节流管汇是现代井控工艺必备的井控装备之一。目前常用节流管汇设计虽然已达到了井控工艺的基本要求，但在实际使用中，由于设备的加工工艺、阀门的设计结构等原因，节流管汇仍存在节流阀阀芯易脱落、平板阀带压开启力矩过大、节流阀下游冲蚀等井控安全问题。平板阀是一种截止阀，如用来节流控制压力，将阀板处于半开半关的工况下，井内带砂石的流体，一部分可从外接管线处放走，一部分会作用在阀板和阀体上，冲坏阀板、冲刷到阀体上的流体就会将壳体刺薄甚至刺穿孔。因此，为符合“三高”气井井控工艺的节流管汇阀门配套要求，有必要重新审视现用阀门的安全性及适用性。
二、管汇阀门组成及结构特点
节流管汇阀门主要由平板阀和节流阀组成，为此对常用的几种结构形式的平板阀和节流阀进行结构特点分析，为优选与井控工艺相适应的阀门提供理论基础。
（一）平板阀组成及结构特点
平板阀按驱动形式可分为液动平板阀、手动平板阀和手液一体式平板阀;按阀杆驱动螺纹和螺母是否与流体接触可分为明杆式平板阀和暗杆式平板阀;按阀板密封形式可分为前座密封式平板阀和后座密封式平板阀。根据“三高”气井井控现用管汇统计来看，主要以手动前座密封式明杆平板阀和手动后座密封式暗杆平板阀为主。
（二）节流阀组成及结构特点
节流阀按驱动形式可分为液动节流阀、手动节流阀;按阀芯的节流形状可分为针形节流阀、孔板式节流阀、楔形节流阀和新型筒形（PCV）节流阀。由于针型节流阀在高压多相流的作用下极易断裂，因此在目前井控管汇上使用的主要是孔板式节流阀、楔形节流阀和新型筒形（PCV）节流阀。
三、管汇阀门与井控工艺适应性分析
在井控工艺中，通过开关平板阀进行导流和截流，并通过调节节流阀的开度来控制节流阀上游压力，从而在井口施加一定套压来平衡井底地层压力，有效地排出溢流，恢复和重建井筒压力平衡。若不能快速开启平板阀进行泄压，可能会导致套压过高，造成井控事故复杂化;同时在平板阀不能迅速打开的情况下也会对平板阀造成冲蚀。由于节流压差大，混气钻井液冲蚀性强，常会造成节流管汇冲蚀磨损，甚至造成管汇刺穿、天然气泄漏等井控安全事故。笔者从不同结构形式手动平板阀带压开关力矩、不同结构形式的节流阀抗冲蚀能力开展研究分析，优选出与井控工艺适应性更强的阀门。
（一）手动平板阀开关力矩分析
手动平板阀开关力矩的大小是表征阀门开关灵活程度的一个关键指标。对使用的明杆式平板阀和暗杆式平板阀进行带压力矩测试，并进行对比分。分析表明目前重型节流管汇上暗杆式平板阀开关力矩低于明杆式平板阀开关力矩。
（二）节流阀抗冲蚀能力分析
节流管汇在压井过程中失效的主要原因是由于钻井液和天然气组成的气液混合物高速通过节流管汇时，对节流阀阀腔和下游管汇内壁造成了磨损。磨损可以归纳为3种形式：气蚀磨损、冲蚀磨损和气蚀与冲蚀的复合磨损。经过现场长期的试验观察，当流体速度高于临界速度时冲蚀是高速流体作用于金属固体表面的普遍现象;当流速高于20～30m/s时，主要发生气蚀破坏;当速度高于30m/s时，发生气蚀与冲蚀的复合磨损，当在井内流体压力、温度、气液混量等相同的情况下，节流阀及下游管汇受磨损程度主要取决与节流阀的材质及结构形式。
孔板式节流阀采用了直线型流量特性，即阀的相对开度与相对流量成直线关系。研究表明：当阀进、出口端压力分布均匀，未出现压力的波动，但由于阀座处具有节流作用，存在压力差，故出现了压力的波动，在阀座处流速较大，并在阀后出现了射流，产生了一定程度的冲刷。
楔形节流阀依据伯努利方程模型，并运用DDPM模型开展了CFD仿真研究。研究表明：节流阀开度大于23%时，冲蚀速率非常小且与开度呈近似线性关系;阀芯开度小于20%时，冲蚀速率较大且随阀芯开度减小迅速递增。楔形节流阀最大冲蚀磨损位于阀芯楔形面顶部和轴向导流面中间区域，同时对下游短节内壁面单侧造成强烈冲蚀，因此需要将普通短节更换为防刺短节，减缓冲蚀。
新型筒形（PCV）节流阀流量特性基本分为两部分，一部分是开度为30%以下，在这个区域，节流阀以压力线性调节为主，使节流阀上游压力得到有效控制;另一部分是开度为30%～70%区域，节流阀主要以流量线性调节为主，在线性调节的基础上流体尽可能大流量通过节流阀。在節流面处，流速环形对称，流体流过节流面后，径向冲击得以相互抵消，且沿下游轴向流动，无侧向冲蚀。
（三）与井控工艺适应性分析
新型筒形（PCV）节流阀在试验过程中操作较灵活，圆柱形阀芯大端部抗冲击能力强，消除了振动断裂的风险;圆柱形结构对流体有很好的引导作用，明显降低了对下游的冲蚀，同时下游管道内采用了抗冲蚀合金套，优化了射入角，大大提高了耐冲蚀效果;Cv值为线性，节流可控性好。试验过程中压力波动较大，是由于大颗粒物质在过流面很小的情况下通过时造成压力波动较大。在压井施工过程，最大允许关井套压都不能超过井口装置的额定工作压力、套管抗内压强度的80%和薄弱地层破裂压力所允许关井套压三者中的最小值。且压力控制也不宜过低，过低会造成压力失衡，井筒将再次受油气侵。PCV节流阀开度在有效区间（30%到70%之间）内，Cv值为线性，节流可控性好，与井控技术与井控工艺的要求相符合。
孔板节流阀耐冲蚀性差;阀座与阀芯之间无法实现全密封，存在空隙，流体经过会产生冲蚀和震动;控压效果差，且压力波动大。该种孔板节流阀在实际使用过程中不符合井控技术和工艺的要求
四、结论
通过对两种形式的平板阀进行力矩试验和结构形式分析，本文中提到的这种手动后座密封式暗杆平板阀更符合井控工艺的要求。通过对三种形式的节流阀进行流场理论分析和动态模拟试验，本文中提到的新型筒形（PCV）节流阀更符合井控工艺的要求。
参考文献
[1]李振北，艾志久，刘绘新等.节流压井管汇冲蚀磨损研究及结构改进[J].机械研究与应用，2012（02）：93-95.
[2]宋保健，明鑫，孙凯等.楔形节流阀冲蚀磨损规律研究[J].石油矿场机械，2018，047（004）：30-34.
[3]刘洪斌，田雨鑫，胡强等.70MPa下高压管汇防沉砂平板闸阀设计[J].现代制造工程，2018（8）：139-144.
[4]王朝富，李云贵，李强等.孔板式调节阀流量特性设计与分析[J].阀门，2014（1）.
作者简介
方晓庆（1983.06-），男，汉族，安徽黄山人，本科，工程师，主要研究方向：井控装置及井控工艺等。
关键词：“三高”气井;管汇阀门;抗冲蚀;适应性分析
一、前言
川渝地区是天然气勘探和开发的重要资源地，是天然气业务发展的重点和核心。四川盆地油气资源相当丰富，勘探开发的主力区域和层位有川西海相的雷口坡、茅口组，川东北海相的嘉陵江组、长兴组、飞仙关组、灯影组、茅口组，威荣和焦石坝页岩气的龙马溪组、筇竹寺等。川渝地区海相储层属于典型的高产、高压、高含硫的“三高”地区。
节流管汇是现代井控工艺必备的井控装备之一。目前常用节流管汇设计虽然已达到了井控工艺的基本要求，但在实际使用中，由于设备的加工工艺、阀门的设计结构等原因，节流管汇仍存在节流阀阀芯易脱落、平板阀带压开启力矩过大、节流阀下游冲蚀等井控安全问题。平板阀是一种截止阀，如用来节流控制压力，将阀板处于半开半关的工况下，井内带砂石的流体，一部分可从外接管线处放走，一部分会作用在阀板和阀体上，冲坏阀板、冲刷到阀体上的流体就会将壳体刺薄甚至刺穿孔。因此，为符合“三高”气井井控工艺的节流管汇阀门配套要求，有必要重新审视现用阀门的安全性及适用性。
二、管汇阀门组成及结构特点
节流管汇阀门主要由平板阀和节流阀组成，为此对常用的几种结构形式的平板阀和节流阀进行结构特点分析，为优选与井控工艺相适应的阀门提供理论基础。
（一）平板阀组成及结构特点
平板阀按驱动形式可分为液动平板阀、手动平板阀和手液一体式平板阀;按阀杆驱动螺纹和螺母是否与流体接触可分为明杆式平板阀和暗杆式平板阀;按阀板密封形式可分为前座密封式平板阀和后座密封式平板阀。根据“三高”气井井控现用管汇统计来看，主要以手动前座密封式明杆平板阀和手动后座密封式暗杆平板阀为主。
（二）节流阀组成及结构特点
节流阀按驱动形式可分为液动节流阀、手动节流阀;按阀芯的节流形状可分为针形节流阀、孔板式节流阀、楔形节流阀和新型筒形（PCV）节流阀。由于针型节流阀在高压多相流的作用下极易断裂，因此在目前井控管汇上使用的主要是孔板式节流阀、楔形节流阀和新型筒形（PCV）节流阀。
三、管汇阀门与井控工艺适应性分析
在井控工艺中，通过开关平板阀进行导流和截流，并通过调节节流阀的开度来控制节流阀上游压力，从而在井口施加一定套压来平衡井底地层压力，有效地排出溢流，恢复和重建井筒压力平衡。若不能快速开启平板阀进行泄压，可能会导致套压过高，造成井控事故复杂化;同时在平板阀不能迅速打开的情况下也会对平板阀造成冲蚀。由于节流压差大，混气钻井液冲蚀性强，常会造成节流管汇冲蚀磨损，甚至造成管汇刺穿、天然气泄漏等井控安全事故。笔者从不同结构形式手动平板阀带压开关力矩、不同结构形式的节流阀抗冲蚀能力开展研究分析，优选出与井控工艺适应性更强的阀门。
（一）手动平板阀开关力矩分析
手动平板阀开关力矩的大小是表征阀门开关灵活程度的一个关键指标。对使用的明杆式平板阀和暗杆式平板阀进行带压力矩测试，并进行对比分。分析表明目前重型节流管汇上暗杆式平板阀开关力矩低于明杆式平板阀开关力矩。
（二）节流阀抗冲蚀能力分析
节流管汇在压井过程中失效的主要原因是由于钻井液和天然气组成的气液混合物高速通过节流管汇时，对节流阀阀腔和下游管汇内壁造成了磨损。磨损可以归纳为3种形式：气蚀磨损、冲蚀磨损和气蚀与冲蚀的复合磨损。经过现场长期的试验观察，当流体速度高于临界速度时冲蚀是高速流体作用于金属固体表面的普遍现象;当流速高于20～30m/s时，主要发生气蚀破坏;当速度高于30m/s时，发生气蚀与冲蚀的复合磨损，当在井内流体压力、温度、气液混量等相同的情况下，节流阀及下游管汇受磨损程度主要取决与节流阀的材质及结构形式。
孔板式节流阀采用了直线型流量特性，即阀的相对开度与相对流量成直线关系。研究表明：当阀进、出口端压力分布均匀，未出现压力的波动，但由于阀座处具有节流作用，存在压力差，故出现了压力的波动，在阀座处流速较大，并在阀后出现了射流，产生了一定程度的冲刷。
楔形节流阀依据伯努利方程模型，并运用DDPM模型开展了CFD仿真研究。研究表明：节流阀开度大于23%时，冲蚀速率非常小且与开度呈近似线性关系;阀芯开度小于20%时，冲蚀速率较大且随阀芯开度减小迅速递增。楔形节流阀最大冲蚀磨损位于阀芯楔形面顶部和轴向导流面中间区域，同时对下游短节内壁面单侧造成强烈冲蚀，因此需要将普通短节更换为防刺短节，减缓冲蚀。
新型筒形（PCV）节流阀流量特性基本分为两部分，一部分是开度为30%以下，在这个区域，节流阀以压力线性调节为主，使节流阀上游压力得到有效控制;另一部分是开度为30%～70%区域，节流阀主要以流量线性调节为主，在线性调节的基础上流体尽可能大流量通过节流阀。在節流面处，流速环形对称，流体流过节流面后，径向冲击得以相互抵消，且沿下游轴向流动，无侧向冲蚀。
（三）与井控工艺适应性分析
新型筒形（PCV）节流阀在试验过程中操作较灵活，圆柱形阀芯大端部抗冲击能力强，消除了振动断裂的风险;圆柱形结构对流体有很好的引导作用，明显降低了对下游的冲蚀，同时下游管道内采用了抗冲蚀合金套，优化了射入角，大大提高了耐冲蚀效果;Cv值为线性，节流可控性好。试验过程中压力波动较大，是由于大颗粒物质在过流面很小的情况下通过时造成压力波动较大。在压井施工过程，最大允许关井套压都不能超过井口装置的额定工作压力、套管抗内压强度的80%和薄弱地层破裂压力所允许关井套压三者中的最小值。且压力控制也不宜过低，过低会造成压力失衡，井筒将再次受油气侵。PCV节流阀开度在有效区间（30%到70%之间）内，Cv值为线性，节流可控性好，与井控技术与井控工艺的要求相符合。
孔板节流阀耐冲蚀性差;阀座与阀芯之间无法实现全密封，存在空隙，流体经过会产生冲蚀和震动;控压效果差，且压力波动大。该种孔板节流阀在实际使用过程中不符合井控技术和工艺的要求
四、结论
通过对两种形式的平板阀进行力矩试验和结构形式分析，本文中提到的这种手动后座密封式暗杆平板阀更符合井控工艺的要求。通过对三种形式的节流阀进行流场理论分析和动态模拟试验，本文中提到的新型筒形（PCV）节流阀更符合井控工艺的要求。
参考文献
[1]李振北，艾志久，刘绘新等.节流压井管汇冲蚀磨损研究及结构改进[J].机械研究与应用，2012（02）：93-95.
[2]宋保健，明鑫，孙凯等.楔形节流阀冲蚀磨损规律研究[J].石油矿场机械，2018，047（004）：30-34.
[3]刘洪斌，田雨鑫，胡强等.70MPa下高压管汇防沉砂平板闸阀设计[J].现代制造工程，2018（8）：139-144.
[4]王朝富，李云贵，李强等.孔板式调节阀流量特性设计与分析[J].阀门，2014（1）.
作者简介
方晓庆（1983.06-），男，汉族，安徽黄山人，本科，工程师，主要研究方向：井控装置及井控工艺等。