曹 陽 方曉慶 張俊藍(lán) 唐笛瀟

中石化西南石油工程有限公司油田工程服務(wù)分公司

0 引言

節(jié)流閥是節(jié)流管匯中最重要的設(shè)備[1-2]，根據(jù)其閥芯的不同，可分為楔形、孔板、圓柱、針形等4種類型。目前在管匯主、副節(jié)流通道上一般安裝楔形閥或圓柱閥，應(yīng)急通道安裝孔板閥。使用原則是，優(yōu)先采用楔形或圓柱節(jié)流閥對流體進(jìn)行控制，當(dāng)楔形閥（圓柱閥）出現(xiàn)損壞或發(fā)生其他意外情況才啟用孔板閥。在井噴事故發(fā)生后，需要利用節(jié)流閥長時間對井內(nèi)流體進(jìn)行節(jié)流和壓力控制，要求節(jié)流閥有較強(qiáng)的抗沖蝕能力，目前這3種節(jié)流閥抗沖蝕能力評價大多停留在有限元分析或流體流場模擬計算階段[3-6]，無實測抗沖蝕數(shù)據(jù)，這給選型和使用帶來較大困難；普通井和“三高”井如何配置；井噴節(jié)流過程中節(jié)流閥被沖蝕到什么程度，還能使用多久等，只能憑經(jīng)驗、靠感覺判斷，易造成人為判斷錯誤，為了了解沖蝕狀況，只能頻繁地倒換管線，然后拆卸檢查，這將造成井內(nèi)壓力波動大，增加井控作業(yè)難度和人員風(fēng)險，貽誤壓井時機(jī)。為此，研究形成了一套節(jié)流閥抗沖蝕實驗方案，對鉆井用節(jié)流閥進(jìn)行了抗沖蝕實驗，驗證了閥的抗沖蝕能力，分析了沖蝕產(chǎn)生的原因，提出了改進(jìn)思路，為節(jié)流閥的選型、使用和改進(jìn)提供了有益參考。

1 實驗方案

1.1 實驗程序

泥漿泵、泥漿罐、節(jié)流管匯、制氮車、泥氣分離器串聯(lián)在一起，泥漿泵從泥漿罐中吸入實驗用鉆井液，鉆井液加壓后輸送至節(jié)流管匯，同時制氮車把氮?dú)庾⑷牍軈R，在管匯內(nèi)形成三相流體，操控節(jié)流閥對流體節(jié)流，模擬井噴時三相流體對節(jié)流閥進(jìn)行沖蝕，流經(jīng)節(jié)流閥的三相流體匯聚在泥氣分離器內(nèi)進(jìn)行分離、脫氣，然后回收至泥漿罐，形成循環(huán)直至實驗結(jié)束。

常用節(jié)流閥如圖1所示。

流體流動路線：泥漿罐→泥漿泵→節(jié)流管匯（節(jié)流閥）→泥氣分離器→泥漿罐。

1.2 參數(shù)優(yōu)化

井噴過程中流體的排量、流速，流體中巖屑或重晶石等是造成節(jié)流閥沖蝕的主要因素[7-8]，所以首先應(yīng)確定以上參數(shù)，但是在井噴、壓井過程中鉆井液的排量、鉆井液的流速、鉆井液中的氣液比例不僅是變量，同時也無法進(jìn)行精確測量，所以通過查閱資料和借鑒以往經(jīng)驗的方法進(jìn)行確定和優(yōu)化。

圖1 常用節(jié)流閥圖

1.2.1 流量和流速

在實際井噴和壓井過程中，初期放噴量是個變量目前還無相關(guān)記載數(shù)據(jù)，后期壓井一般采用泵入量和放噴量持平方式，參考以往井（ST1井、HF203H井）泵入量選擇在0.5～1.5 m3/min?？紤]到井噴流量可達(dá)到上百萬立方米，流速可超過每秒百米，分析認(rèn)為靠現(xiàn)有設(shè)備，采用常規(guī)方式無法模擬如此大排量和高流速流體，故采用減小過流面積方式以提高液體流速。

1.2.2 泵入壓力

節(jié)流閥在處理井噴過程中主要是為了控制環(huán)空壓力，達(dá)到保護(hù)套管或增加井底回壓目的，后續(xù)壓井前放噴一般依據(jù)環(huán)空壓力進(jìn)行控制，參考高壓氣井（ST1井、HF203H井）在壓井放噴時的環(huán)空壓力控制范圍（30～35 MPa），所以實驗壓力設(shè)計為40 MPa。

1.2.3 鉆井液密度

選取中國石化西南石油工程有限公司主要作業(yè)區(qū)塊川東北及川西深層氣藏為例，采用上述兩區(qū)塊常用鉆井液密度（1.85 g/cm3）進(jìn)行實驗。

1.2.4 氣液比例

氣井在鉆井過程中更易發(fā)生井噴事故，因此設(shè)計三相流體進(jìn)行實驗，但井噴過程中氣液比例是個變量，無法計算，通過查閱資料，參考以往井噴事故經(jīng)驗，考慮目前設(shè)備能力，所以實驗過程中采用制氮車混入2.2 m3/min的氮?dú)狻?/p>

1.3 設(shè)備選擇

1.3.1 泥漿泵

選擇F-1600HL泥漿泵，該泵最高額定工作壓力52 MPa，排量可達(dá)52 L/s，滿足實驗要求。

1.3.2 制氮車

制氮車制氮量2.2 m3/min，壓力可達(dá)105 MPa，能保證氣體順利的混入鉆井液中，滿足實驗要求。

考慮到在“三高”井中更容易發(fā)生井噴事故，所以選用105 MPa級別液控節(jié)流閥，并配備節(jié)控箱，利用節(jié)控箱遠(yuǎn)距離操控節(jié)流閥，可使人員遠(yuǎn)離高壓，降低實驗風(fēng)險。

1.3.4 泥氣分離器

由于混入氮?dú)饬枯^小，排放壓力低，選用NQF1200—1.6 MPa型泥氣分離器完全能滿足三相流體的氣液分離要求。

2 實驗過程

2.1 準(zhǔn)備工作

2.1.1 設(shè)備連接

泥漿泵管線、氮?dú)廛嚬芫€通過儀表法蘭，并聯(lián)在管匯上，泥漿泵和管匯采用高壓軟管連接，節(jié)流管匯連接泥氣分離器，回漿管線連接至泥漿罐。

2.1.2 設(shè)備固定

鉆井泥漿泵、管匯、放噴管線、泥氣分離器采用水泥基墩固定，管線和設(shè)備懸空處進(jìn)行支撐，泥氣分離器上部采用繃?yán)K固定。

2.1.3 設(shè)備試壓

高職專業(yè)課程體系是實現(xiàn)高等職業(yè)教育人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要平臺。通過對機(jī)械制造與自動化專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)崗位、相關(guān)職業(yè)資格、所需技能與職業(yè)素養(yǎng)、典型工作任務(wù)與職業(yè)能力的調(diào)研分析,結(jié)合三峽職院機(jī)械制造與自動化專業(yè)建設(shè)的特點,我們構(gòu)建基于崗位工作任務(wù)的“1+3”課程體系,以加強(qiáng)學(xué)生職業(yè)綜合能力的培養(yǎng)，如圖3所示：

采用清水對設(shè)備和管線試壓50 MPa，穩(wěn)壓10 min，無壓降和滲漏，試壓合格。

2.2 圓柱節(jié)流閥

圓柱節(jié)流閥先處于全開狀態(tài)，緩慢起泵，待泵沖達(dá)到110次/min，排量22.3 L/s，逐漸關(guān)閉圓柱節(jié)流閥，在閥芯行程僅剩4 mm情況下，泵壓升至35 MPa，后混入氮?dú)?，氮?dú)馀帕?.2 m3/min，制氮車壓力略高于泵壓。實驗過程中為了獲得高壓，閥開啟度小，期間多次出現(xiàn)憋壓和超壓現(xiàn)象，泵壓最高瞬時至44 MPa，造成多次緊急停泵，為保證實驗安全，調(diào)整泵沖介于60～80次/min，排量16.2 L/s，閥芯開啟至7 mm，沖蝕實驗泵壓介于20～35 MPa，如圖2所示，實驗時長總計490 min。圖2中壓力曲線突然下降是因為檢修泵導(dǎo)致。

2.3 楔形節(jié)流閥

圖2 圓柱節(jié)流閥實驗壓力曲線圖

楔形節(jié)流閥先處于全開狀態(tài)，緩慢起泵，待泵沖達(dá)到110次/min，排量22.3 L/s，逐漸關(guān)閉閥，該閥閥芯和閥座間隙較大[9-10]，在閥芯關(guān)閉至僅剩3 mm情況下，無法實現(xiàn)小過流面積節(jié)流，泵壓僅能在12～17 MPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，后混入氮?dú)?，氮?dú)馀帕?.2 m3/min，制氮車壓力略高于泵壓，沖蝕實驗時長總計486 min，如圖3所示。圖3中壓力曲線突然下降是因為檢修泵導(dǎo)致。

圖3 楔形節(jié)流閥實驗壓力曲線圖

2.4 孔板節(jié)流閥

孔板節(jié)流閥先處于全開狀態(tài)，緩慢起泵，待泵沖達(dá)到110次/min，排量22.3 L/s，逐漸關(guān)閉孔板節(jié)流閥，當(dāng)閥開度約1/8時，實驗泵壓介于14～23 MPa，如圖4所示。

考慮到該閥有截止功能[11]，為了避免出現(xiàn)圓柱節(jié)流閥實驗中超壓現(xiàn)象，因此控制實驗壓力在該范圍內(nèi)，后混入氮?dú)猓獨(dú)馀帕?.2 m3/min，制氮車壓力略高于泵壓，沖蝕實驗時長總計315 min。實驗中后期泵壓多次從高壓瞬時跌落至4.0 MPa，開關(guān)活動閥后又升至原壓力，最后一次壓力從14 MPa跌落至4.0 MPa（圖4），認(rèn)為該閥沖蝕受損導(dǎo)致，停止實驗。

圖4 孔板節(jié)流閥實驗壓力曲線圖

2.5 實驗評價

實驗結(jié)束后分別對3種閥進(jìn)行了拆卸、檢查和測量，圓柱節(jié)流閥未被沖蝕，楔形節(jié)流閥閥芯有輕微沖蝕，下游短節(jié)沖蝕較嚴(yán)重，孔板節(jié)流閥閥芯后端和下游短節(jié)沖蝕嚴(yán)重。

2.5.1 圓柱節(jié)流閥

圓柱節(jié)流閥閥芯?50.4 mm無變化，節(jié)流處有一環(huán)狀沖蝕印記，寬2.6 mm（圖5-a），閥座無蝕痕（圖5-b），下游短節(jié)也無沖蝕痕跡，分析認(rèn)為閥芯和閥座采用高強(qiáng)度材料制成，強(qiáng)度高，閥芯設(shè)計為圓柱流體沖擊到閥芯后形成了紊流，同時下游短節(jié)前端采用喇叭口形式，優(yōu)化了抗沖蝕角度，對流體進(jìn)行引導(dǎo)修正，減弱了流體對下游的沖蝕，這在實驗中得到了驗證。實驗期間出現(xiàn)超壓，主要是閥芯和閥座間隙較小，鉆井液中的固體顆粒和雜質(zhì)在通過時憋壓所致。

圖5 圓柱節(jié)流閥閥芯及閥座實驗后照片

2.5.2 楔形節(jié)流閥

楔形節(jié)流閥閥芯大端側(cè)面處有一處輕微蝕痕，深度約1 mm（圖6-a），閥座無明顯蝕痕，下游短節(jié)有一處4 mm×10 mm月牙狀蝕痕（圖6-b）。分析認(rèn)為閥芯雖然采用高強(qiáng)度材質(zhì)但硬度不夠高[12-14]，所以出現(xiàn)蝕痕，由于閥芯設(shè)計成楔形結(jié)構(gòu)，流體流過后不會形成紊流，反而會形成單側(cè)高速流體[15-16]，這是造成下游短節(jié)單邊被刺蝕的主要原因，這在實驗中得到了驗證。

圖6 楔形節(jié)流閥閥芯及下游短節(jié)沖蝕照片

2.5.3 孔板節(jié)流閥

閥芯表面無沖蝕痕跡，但閥芯后端被嚴(yán)重沖蝕，蝕痕最深5 mm（圖7-a），下游短節(jié)與閥連接處有蝕痕，蝕痕深1 mm，寬10 mm（圖7-b）。分析認(rèn)為，閥芯與閥芯之間主要靠組裝時的預(yù)緊力形成密封，但在節(jié)流時高壓流體會產(chǎn)生向上推力，使閥桿被推起，導(dǎo)致預(yù)緊力下降，兩閥芯間出現(xiàn)間隙，流體經(jīng)閥芯間隙流入閥芯后端造成沖蝕（表1）。下游短節(jié)被沖蝕是因為節(jié)流孔采用不對稱結(jié)構(gòu)，流體經(jīng)閥芯節(jié)流后，分流不均勻，流動偏向一側(cè)[15-17]，且流速較高導(dǎo)致。

圖7 孔板節(jié)流閥閥芯后端及下游短節(jié)沖蝕照片

表1 節(jié)流閥實驗后的對比參數(shù)表

3 結(jié)論及建議

1）現(xiàn)場實驗表明，研究形成的三相流體沖蝕方法，能有效模擬三相流體對閥的沖蝕情況。采取的閉環(huán)實驗程序能保證實驗持續(xù)進(jìn)行；通過遠(yuǎn)程控制閥的開啟度，可調(diào)整實驗所需壓力和流體流速；氮?dú)庾⑷雺毫β愿哂趯嶒瀴毫δ鼙ＷC氣體有效混入，形成三相流體，該方法也可用于類似結(jié)構(gòu)節(jié)流閥的評價。

2）通過實驗獲得了圓柱節(jié)流閥抗沖蝕能力最強(qiáng)，未有蝕痕；楔形節(jié)流閥次之，閥芯有輕微蝕痕，下游短節(jié)有較嚴(yán)重沖蝕；孔板節(jié)流閥最弱，閥芯底部和下游短節(jié)有較嚴(yán)重沖蝕的評價結(jié)果，在“三高”井中推薦優(yōu)先配置圓柱節(jié)流閥。

3）針對楔形節(jié)流閥下游短節(jié)單側(cè)和閥芯被沖蝕問題，建議閥芯形狀改進(jìn)成圓柱形，節(jié)流后的流體能形成紊流，避免單邊沖蝕，材質(zhì)采用更高強(qiáng)度的合金材料以提高抗沖蝕能力。

4）認(rèn)為孔板節(jié)流閥因結(jié)構(gòu)原因，不可避免地會形成單側(cè)沖蝕，針對閥芯后座沖蝕嚴(yán)重的問題，建議在閥芯側(cè)面增加一道密封，可阻絕流體流經(jīng)底部。

5）由于實驗參數(shù)取值與實際井噴存在差異，井噴過程中流體流速和比例存在大量不確定和隨機(jī)性，所以實驗所獲閥抗沖蝕時間、蝕痕形狀、位置等數(shù)據(jù)與實際井噴可能存在一定差異，建議加大實驗規(guī)模，增加多種流速及液氣比例的實驗。