一种井控节流阀防刺短节的特性分析

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1、石油机械一l0一CHINAPETROLEUMMACHINERY2011年第39卷第11期●设计计算一种井控节流阀防刺短节的特性分析王国荣王德贵刘清友刘洋(1．西南石油大学2．宝鸡石油机械有限责任公司)摘要节流阀是钻井井控管汇中的关键设备，现场应用中常因阀座、阀心的冲蚀磨损而失效，给井控带来了很大的安全隐患。防刺短节就是针对此问题而设计的。采用三维流场分析的方法，对带和不带防刺短节的楔形节流阀的流量特性进行对比分析。分析结果表明，防刺短节可以减小壁面上的流体速度进而减小壁面的冲蚀；防刺短节的节流效果不明显，其对节流阀的压

2、力控制没有明显变化；加防刺短节后，流线复杂，流场漩涡增多，可能会产生振动和噪声。最后提出用普通碳钢材料来制造短节合金头以降低成本。关键词防刺短节节流阀流量特性冲蚀重大。节流阀防刺短节就是为了提高现有节流阀的0引言可靠性而设计的一种防冲蚀装置。为了对防刺短节的效果进行评价，采用三维流场分析的方法，对带节流阀是油田钻井井控管汇上普遍应用的一种和不带防刺短节的楔形节流阀的流场特性进行对比阀件，是节流压井的关键设备¨J。它的功能是在分析，以期为这种新型防冲蚀装置的现场应用提供实施油气井压力控制技术时，借助其开启和关闭维理论参考

3、。持一定的套压，将井底压力变化稳定在一个窄小的范围内。在高压油气井压井过程中，节流阀的工作1防刺短节的结构原理条件十分恶劣，流量大、工作压力高，且流体介质具有腐蚀性强、粘度低、汽化压力高和含有许多坚防刺短节的结构及安装位置如图1所示。硬的固体颗粒等特点，使节流阀面l临气蚀、冲蚀及腐蚀作用的破坏。在某些高压地层条件下，地层压力大多在50MPa以上，个别地层压力甚至达到120MPa，虽然可采用节流阀串联的方法减小单个节流阀的压降(如采用三级节流)，但每个节流阀上分担的压降仍然很大。井控专家认为，在40MPa以上的高压降下现

4、有节流阀(包括进口的)会很快失效J，因为要产生如此大的压降必须将开度开得很小，流体以非常高的流速从狭小通道中流出，会形成对阀座和阀心的水力切割，造成阀座图1防刺短节结构及安装位置和阀心的冲蚀磨损。冲蚀磨损是节流阀正常工作下l一阀盖；2一阀体；3一阀心；4一阀座外套；5一的主要失效形式。阀座；6一阀座衬套；7、10、15一钢圈；8一提高节流阀的工作可靠性，改进现有节流阀的短节衬套；9一短节法兰；11一短节本体；12m短结构，改善节流阀的性能，对油气井节流压井意义节合金头；13一螺钉；14一盲法兰：16一注脂阀。基金项目：

5、国家科技重大专项“煤层气欠平衡钻井配套技术研究”(2008ZX05000—036—003)及国家自然科学基金资助项目(50905149)的部分研究内容。2011年第39卷第11期王国荣等：一种井控节流阀防刺短节的特性分析防刺短节主要由本体、法兰、短节衬套和短节特性的影响，将阀心行程为50InFll的某节流阀在9合金头等零件组成，阀心、阀座、阀座衬套、短节种开度(即行程分别为10、15、20、25、30、35、衬套和短节合金头均采用硬质合金材料。钻井液通40、45和50mm)下分别进行带和不带防刺短节过节流阀后，经短节衬

6、套到达突然剧变的本体内对比分析。下面将针对阀心行程为25film(开度为腔，流向半球形的短节合金头头部后改变方向，最50％)时的分析结果进行讨论。后由短节合金头外圆柱面上的孔隙汇总并由出口流图3为节流阀半开时，其对称面剖面上的速度出。防刺短节能消耗对下游部件的大部分的冲击能矢量图。从图可以看出，高速流体主要集中在出口量并且使流动阻力变大。端与入口端过流面积变化较大处，最大速度发生在阀心以下喷射之后的扩散段。在流体进入防刺短节2流场模型的建立之前，其速度已经有了较大的下降，带防刺短节的最大流速为92．55m／s，不带防刺

7、短节的最大流速2．1计算假设为96．O1m／s，带防刺短节之后，速度降低了3．46节流阀流场是流体机械中遇到的最复杂流动之m／s。防刺短节处流体来流不均匀，靠近人口左边一，属于粘性、不可压缩的三维不稳定流动，但仍处来流速度较大，右边速度较小。满足基本控制方程，包括质量守恒、动量守恒和能量守恒方程J。根据节流阀的特点，做以下简化：①计算中不考虑流体所受重力的影响；②假定流场系统为绝热系统，即与外界无热交换，计算过程不考虑能量方程；③不考虑岩屑对流场的影响，假定为单相流。2．2网格处理网格质量的好坏直接关系到流场数值模拟结

8、果a．带防刺短节b．不带防刺短节的准确性。从计算效率、计算精度和网格划分的难易出发，采用非结构化网格划分方法，使用四面体图3阀心25mm(开厦50％)时速度矢量图混合网格，入口、出口和楔形面进行网格细化。划从图还可以看出，左侧壁面上的速度比右侧要分后的网格如图2所示。大。现场失效调研也证明，冲蚀破坏主要发生在图中的左侧壁面。因此，