蔣凱 佟新宇
摘要:鉆井井控過程中,節(jié)流閥是非常重要的一個設(shè)備,其工作的正常性對于壓井成敗產(chǎn)生直接影響,所以,通過現(xiàn)代化的分析軟件分析井控裝置井控節(jié)流閥,結(jié)合節(jié)流閥的流場特點,對其相關(guān)機理和結(jié)構(gòu)進行分析。本文主要對井控節(jié)流閥沖蝕機理進行一定的分析,并優(yōu)化結(jié)構(gòu)。
主題詞:井控節(jié)流閥;鉆井工程;沖蝕機理
節(jié)流閥對于鉆井井控的管匯來說是比較重要的,該設(shè)備能夠進行正常工作也是壓井成敗的關(guān)鍵所在,受到一定流量的作用,科學(xué)地調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度,對節(jié)流閥的兩端壓差進行控制,繼而提供一定的回壓給井底,避免出現(xiàn)井涌和井噴等多種事故,因此,井控節(jié)流閥對于安全生產(chǎn)來說是至關(guān)重要的。因為井下的壓力比較大,加之泥漿具有較強的沖蝕性,井控節(jié)流閥需要具備更多的優(yōu)勢才能夠符合安全生產(chǎn)所需。
一、分析節(jié)流閥的力學(xué)
在油氣田的施工現(xiàn)場, 通常會運用到井控節(jié)流閥,最開始運用的就是錐形閥心,因為錐形閥心屬于一端固定和一端比較自由的一些懸臂梁的結(jié)構(gòu),會在高壓流體的壓力下出現(xiàn)震動,導(dǎo)致疲勞破壞甚至斷裂,與安全生產(chǎn)所需不符合。對楔形閥心進行改用之后,因為楔形閥心的具體工作就像是簡支梁的結(jié)構(gòu),具有較高的穩(wěn)定性,因此防止了斷裂問題的出現(xiàn)。然而閥在具體應(yīng)用過程中還是有很多問題出現(xiàn),存在的主要問題之一便是泥漿經(jīng)過節(jié)流口后沖到閥門殼體,導(dǎo)致殼體出現(xiàn)沖蝕,還會有沖穿殼體的問題發(fā)生,本文所說的ANSYS軟件能夠很好地分析閥的具體流場。
(一)建立模型
具體工作開展的過程中,楔形節(jié)流閥內(nèi)的泥漿屬于三維非定常的一種流動,在這一過程中,流體運動的情況具有一定的復(fù)雜性。然而通過定性對流體進行了解能夠在節(jié)流閥當(dāng)中維持三維流動的趨勢,并不需要完全地對節(jié)流閥的復(fù)雜性進行模擬,在這一過程中,主要通過節(jié)流閥的對稱面流場分析,將其簡化成平面流動就能夠達到最終的目的。 劃分節(jié)流閥網(wǎng)格一般選擇的是映射網(wǎng)格,并且在壁面等多種流體梯度較大的地方應(yīng)該進行劃密,有助于精確地解釋。還要將壁面邊界的條件設(shè)定為x、y不同的方向上,其流體速度設(shè)置為零,在入口流量上為20 L/s,在出口背壓上為0MPa,此時的流體密度是1893 kg/m3。
(二)分析最終的結(jié)果
收斂計算結(jié)果之后,會獲得關(guān)于流場分布速度云圖以及矢量的分布圖,相關(guān)人員可以得到,泥漿在節(jié)流口通過之后會使得高速流體出現(xiàn)較大的速度,并且沖到殼體上,因為泥漿當(dāng)中的顆粒狀物質(zhì)比較多,還會產(chǎn)生物質(zhì)沖刷殼體的現(xiàn)象,切削殼體,受到高壓高流速的影響,能夠以最快的速度從殼體壁沖穿,最終導(dǎo)致節(jié)流閥出現(xiàn)失效的問題 。
二、井控節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施
為了防止出現(xiàn)上述問題,需要對流道結(jié)構(gòu)進行一定的改變,進而有效地改善泥漿流出的趨勢,防止對殼體壁面造成沖刷。利用流場和結(jié)構(gòu)之間存在的關(guān)系, 可以通過改變節(jié)流閥結(jié)構(gòu)達到目的。
對于石油企業(yè)來說,鉆采開發(fā)期間總是會碰到壓井作業(yè),為井底給予一定的回壓繼而使得地層壓力能夠平衡,壓井作業(yè)則是通過井控節(jié)流閥的開度調(diào)節(jié) 阻礙井內(nèi)流體出現(xiàn)阻力,繼而使得回壓出現(xiàn)。因此,井控節(jié)流閥對于鉆井井控的管匯而言至關(guān)重要,通過對節(jié)流閥進行有效地調(diào)節(jié)控制井中壓力,進而有效防止井涌和井噴事故的出現(xiàn)。通過全面有效地分析井控節(jié)流閥沖蝕機理,明確當(dāng)中存在的問題,并且制定針對性地將誒夠優(yōu)化的措施,為井控作業(yè)的開展做好基礎(chǔ)保障,還要通過相關(guān)軟件的應(yīng)用分析節(jié)流閥節(jié)流口的區(qū)域流場,獲得不同的閥芯尺寸分布規(guī)律,對最優(yōu)閥芯結(jié)構(gòu)的尺寸進行確定,進而使得鉆井工作得以有效開展。 對于相關(guān)人員來說,需要通過以下幾點措施進行優(yōu)化,為我國石油企業(yè)的發(fā)展做好基礎(chǔ)保障。
一是,把楔形節(jié)流閥平面向弧面進行改造。選擇和上相同的一些邊界條件以及參數(shù),繼而能夠在ANSYS軟件的CFD模塊當(dāng)中作全面的流場分析,并且獲得一定的效果圖,即速度云圖以及矢量的分布圖。相關(guān)人員可以從最終的結(jié)果中看出,改變楔形面的形狀之后,流體流動的時候因為備受弧面約束,導(dǎo)致液體出流趨勢出現(xiàn)了一定的改變,如果流體從閥心脫離的話,流體流動趨勢就是沿著節(jié)流閥的末端表面切線方向進行射出。因此,如果弧面末端切線的方向和殼體中軸線之間平行的話,高速流體射出的方向也就不能沖向殼體,在此基礎(chǔ)上,使得泥漿在殼體中產(chǎn)生的沖蝕作用逐漸降低,為井控作業(yè)開展的整體質(zhì)量打好基礎(chǔ),同時,還是石油企業(yè)進一步發(fā)展的重要支撐。
二是,現(xiàn)場實際應(yīng)用過程中,需要節(jié)流閥調(diào)節(jié)壓力時屬于線性的,因為節(jié)流閥閥心改變?yōu)榛∶嬷?,其在閥心當(dāng)中移動的話節(jié)流口的面積變化缺乏均勻性,然而在部分行程段的節(jié)流閥出現(xiàn)的壓降變化缺乏明顯性,有些行程段的節(jié)流閥所出現(xiàn)的壓降是非常劇烈的,因此導(dǎo)致節(jié)流閥對于壓力線性的調(diào)節(jié)造成嚴(yán)重的影響。
想要達到線性調(diào)節(jié)的目的,同時,對流體出流的趨勢目標(biāo)進行完成,就要在閥心上部運用楔形平面,然而在閥心末端還是需要保留平面讓其和殼體當(dāng)中的軸線平行,楔形面和平面之間選擇圓弧進行過渡,確保流體的出流方向不能像殼體進行指向,選擇一樣的邊界條件與參數(shù),對速度云圖以及矢量圖進行全面有效地分析。相關(guān)人員可以從這些結(jié)果中看出,復(fù)合形的節(jié)流閥因為閥心下端出現(xiàn)了垂直方向平面,并對流體方向進行了改變,防止流體沖蝕殼體壁。與此同時,閥心上端部出現(xiàn)的直線段與壓降線性調(diào)節(jié)所需之間是相互滿足的,可以在現(xiàn)場進行有效地應(yīng)用。只有這樣,才能為井控作業(yè)的開展做好基礎(chǔ)保障,推動石油企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
結(jié)束語
綜上所述,通過分析節(jié)流閥流場,能夠發(fā)現(xiàn)各種節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)流場的分布規(guī)律以及特點,明確節(jié)流閥的沖蝕失效的機理,并制定針對性地結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進的策略。與此同時,分析不同閥心結(jié)構(gòu)的節(jié)流閥流場分布以及工作性能,這是節(jié)流閥性能提高的重要基礎(chǔ)和前提,也是相關(guān)企業(yè)發(fā)展的重要推動力和保障。
參考文獻:
[1]宋保健,明鑫,孫凱,蘭凱,國安平.楔形節(jié)流閥沖蝕磨損規(guī)律研究[J].石油礦場機械,2018,47(04):30-34.
[2]屈俊波,閆鐵,孫曉峰,陳燁,曲晶瑀,張克博.控壓鉆井楔形節(jié)流閥節(jié)流壓降規(guī)律研究[J].化工機械,2018,45(03):328-332.
[3]薛東陽. 深水雙梯度鉆井壓力控制[D].東北石油大學(xué),2018.