一种井控节流阀防刺短节的特性分析

图 7 为阀心行程和压降的关系曲线。压降用入 口平均压力和出口平均压力的差值 Δp 表示。 从图 可以看出，在阀心行程大于 20 mm 时，两者曲线基 本重合，压降与阀心行程呈线性关系，故为保证压 降调节的可控性和可调性，应尽量使节流阀工作在 这一段。在阀心行程小于 20 mm 时，带防刺短节的 压降稍大于不带防刺短节的压降，并且在这一段， 节流阀压降呈现出非线性。带与不带防刺短节节流 阀的压降曲线走向基本一致，这说明防刺短节的节 流效果不明显，其对节流阀压降的变化影响不大 。
0
引
言
1
防刺短节的结构原理
防刺短节的结构及安装位置如图 1 所示。
图1
防刺短节结构及安装位置
1 —阀盖； 2 —阀体； 3 —阀心； 4 —阀座外套； 5 — 10、 15—钢圈； 8— 阀座； 6—阀座衬套； 7、 短节衬套； 9 — 短节法兰； 11 — 短节本体 ； 12 — 短 节合金头； 13 — 螺钉； 14 — 盲法兰： 16 — 注脂阀 。
石 — 10 — 设计计算
油
机
械 2011 年 第 39 卷 第 11 期
CHINA PETROLEUM MACHINERY
一种井控节流阀防刺短节的特性分析
王国荣
摘要
1
*
王德贵
1， 2
刘清友
1
刘
洋
1
（ 1. 西南石油大学 2. 宝鸡石油机械有限责任公司）
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 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 ［1 ］ 阀件，是节流压井的关键设备 。 它的功能是在 实施油气井压力控制技术时，借助其开启和关闭维 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 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 硬的固体颗粒等特点，使节流阀面临气蚀、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 50 MPa 以 上， 个 别 地 层 压 力 甚 至 达 到 120 MPa，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 40 MPa 以上的高 压 降 下 现 有 节 流 阀 （ 包 括 进 口 的 ） ［2 ］ 会很快失效 ， 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 和阀心的冲蚀磨损。冲蚀磨损是节流阀正常工作下 的主要失效形式。 提高节流阀的工作可靠性，改进现有节流阀的 结构，改善节流阀的性能，对油气井节流压井意义 和不带防刺短节的楔形节流阀的流场特性进行对比 分析，以期为这种新型防冲蚀装置的现场应用提供 理论参考。
（ 本文编辑 谢守平）
4
结
论
（ 1 ） 节流阀左侧壁面上的流体速度比右侧要
2
2. 1
流场模型的建立
计算假设
节流阀流场是流体机械中遇到的最复杂流动之 一，属于粘性、不可压缩的三维不稳定流动，但仍 满足基本控制方程，包括质量守恒、动量守恒和能 ［3 － 4 ］ 。 根据节流阀的特 点， 做 以 下 简 量守恒方程 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果 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 混合网格，入口、出口和楔形面进行网格细化。划 分后的网格如图 2 所示。
［ 4］
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［ 5］
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析及其结构改进 ［J］ . 石油机械，2004 ，32 （ 9 ） ： ［ 6］ ［ 7］ 刘 干 . 节流阀结构研究与流场数值模拟分析
3
仿真结果
为了尽可能客观地描述防刺短节对节流阀流场
图4 图 3a 中对应的 4 条直线上的速度分布
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第 39 卷
第 11 期
大，冲蚀破坏主要发生在左侧的壁面 ，与现场阀体 失效情况相吻合。防刺短节可以有效地减小节流阀 左侧壁面上的流体速度，从而减小对左侧壁面的冲 蚀，对缓解下游冲刷有利。 （ 2 ） 带与不带防刺短节节流阀的压降曲线走 向基本一致，这说明防刺短节的节流效果不明显， 其对节流阀的压力控制没有明显变化 ，现场人员的 操作不需改变。 （ 3 ） 加防刺短节后， 环形空间增大， 可以降 低速度造成的冲蚀，但流场流线复杂，出现了很多 漩涡，可能会产生振动和噪声。 （ 4 ） 从目前防刺短节在塔里木油田的现场应 用情况来看，还没有失效的案例。防刺短节腔体内 流速较低， 短节合金头没有必要采用硬质合金材 料，建议采用普通碳钢材料，对其表面进行特殊硬 化处理即可，这样可以大幅降低成本。
参 ［ 1］ ［ 2］ 图6 速度流线图 ［ 3］ 考 文 献
图5
图 3bห้องสมุดไป่ตู้中对应的 2 条直线上的速度分布
图 6 为带和不带防刺短节的速度流线图 。从图 可以看出，增加防刺短节后，流场中出现了很多漩 涡。漩涡是由局部低压引起的， 它可能会产生气 穴、振动和噪声。
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* 基金项目： 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。
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王国荣等： 一种井控节流阀防刺短节的特性分析
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防刺短节主要由本体、法兰、短节衬套和短节 合金头等零件组成，阀心、阀座、阀座衬套、短节 衬套和短节合金头均采用硬质合金材料 。钻井液通 过节流阀后， 经短节衬套到达突然剧变的本体内 腔，流向半球形的短节合金头头部后改变方向 ，最 后由短节合金头外圆柱面上的孔隙汇总并由出口流 出。防刺短节能消耗对下游部件的大部分的冲击能 量并且使流动阻力变大。
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第一作者简介： 王国荣，教授，生于 1977 年，2004 年 毕业于西南石油学院研究生院，获机械设计理论专业博士 图7 阀心行程 － 压降关系曲线 学位，现从事岩石破碎学、 钻头以及井下工具和计算机仿 真等领域的研究工作。 地址： （ 610500 ） 四川省成都市。 电 话： （ 028 ） 83037227 。E － mail： wgr168@ 126. com。 收稿日期： 2011 － 03 － 30
特性的影响，将阀心行程为 50 mm 的某节流阀在 9 种开度 （ 即行程分别为 10 、15 、20 、25 、30 、35 、 40 、45 和 50 mm ） 下分别进行带和不带防刺短节 对比分析。下面将针对阀心行程为 25 mm （ 开度为 50% ） 时的分析结果进行讨论。 图 3 为节流阀半开时，其对称面剖面上的速度 矢量图。从图可以看出，高速流体主要集中在出口 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 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. 55 m / s， 不带防刺短节的最大流速 为 96. 01 m / s，带防刺短节之后， 速度降低了 3. 46 m / s。防刺短节处流体来流不均匀， 靠近入口左边 处来流速度较大，右边速度较小。
图2
楔形节流阀网格模型
标为其对应的速度值。从图可以看出，半开时，带 防刺短节的左侧壁面上的最大速度在 33 m / s 左右， 不带防刺短节的左侧壁面上的最大速度在 59 m / s 左右。这说明加防刺短节后，可以有效地减小壁面 上的流体速度，从而减小对壁面的冲蚀。
2. 3
边界条件
入口采用质量流入口边界，设定节流阀入口质 3 量流量为 36 kg / s，密度为 1 800 kg / m ，粘度 0. 02 Pa·s［5 － 6］。出口采用压力出口边界， 设定出口背 压为 0 Pa。壁面采用无滑移条件，近壁采用标准壁 ［7 ］ 面函数条件。 研究表明 ， 经压缩性修正的 RNG κε 模型对阀门的模拟结果比 κε 模型更接近实际 状况，因此选用 RNG κε 两方程湍流模型。
图3
阀心 25 mm （ 开度 50% ） 时速度矢量图
从图还可以看出，左侧壁面上的速度比右侧要 。 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，这里选择左侧壁面上的速度 作为研究对象。 图 4 、图 5 分别为阀心行程为 25 mm 时，带与 不带防刺短节左侧壁面上的速度分布曲线 ，其中横 坐标为在每条直线上取 10 个均布的数据点， 纵坐