控压钻井节流阀阀芯轮廓曲线设计

控压钻井节流阀是钻井系统中控制压力的关键部件,控制系统通过一定策略来改变阀的开度从而快速、精确地控制井口压力,要求节流阀开度和阀两端压降呈近似线性关系。根据节流阀流量、压差与过流面积的数学关系,采用曲线包络的数学方法建立了控压钻井节流阀阀芯轮廓线的数学模型,绘制出开度-压降呈线性关系的阀芯轮廓曲线,并通过计算各个开度下的过流面积和压降对所建模型进行了验证。该数学模型可针对不同工况下的MPD节流阀设计提供理论依据,具有一定的工程实际意义。     

大导流面柱塞型节流阀冲蚀规律研究

为了探究柱塞型节流阀在节流过程中因受到高速颗粒冲击和流体冲蚀而导致节流阀失效的问题,以PCG,2-9/16×15M型节流阀为研究对象,采用欧拉-拉格朗日法和离散模型,研究了不同开度、质量流量、流体速度及颗粒直径对阀座和阀芯的冲蚀规律。研究结果表明：随着开度的减小,节流阀主要冲蚀区域从阀体内腔节流处转为导流面节流处;在不同开度下,随着流速的增加,最大冲蚀率统一呈现上升趋势,并随着开度的增加,上升趋势更加明显;随着颗粒直径的增加,最大冲蚀率呈现上升趋势;随着质量流量的增加,最大冲蚀率不稳定,大体呈现上升趋势;节流阀通常在小开度下工作,小开度的不同工况下,节流阀最大冲蚀位置都处在节流阀阀芯上,将节流口处改为阶梯形结构,通过仿真结果对比,可有效降低节流阀最大冲蚀率。研究结果可为节流阀的进一步优化设计提供参考。     

钻井用节流阀抗冲蚀性能的实验评价

发生井喷事故时主要依靠节流阀来控制井内流体的流速,因而要求其具有较强的抗冲蚀能力,但目前的节流阀抗冲蚀能力评价大多都停留在有限元分析或流体流场模拟计算阶段,无实测数据,未进行定性、定量评价,给选型和使用都带来了较大的困难。为此,采取远程控制阀开启度调整实验压力和流体流速、氮气注入压力略高于实验压力来保证气体有效混入形成三相流体的实验思路,闭环模拟了不同流速、不同流体组分、不同压力条件下的井喷对孔板、圆柱和楔形3种节流阀的冲蚀情况。实验结果表明:①抗冲蚀能力依次为圆柱节流阀>楔形节流阀>孔板节流阀;②在实验压力范围内,楔形节流阀阀芯出现轻微蚀痕,下游短节发生单边冲蚀,抗冲蚀能力较弱;③当孔板节流阀开度约1/8时,实验泵压多次跌落回4 MPa,其阀芯后端受到严重冲蚀。进而依据实验结果,提出了改变楔形节流阀阀芯形状、优选材质、在孔板节流阀的阀芯侧面增加密封件等改进思路。结论认为,所形成的三相流体抗冲蚀评价方法可应用于类似结构节流阀的评价。     

控压并联节流管汇压降特性研究

控压钻井技术是近年来发展起来的一项解决复杂钻井问题的重要技术,节流管汇中节流阀是控制井口回压关键部件,传统研究节流阀压降特性线性关系方法是通过改进节流阀阀芯结构.文章利用现有节流管汇,采用并联节流阀新方法,运用计算流体力学并结合一元线性回归分析方法,研究并联节流阀压降特性线性关系,得出并联管汇节流线性度均比单节流阀节流的线性度高,并联节流管汇中副节流阀开度调至15％时,整体线性度比单个节流阀提高了23.1％.     

楔形节流阀优化结构的可行性

基于液-固两相流理论,应用计算流体动力学技术,对楔形节流阀进行了三维紊流流场数值模拟研究,并对优化后楔形节流阀进行可行性分析.研究发现:优化后阀体内部速度降低了约20％,压降降低了约43.6％;阀芯冲刷速率得到了有效的控制.证明两个斜坡面阀芯结构是可行的,而且可有效地提高楔形节流阀的整体使用寿命.     

针型节流阀内部液固两相运动及壁面磨损研究

关于针型节流阀的相关研究和报道较少。为此,基于计算流体力学(CFD)方法,应用Fluent软件中的离散相模型和磨损模型,对节流阀的流量系数(C_v值)、内部液固两相运动和壁面磨损进行了模拟研究。研究结果表明,针型节流阀的开度越大,C_v值越大,对于流体的流通能力越强;C_v值的增长幅度随着开度的增大而减小;节流阀的压力及速度变化主要在节流口位置,流体速度随着流通面积的减小而增大,压降和速度在最小流通截面位置达到最大值;节流阀内腔和阀针的壁面磨损以局部磨损为主,阀针是整个节流阀内部最易被冲蚀的零部件;阀针壁面的最大磨损在最小流通面积上方5 mm,内腔壁面的最大磨损在最小流通面积上方8 mm;随着开度的增大阀针和内腔壁面的最大磨损呈现先增大后减小的趋势,在开度为15 mm左右时存在磨损峰值。所得结论可为针型节流阀的设计提供参考。     

套管固井滑套冲蚀磨损模拟分析与试验研究

为准确分析套管固井滑套长时间在固液两相流中冲蚀后的磨损情况及可靠性,在进行冲蚀理论分析和数值模拟的基础上,利用研制的冲蚀磨损试验装置,研究了特定工况下固井滑套带孔短节的冲蚀磨损情况,分析了滑套孔眼冲蚀磨损速率与孔眼数量、砂比及排量的关系,建立了冲蚀磨损速率新模型,研究了滑套带孔短节孔眼过流能力与冲蚀磨损速率的关系;同时,结合数值分析结果和试验数据,得到了A型材质滑套短节的冲蚀磨损系数。研究结果表明,当滑套孔眼为2个时,含砂流体对滑套孔眼周边的冲蚀磨损较为明显,且滑套孔眼冲蚀磨损速率与砂比呈线性关系,与排量呈指数关系。该研究结果可为套管固井滑套可靠性评估提供理论依据,且能够指导滑套压裂工具的现场应用。      

气井针型节流阀失效因素模拟分析

在气井中可调针型阀节流时常因高压高速及含砂出现阀杆脱落断裂、针阀冲蚀、水合物冰堵等失效现象,影响测试和生产地面流程安全。利用Fluent数值模拟,建立针型节流阀数值模型,通过模拟计算,得到节流前后速度、压力、温度流场,认识针型节流阀节流规律;分析水合物冰堵潜在成因,认为温度最低部位在锥形油嘴芯后半部分;分析阀杆受力情况,得到阀杆脱落原因主要在于对阀杆及阀芯的直接冲击、进入节流段前绕流引起的横向振动、进入节流段后锥面上漩涡脱落引起的横向和纵向振动;结合冲蚀离散模型计算,得到针阀冲蚀速率分布规律,冲蚀部位主要为针形阀芯中部及阀座突缩处。模拟计算得到的冲蚀损伤部位与实际损伤部位较符合。该分析适用于类似流场和冲蚀速率分布规律研究。     

基于Matlab的控压钻井压力控制建模方法

为了提高控压钻井的控压精度,研究了基于Matlab的控压钻井压力控制建模方法。分析了节流阀的节流控压原理,根据伯努利方程建立了表征节流阀物理特性的方程;利用采集的节流阀节流控压试验数据,通过Matlab软件进行线性回归,得到了可计算节流阀控压的四参数公式;根据试验选用的节流阀开度与当量直径的特性曲线,采用Matlab软件进行拟合,得到了节流阀开度与节流面积的关系方程;根据节流阀开关试验得到的节流阀开度与开关时间数据,利用Matlab软件拟合出了开度与开关时间的关系方程,将上述各方程相结合得到了节流控压的理论模型。利用Matlab软件的半实物仿真插件将模型转化为通用实时代码,并采用模块化建模方法,编制了控压钻井自动控制软件,形成了控压模型。循环模拟系统验证显示,控制系统的响应时间小于10 s,控制精度达到了±0.2 MPa,满足控压钻井精细控压的需求,这证明基于Matlab的控压钻井压力控制建模方法是可行的。      

一种井控节流阀防刺短节的特性分析

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。     

控压钻井自动节流管汇压力调节特性研究

现代控压钻井作业中,依靠自动节流管汇施加和控制井口回压,从而间接控制井底压力。但由于阀门的压力调节特性与阀门开度存在较大的非线性,常规节流管汇很难通过单个节流阀实现全开度范围内的精确调节。为了提高控制精度,利用节流阀工作的3个状态,建立了压力调节特性与流量调节特性的对应关系,进而建立了节流管汇的压力调节特性模型,并对压力调节精度及流量对压力调节特性的影响进行了分析。 研究分析表明,现有节流阀压力调节特性呈现一定非线性;通过优化阀芯可以增大节流阀的有效工作区间,但不能完全消除超调区间;钻井液排量对节流阀的压力调节特性影响较大,设计节流管汇时应考虑排量问题。      

水力喷射工具用35CrMo钢抗冲蚀性能研究

为了解水力喷射工具用35Cr Mo钢的抗冲蚀性能,模拟实际水力喷射压裂工况,用质量分数0.2%的羟丙基瓜尔胶溶液与石英砂固液混合溶液对35Cr Mo钢试样进行冲刷试验,并借助扫描电子显微镜(SEM)对试验后试样表面形貌进行分析,研究液体入射角和入射流速对冲蚀速率的影响。研究结果表明,上述混合溶液对35Cr Mo钢的冲蚀作用主要表现为机械冲刷磨损;损伤机理为微切削与冲击锻打,小角度入射时以微切削为主,大角度入射时以冲击锻打为主;当冲刷溶液的入射角度为45°时,试样表面冲蚀磨损最严重;入射流体流速的临界值约为8.2 m/s,当流速小于8.2 m/s时,随入射流速的升高,冲蚀速率增加较为平缓,当流速大于8.2 m/s时,冲蚀速率随入射流速升高而迅速上升。因此冲蚀速率与入射流速间的拟合关系应在低流速区和高流速区分段考虑。     

压裂液对水平井滑套球座冲蚀磨损的数值模拟

针对水平井裸眼封隔器投球滑套分段压裂技术在施工过程中出现压裂携砂液对滑套球座冲蚀磨损的问题,采用欧拉多相流理论和Finnie微切削理论,建立压裂液对滑套球座冲蚀的液固两相双流体数学模型,结合实际工程模拟不同砂比、粒径、排量等因素对球座冲蚀磨损速率的影响,并进行失效分析和现场应用。分析结果表明,压裂携砂液冲蚀球座最严重的部位发生在滑套前端锥面;施工排量对球座冲蚀磨损的影响最大,且磨损速率与排量成指数关系;粒径次之,冲蚀磨损速率随支撑剂直径的增大而减小;砂比对球座冲蚀磨损的影响最小。该球座冲蚀磨损规律为非常规油藏水平井分段压裂施工方案的优化提供了理论依据。     

用节流阀消除立管剧烈段塞流

剧烈段塞流是指液塞长度大于立管高度的段塞流。这是管道出口气液瞬时流量变化最大的段塞流,在正常工作范围下,这种段塞流对管道和管道下游相应的设备危害最大。利用立管底部节流阀节流的方法可以改变立管中流体的流型,消除管内压力流量的大幅增大。节流阀的调节作用不是线性的,在开度为60%时,管内压力变化仍然很剧烈;直到开度为30%左右时,立管底部压力基本平稳,说明此时剧烈段塞流得到消除,但同时也造成了背压的明显增大。     

天然气携砂在90°弯管中的冲蚀磨损数值分析

针对天然气携砂弯管冲蚀问题,利用Fluent流体仿真软件进行气-固双相耦合,选用标准k-epsilon湍流模型、E/CRC冲蚀模型对固体颗粒的流场分布、冲蚀速率及冲蚀位置进行模拟,并针对4种不同重力场的流动特性进行分析。结果表明:颗粒质量流量较小时,冲蚀速率随流速呈线性变化,颗粒质量流量较大时,冲蚀速率随流速呈指数变化;冲蚀速率随颗粒直径的增大,呈现先增大后保持平稳趋势;最大冲蚀位置随流速的增加向后移动,随颗粒直径的增大略微向前移动;与重力方向相同的入口或出口位置,冲蚀较严重,和重力方向相同且二次流经过的位置,冲蚀现象最为严重。以上研究结果可为预防管道冲蚀提供理论依据和实际参考。     

35CrMo钢冲蚀磨损性能和机制的研究

油气作业中,井控管汇受高速携砂液冲蚀,易引发管汇破裂和刺穿,造成工业事故。为了解井控管汇常用材料35CrMo钢的冲蚀磨损性能,采用冲蚀磨损试验机研究了含不同粒径支撑剂的携砂液对35CrMo钢冲蚀时,冲蚀角度(5°~30°)和冲蚀速度(20~45 m/s)对其冲蚀磨损性能的影响;并通过扫描电镜对35CrMo钢表面的冲蚀坑进行了微观形貌扫描,分析了冲蚀角度和冲蚀速度对冲蚀机制的影响。研究结果表明:35Cr Mo钢的冲蚀率与冲蚀速度呈指数关系;在对数坐标系中,冲蚀率与冲蚀速度呈线性关系;支撑剂的粒径对速度指数n影响很小;随冲蚀角度的增加,冲蚀率呈指数关系增大,冲蚀犁沟的长度变短,深度加深,撞击凹坑的数目增多。冲蚀坑的形成机制取决于支撑剂颗粒冲蚀能量的大小及其切向分量与法向分量的大小。     

微流量控压钻井中节流阀动作对环空压力的影响

为解决窄安全密度窗口的复杂压力剖面问题,基于质量守恒方程及动量守恒方程,建立了节流阀动作引发的环空波动压力模型,并应用中心差分法对模型进行了求解。研究表明,随钻井液排量增大、节流阀动作时间减小,环空所受波动压力呈增大趋势;阀芯所受波动压力大于环空段;钻井液排量从36 L/s增至56 L/s时,阀芯所受波动压力峰值从1.26 MPa增至1.56 MPa,钻铤段波动压力峰值为0.22 MPa;节流阀动作时,套管鞋处引发故障的概率比井底高至35%。研究结果表明,两步、多步线性关阀较一步关阀,不但关阀手段灵活,更可有效减小环空波动压力峰值。      

脉冲注水工具设计及冲蚀特性仿真研究

为提高脉冲注水工具抗冲蚀能力,设计了一套实用可靠的脉冲注水工具。采用内部中空、无转动部件、不易藏垢的结构,应用CFD-DPM方法研究了不同开度和颗粒直径时两相流对导流孔-注水孔的冲蚀特性,分析了导流孔-注水孔的两相流和颗粒分布,明确了壁面的冲蚀分布规律和粒子数随冲蚀率的变化规律。当粒径增大时,沉淀效果显著,导流孔-注水孔内壁都发生了严重的冲蚀;导流孔-注水孔的最大冲蚀值随着颗粒大小的增加而呈指数级下降;粒子数对冲蚀程度起着主导作用。研究结果表明：在小开度的情况下冲蚀程度随着颗粒直径的增加而降低;当开度较大时,冲蚀程度先降低后增加。研究结果可为低渗油藏高效注水开发提供技术支撑。     

文丘里型气动喷砂喷嘴冲蚀模拟分析

为研究气动喷砂枪喷射颗粒对喷嘴造成的冲蚀磨损情况,选取文丘里型气动喷砂喷嘴为研究对象,运用CFD软件对其内部流场及颗粒运动特性进行仿真模拟分析;通过改变收缩角度、颗粒粒径及质量流率进一步分析喷嘴冲蚀速率变化的规律。结果表明:喷嘴的冲蚀区域主要集中在喉管及收缩管出口区域;随着收缩角度的增加,喷嘴最大冲蚀速率逐渐增大,采用30°、45°收缩角度的喷嘴时,颗粒并未出现"回弹"的现象,采用60°收缩角度的喷嘴时,部分颗粒出现"回弹"现象,通过观察不同收缩角度喷嘴内颗粒撞击壁面的位置可知,撞击点出现"滞后"现象;喷嘴的最大冲蚀速率随颗粒粒径的增加先减小再增加再减小最终趋于稳定;喷嘴最大冲蚀速率随颗粒质量流率的增加逐渐增大,并且拟合曲线近似呈现线性关系。可见,应根据流体介质中实际颗粒粒径分布情况,合理控制颗粒的质量流率并选取喷嘴适宜的收缩角度以减轻颗粒对壁面的冲蚀作用。     

全尺寸射孔完井水平井筒流动压降实验

采用外径139.7 mm的壁面打孔套管模拟射孔完井水平井筒,通过模拟实验研究射孔参数及壁面注入比对各种压降的影响规律。实验结果表明:①随着射孔密度、射孔孔径、射孔相位的增大,壁面摩擦压降和总压降均增大,混合压降减小。②射孔套管出口主流雷诺数相同时,随着壁面注入比的增大,总压降和混合压降均增大。壁面注入比小于临界值(本研究条件下为0.05%～0.10%)时,混合压降小于零;壁面注入比大于临界值时,混合压降大于零。壁面注入比小于0.10%时,加速度压降可以忽略;壁面注入比大于0.10%时,加速度压降随壁面注入比的增大而显著增加。③随着壁面注入比的增大,壁面摩擦压降占总压降的比例逐渐减小,加速度压降占总压降的比例逐渐增大。壁面注入比小于1.00%时,混合压降占总压降的比例随壁面注入比的增大而增大;壁面注入比大于1.00%时,混合压降占总压降的比例基本保持不变。