楔形节流阀冲蚀磨损规律研究

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(1.中石化中原石油工程有限公司，河南 濮阳 457001； 2.中石化中原石油工程有限公司 管具公司，河南 濮阳 457001； 3.中石化中原石油工程有限公司 钻井一公司，河南 濮阳 457001； 4.中石化中原石油工程有限公司 钻井工程技术研究院，河南 濮阳 457001)①

深井、超深井钻进过程中，井控装备的可靠性非常重要。例如，新疆顺南区块为断裂控制油气藏，普遍埋深超过7 000 m，孔缝洞发育，压力体系复杂且敏感性强，为平衡井底压力，所用钻井液密度甚至高达1.98 g/cm3，井底工具及地面井控装备易被冲蚀，井控安全面临严峻挑战[1-2]。通过对中石化西北局顺南区块钻井资料调研与现场交流得知，105 MPa节流管汇主要安装楔形节流阀，其阀芯及下游短节的冲蚀磨损是导致节流管汇失效的主要原因，如图1所示。

图1 楔形节流阀及短节冲蚀磨损示意

关于楔形节流阀阀腔物理场及力学结构研究较多[3-8]，部分通过速度场预判冲蚀磨损区域及通过分析颗粒属性预判冲蚀磨损速率[9-13]，但对节流阀关键参数——开度与冲蚀速率、冲蚀区域等冲蚀磨损规律研究较少。本文以顺南区块使用的楔形节流阀为研究对象，依据伯努利方程建立了楔形节流阀开度与节流面积、节流压降的数学模型，并运用DDPM模型开展了CFD仿真研究，得到了不同开度条件下节流阀的冲蚀磨损规律，为节流阀优化设计特别是现场施工优选参数提供了理论依据。

1 流体携岩冲蚀节流阀计算模型

1.1 物理模型

以西北X井钻井现场使用的额定工作压力105 MPa、主通径78 mm，安装楔形节流阀的节流管汇主通道为例，建立几何模型，如图2所示。该井用密度ρ=1.98×103kg/m3、固相含量30.4%(其中重晶石含量90%，铁矿粉含量10%)的钻井液，以Q=20 L/s的排量从井口进入节流管汇，并通过主通道J2b→J2a→J1→J5进行循环。其中，固相颗粒的平均直径0.045 mm，重晶石形状系数为0.53，铁矿粉形状系数0.9。阀件J1为楔形节流阀，其结构及几何尺寸如图2所示；其它阀件均为平板阀。

1.2 控制方程

钻井液携固相颗粒冲蚀节流阀时，其密度不会随时间和空间发生变化，即密度为常数。因此，选用压力基进行计算，其控制方程为

式中：ux、uy、uz分别为x、y、z方向的速度分量，m/s；ρ为流体密度，kg/m3；f为单位质量力，m/s2；p为流体微元体上的压强，Pa。

图2 主通道及楔形节流阀结构示意

由于节流阀阀芯的存在，钻井液在阀腔内的流动以旋流为主，故采用对紊流流动具有较好模拟性的RNGk-ε湍流模型进行模拟。此外，固相颗粒作为离散相在受力情况下满足随机归到模型。

其中：

式中：u和up分别为流体相速度和颗粒速度，m/s；μ为流体流动黏度，Pa·s；ρp为颗粒密度，kg/m3；dp为颗粒直径，m；Re为相对雷诺数；CD为曳力系数；gx为x方向重力加速度，m/s2；Fx为x方向上的其他作用力，包括质量力、热泳力、布朗力等，N；FD为单位质量拖曳力，N。

阀芯为硬质合金，满足硬脆性冲蚀模型[14]。

式中：Rero单位时间单位面积冲蚀磨损速率，kg/(m2·s)；C(dpn)为颗粒直径的函数，m；f(α)为颗粒对靶面攻角的函数，rad；b(vpn)是颗粒相对于靶材面速度v的函数，m/s；Awall节流阀内表面单位冲蚀面积，m2；mpn为颗粒的质量流量，kg/s；n表示最大加重材料颗粒数。

2 节流阀物理场模拟结果

2.1 速度场分布规律

基于伯努利方程建立节流阀前后压差Δp和速度vf与过流面积Sg的关系。

vf=Q/Sg

(7)

式中：vf为流过阀芯的速度，m/s；vr为阀芯入口速度，m/s；Sg为节流阀过流面积，m2；Q为流量，m3/s。

相应节流阀过流面积Sg与开度示意如图3所示，其中阴影部分为过流面积。取阀座阀芯间隙值5×10-4m，阀芯的0～10 mm为导流面，10～60 mm为有效节流范围。为准确研究开度与节流压降及节流速度的关系，将阀芯有效调节范围等分为10份，即从x=0时开始调节，长度每增加5 mm，开度增加10%。

图3 过流面积与开度示意

节流平均速度和节流压降与阀芯开度关系曲线如图4所示。楔形节流阀节流压降最高达31.1 MPa，节流速度最高达176.9 m/s。随着开度的减小，节流压降和节流平均速度增大，当节流阀开度小于40%时，增幅急剧变大；当节流阀开度大于60%时，节流效果不明显，但节流阀压降与开度呈近似线性关系，控制精度提升。

图4 节流平均速度和节流压降与阀芯开度关系曲线

节流阀开度为30%时，主流道及楔形节流阀速度云图如图5所示。流体在楔形节流阀上游的速度场分布均匀，平均速度约为4.2 m/s，进入阀腔后，由于过流面积急剧缩小至2.3×10-4m2，流体被瞬间加速，靠近楔形面附近流体的最高速度约为90.2 m/s，高速流体沿着阀芯楔形面延伸，流动方向与楔形面平行，直到受阀芯端部导流面导流作用才微弱改变方向，但整体运动趋势不变，流体速度矢量依然指向下游短节的外壁面方向，以约27.0 m/s的速度不断冲击短节管壁。加重钻井液将对阀芯及下游短节外壁面形成强烈的定向冲蚀磨损，这与现场实际的冲蚀磨损情况吻合。

2.2 冲蚀磨损规律

影响冲蚀磨损的因素众多，包括攻角、颗粒质量流量及速度等参数，固相粒度、形状系数等冲蚀材料性能及阀芯硬度、表面粗糙度等靶材性能3方面。但当节流阀在循环节流过程中，阀芯材质和结构固定，钻井液性能固定，最直接和最有效的控制手段为调节节流阀开度。结合速度与冲蚀速率呈指数关系可知，

图5 主流道及楔形节流阀速度云图

节流阀冲蚀磨损最主要的影响因素为节流阀开度。因此，需重点研究节流阀开度与冲蚀速率的关系。

楔形节流阀不同开度时阀芯冲蚀速率云图如图6所示。当开度较小时，阀芯冲蚀磨损比较集中，位于楔形面顶端中点及导流平面中点附近；随着开度增加，楔形面上的主要冲蚀磨损区域慢慢下移，且始终位于阀座顶面之下的部分；当阀芯开度位于10%～50%时，导流面上的冲蚀磨损区域分布较宽，而当阀芯开度位于60%～90%时，导流面上的冲蚀磨损区域又呈点状分布。当开度超过60%后，楔形面和导流面的冲蚀磨损区域逐渐融合到一起，当开度继续增加至100%时，整个阀芯都出现冲蚀磨损，磨损区域分布最广，冲蚀速率最小。

图6 楔形节流阀不同开度时阀芯冲蚀速率云图

楔形节流阀开度与阀芯最大冲蚀速率关系曲线如图7所示。从图7中可知，楔形节流阀阀芯最大冲蚀速率随开度减小而增加。开度为10%时，冲蚀速率最大，约为30 kg/(m2·s)；当阀芯开度小于23%时，冲蚀速率较大且随阀芯开度减小迅速递增，此开度区间钻井液造成的冲蚀磨损最严重；当阀芯开度大于23%时，冲蚀速率相对较小且与开度呈近似线性关系，斜率较小，最大冲蚀速率随开度增加的降幅较小。

图7 楔形节流阀开度与阀芯最大冲蚀速率关系曲线

冲蚀条件完全相同的情况下(密度2.0 kg/m3、时间2 h)，节流阀开度20%和开度50%时的阀芯冲蚀磨损如图8所示，前者冲蚀磨损程度明显大于后者，试验结果与仿真研究的冲蚀磨损规律较吻合。

图8 阀芯冲蚀磨损示意

3 结论

1) 节流阀开度小于40%时，节流压降和节流平均速度较大；开度大于60%时，节流压降和节流平均速度较小且与开度呈近似线性关系。推荐高压节流时开度小于40%，精细控压时开度大于60%。

2) 楔形节流阀最大冲蚀磨损位于阀芯楔形面顶部和轴向导流面中间区域，同时对下游短节内壁面外侧造成强烈冲蚀。该研究结果与现场实际磨损情况相吻合，推荐将普通短节更换为防刺短节，减缓冲蚀。

3) 节流阀开度小于23%时，冲蚀速率较大且随阀芯开度减小迅速递增；阀芯开度大于23%时，冲蚀速率非常小且与开度呈近似线性关系。为降低节流阀冲蚀磨损，推荐开度大于23%。