井控節(jié)流閥沖蝕機(jī)理及結(jié)構(gòu)優(yōu)化_張祥來

1、 3本文受到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (編號 :90210022 的資助 。 作者簡介 :張祥來 ,1964年生 , 高級工程師 , 博士研究生 ; 從事井控裝備研究及檢測工作 , 現(xiàn)為四川石油管理局安全環(huán)保質(zhì) 量監(jiān)督檢測研究院院長。 地址 :(618300 四川省廣漢市中山大道南二段。 電話 :(0838 5151196。 E 2mail :zxljkzj. cn井控節(jié)流閥沖蝕機(jī)理及結(jié)構(gòu)優(yōu)化3張祥來 1,2 劉清友 1(1. 西南石油大學(xué) 2. 四川石油管理局安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院 張祥來等 . 井控節(jié)流閥沖蝕機(jī)理及結(jié)構(gòu)優(yōu)化 . 天然氣工業(yè) ,2008,28(2 :83284. 摘 要 節(jié)流

2、閥是鉆井井控管匯中的關(guān)鍵設(shè)備 , 為此 , 采用現(xiàn)代分 析軟件 ANSYS 對井控裝置中的井控節(jié)流閥進(jìn)行了流場分析 , 定性地研究了楔形節(jié)流閥現(xiàn) 場使用中容易產(chǎn)生沖蝕的原因 。 ; 在閥心 上部仍采用楔形平面 , , 楔形面與平面間采用圓弧過渡 , 保證流 體出流方向不指向殼體 , 。 同時(shí) , 閥心上端部的直線段滿足了對壓降的線性調(diào)節(jié)要求 , 更適合現(xiàn)場使用 主題詞 流場分析 機(jī)理研究 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ANS YS 是目前世界上比較先進(jìn)的有限元通用 程序 , 它能對固體 、 結(jié)構(gòu) 、 結(jié)構(gòu) 流體系統(tǒng)作靜 、 動位 移和應(yīng)力分析 , 也能用來進(jìn)行線性和非線性分析 。 節(jié)流閥是鉆井井控管匯中的關(guān)鍵設(shè)備

3、 , 它是否 正常工作直接關(guān)系到壓井的成敗 。在流量一定的情 況下 , 通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度來控制節(jié)流閥兩端的 壓差 , 從而給井底一定的回壓來平衡井底地層壓力 , 防止井涌 、 井噴等事故的發(fā)生 。所以 , 井控節(jié)流閥在 安全生產(chǎn)中的作用至關(guān)重要 。由于井下壓力大 , 泥 漿沖蝕性強(qiáng) , 井控節(jié)流閥必須具備以下的一些特點(diǎn) 才能滿足安全生產(chǎn)的需要 。 (1 能在高壓下工作 , 并能對井底產(chǎn)生足夠大的 回壓 , 且不至于堵塞 。 (2 井控節(jié)流閥在調(diào)節(jié)過程中 , 對井底產(chǎn)生的回壓 與閥心的行程最好是線性關(guān)系 , 避免出現(xiàn)在某些行程壓 力變化不明顯 , 某些行程壓力又發(fā)生突變的情況。 (3 要能耐

4、沖蝕 , 流道分布要合理 , 避免泥漿直 接沖刷閥體 。一 、 節(jié)流閥力學(xué)分析 油氣田現(xiàn)場用井控節(jié)流閥最先采用的是錐形閥心 , 由于錐形閥心是一端固定一端自由的懸臂梁結(jié) 構(gòu) , 在高壓流體的沖擊下發(fā)生震動 , 容易發(fā)生疲勞破 壞而斷裂 , 不能滿足安全生產(chǎn)的要求 。在改用楔形閥心后 , 由于楔形閥心在工作中相當(dāng)于一種簡支梁 結(jié)構(gòu) , 工作更穩(wěn)定從而避免了斷裂現(xiàn)象的發(fā)生 。但 該閥在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中也出現(xiàn)了一些問題 , 其中主 要問題是泥漿通過節(jié)流口后向閥門的殼體沖去 , 對 殼體造成沖蝕 , 甚至出現(xiàn)沖穿殼體的情況 。這里用 ANS YS 軟件中對這種閥的流場進(jìn)行分析 。 1. 模型建立 在實(shí)際

5、工作中 , 泥漿在楔形節(jié)流閥中是三維非 定常流動 , 流體的運(yùn)動情況非常復(fù)雜 。但是定性了 解流體在節(jié)流閥中的流動趨勢不必完全模擬節(jié)流閥 內(nèi)復(fù)雜的三維流動 , 這里選取節(jié)流閥對稱面進(jìn)行流 場分析 , 簡化為平面流動即可達(dá)到目的 。節(jié)流閥的 網(wǎng)格劃分采用映射網(wǎng)格 , 在壁面等流體梯度大的地 方網(wǎng)格適當(dāng)劃密 , 以便得到較精確的解 。設(shè)定壁面 邊界條件在 x 、 y 兩個(gè)方向流體速度為零 , 入口流量 20L/s , 出口背壓 0M Pa , 流體密度為 1800kg/m 3, 動力黏度為 0. 02Pa s 。 2. 結(jié)果分析 計(jì)算結(jié)果收斂后 , 得流場分布的速度云圖和矢 量分布圖 (如圖 1

6、。從圖 1中可看到泥漿通過節(jié)流 口后形成的高速流體有一部分以很大的速度向殼體 沖去 , 由于泥漿中含有各種顆粒狀的物質(zhì) , 這些物質(zhì) 沖刷殼體對殼體產(chǎn)生切削作用 , 在高壓高流速的情 況下很快就會沖穿殼體壁 , 使得節(jié)流閥失效 。38 第 28卷第 2期 天 然 氣 工 業(yè) 鉆 井 工 程 圖 1 楔形節(jié)流閥流場分布速度云圖 (a 和矢量圖 (b 二 、 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 為了避免上述情況的發(fā)生 , 必須改變流道結(jié)構(gòu) 使得泥漿的流出方向得以改善 , 避免直接沖刷殼體 壁面的情況發(fā)生 節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)作如下改變 。 (1 YS 軟件 CFD 模塊 中作流場分析得到如圖 2所示的速度云圖和矢量分 布圖 。

7、 從圖 2中可以看到 , 楔形面形狀改變后 , 流體 在流動過程中由于受到弧面的約束 , 使得液體的出 流方向發(fā)生了明顯的改變 , 當(dāng)流體脫離閥心時(shí) , 流體 的流動方向是沿著節(jié)流閥末端表面的切線方向射 出 。 所以當(dāng)弧面末端的切線方向與殼體的中軸線平 行時(shí) , 高速流體的射出方向就不會沖向殼體 , 從而減 輕泥漿對殼體的沖蝕作用 。圖 2 弧形節(jié)流閥流場分布速度云圖 (a 和矢量圖 (b (2 在現(xiàn)場使用中要求節(jié)流閥對壓力的調(diào)節(jié)是線性的 , 由于節(jié)流閥閥心改為弧面后 , 在閥心移動過 程中節(jié)流口面積的變化不均勻 , 在有的行程段節(jié)流 閥產(chǎn)生的壓降變化不明顯 , 在有的行程段節(jié)流閥產(chǎn)生的壓降又

8、劇烈變化 , 這使得節(jié)流閥對壓力的線性 調(diào)節(jié)產(chǎn)生消極影響 。 為了既能實(shí)現(xiàn)線性調(diào)節(jié) , 又能改善流體出流方 向的目標(biāo) , 在閥心上部仍采用楔形平面 , 但在閥心末 端留一段平面使其平行于殼體的中軸線 , 楔形面與 平面間采用圓弧過渡 , 保證流體出流方向不指向殼 體 。 采用相同的邊界條件和參數(shù) ,ANS YS 分析的速 度云圖和矢量圖如圖 3。從圖 3可以看到 , 復(fù) , 。同 。圖 3 復(fù)合形節(jié)流閥流場分布速度云圖 (a 和矢量圖 (b 三 、 結(jié) 論 通過對節(jié)流閥的流場分析 , 找到了不同節(jié)流閥 結(jié)構(gòu)的流場分布規(guī)律和特點(diǎn) , 弄清了節(jié)流閥沖蝕失 效機(jī)理和改進(jìn)措施 。同時(shí) , 對兩種閥心結(jié)

9、構(gòu)節(jié)流閥 的流場分布和工作性能進(jìn)行了分析 , 為進(jìn)一步設(shè)計(jì) 出高性能的節(jié)流閥提供了理論依據(jù) 。參 考 文 獻(xiàn)1吳望一 . 流體力學(xué) M .北京 :北京大學(xué)出版社 ,1982. 2W HITE F M. Viscous fluid flow M .Mc GRAW 2HILL Book Company ,1974.3張祥來 . 固定節(jié)流閥特性研究 J.天然氣工業(yè) ,2007,27(5 :63265.(收稿日期 2007204220 編輯 鐘水清 48 鉆 井 工 程 天 然 氣 工 業(yè) 2008年 2月 N A TU RA L GA S I N DUS T R Y , vol. 28, no. 2

10、, 2008 Feburary 25, 2008zontal well.Add :Postgraduate College , Southwest Petroleum University , Xindu District , Chengdu , Sichuan Province 610500,P. R. China Mobile :+86213880960190 E 2m ail :yd110_2005163. comDIAGN OSTIC TECHN OLOG Y FOR D RILL ING ACCIDENTS BASED ON MU LTI 2AGENT SYSTEMGUO Jian

11、2ming (Pet roleum Engineering Instit ute of Xian Shiyou University . N A T U R. GA S I N D. v. 28, no. 2, pp. 79282, 2/25/2008. (ISSN 100020976; In ChineseABSTRACT :The currently 2used diagnostic methods and countermeasures can not solve so that various unpre 2 dictable accidents easily happen in th

12、e course of drilling. Even though in this study area technologies have been put forward such as numerical model method , expert system in based on obscurity , di 2 agnostic method based on logic and reasoning of probability , algorithm , diagnostic method based on grey theory and comprehensive diagn

13、ostic all those above 2mentioned methods were not practical in actual use because of their own and in various cases. Therefore , this paper put for 2 ward a diagnostic method for agent system to estimate the real time dynamic drilling parame 2 ters in the field , which treatment of drilling accident

14、s to be concrete , simple , automatic , and practical in use.SUB JECT HEADING S :engineering , extraordinary case diagnose , multi 2agent system , knowledge base , real time esti 2 mationGU O Jian 2ming (associate professor , born in 1960, holds an M. Sc. degree , being engaged in oil and gas well e

15、ngineering re 2 search and relevant teaching.Add :Petroleum Engineering Institute of Xi an Shiyou University , No. 18, East Sec. , Dianzi er Rd. , Xi an , Shaanxi Province 710065,P. R. ChinaT el :+86229288383081 E 2m ail :jmguo . cnER OSION MECHANISM OF WE LL CONTR OL THR OTT L E VAL VES AN

16、D ITS STRUCTURAL OPTIMIZA 2 TIONZHAN G Xiang 2lai 1,2, L IU Qing 2you 1(1Sout hwest Pet roleum University ; 2Pet roleum Industry Center for Quality Surveillance and Inspection of Well Cont rol Equip ment , CN PC Sichuan Petroleum . N A T U R. GA S I N D. v. 28, no. 2, pp. 83284, 2/25/2008. (ISSN 100

17、020976; In ChineseABSTRACT :Throttle valves are important equipment in the well 2control header , the normal operation of which a successf ul well killing will lie on. So , this paper analyzed the flow field of well 2control throttle valves through modern analytic software , ANSYS , and studied the

18、qualitative reason why erosion easily occurs while using wedge valves in the field. Then , this study optimized the structure of the current throttle valves , changing the plane of wedge valve into curve , with wedge surface re 2 mained on the upper of valve core , a little plane surface at the end

19、of valve core to parallel with medial axis of cage , and the sur 2 face between wedge surface and plane surface transited by arc. Results showed that the optimization promised the outflow di 2 rection would not point to cage and avoided the erosion of cage wall by flow. The linear portion of up valve core could meet the demand of linear modulation of pressure drop and was more applicable on field.SUB JECT HEADING S :drilling engineering , well 2control throttle valve , mechanism study , structure designZHANG Xiang 2lai (senior engineer , born in 1964, is studying for a Ph. D degree