安全鉆井鉆柱內防噴系統止回閥工作機理及失效分析

陳浩 王長江 吳震 裴延波 蘇瑩瑩

1.西南石油大學 2.中國石油天然氣管道局三公司 3.中國石油塔里木油田公司

安全鉆井鉆柱內防噴系統止回閥工作機理及失效分析

陳浩1王長江2吳震3裴延波1蘇瑩瑩1

1.西南石油大學 2.中國石油天然氣管道局三公司 3.中國石油塔里木油田公司

鉆柱內防噴系統止回閥以反應迅捷及可靠的封堵能力,在防井涌、井噴中起到舉足輕重的作用,是安全鉆井的重要保證。但止回閥在正常鉆井過程中處于常開啟狀態而長時間遭受高壓鉆井液的沖蝕,極易導致止回閥密封失效或過早報廢,存在安全隱患。針對其使用壽命短、耐蝕性差、水力特性不清楚、研究資料奇缺等亟需解決的關鍵問題,通過把流體力學影響因素與沖刷腐蝕磨損理論有機地結合起來,借助實驗建立磨礪性腐蝕介質——鉆井液的模型,利用CFD技術確定影響沖刷腐蝕磨損的流體力學參數,分析典型鉆柱止回閥的工作機理,實現止回閥結構的優化;并選擇性地對止回閥進行沖刷腐蝕磨損試驗,篩選出閥體、閥座材料及主要耐磨件的強化處理方法。通過井下工作情況模擬實驗與計算機仿真分析,找出井噴條件下鉆柱內防噴系統止回閥的失效機理,尋求流體力學參數、介質性質、材料因素等對止回閥性能的影響關系,繼而建立一種新的鉆柱止回閥設計方法或準則,以推進我國鉆柱止回閥研制的技術進步。

內防噴系統 鉆柱止回閥 流體動力學 沖刷腐蝕磨損 機理研究

0 引言

在內防噴系統中,止回閥實際上是一種單向閥,連接在鉆鋌與鉆桿之間。正常鉆井時,鉆井液通過閥隙向下流動進行循環;當井涌或井噴出現時,高壓液流將反向流動,推動閥芯件與基體接觸產生密封,防止情況惡化。止回閥以迅捷反應及良好的封堵能力,在防井涌、井噴中起到舉足輕重的作用,對安全鉆井起著重要的保證。但止回閥在正常鉆井過程中均處在常開啟狀態,長時間地遭受高壓鉆井液的沖刷和腐蝕,易造成止回閥密封失效甚至完全報廢,且在整個內防噴系統中,井底止回閥的工作條件最為惡劣。故而很有必要對止回閥的失效機理進行全面深入的研究、分析,以采取相應的措施提高止回閥性能,推進止回閥的總體水平上一個新臺階,體現其顯著的技術價值和經濟效益。

1 開展止回閥研究的必要性

1.1 研究的必要性

鉆井過程中,當遇到高壓地層時,如果沒有可靠的防噴系統就有可能發生井噴。無論是鉆柱外井噴,還是鉆柱內井噴,都存在引發災難性事故的潛在危險,有的后果相當慘重。目前,各種類型規格的防噴器已有能力將鉆柱外井涌及井噴控制住,但對于鉆柱內井噴問題,卻沒能得到有效解決。鉆柱內井噴時有發生,輕則憋壞水龍帶,污染井場;重則燒壞鉆機設備,破壞油氣資源,危及鉆井人員安全。2003年12月23日發生在重慶開縣的嚴重井噴事故,大量混有劇毒的天然氣外泄。法院在審判事故責任人時,認定的最嚴重的罪責就是“沒有使用內防噴工具”。由此可見,內防噴工具在確保鉆井工程安全運行中起到多么重要的作用。所謂鉆柱內防噴系統,就是預防及處理鉆柱內井噴的配套系列產品,主要由方鉆桿上、下旋塞閥,新型鉆桿回壓閥,投入式止回閥和鉆井液自動防噴閥等組成,有時也包含旁通閥。鉆井工程中,運用內防噴系統能可靠地解決鉆柱內井噴問題,同時也能有效改善鉆井工作環境和勞動條件,有利于實現文明生產和科學鉆井[1]。從收集到的國內外內防噴系統的研究和生產等方面的資料可以看出,國內在防噴器研究、制造、使用上,有幾個印象是相當深刻的[2]:

1)國內鉆柱內防噴系統所取得的成果不及環形防噴器顯著。從總體上看,國內在井控裝備研制中,特別是在環形空間防噴器研究中,有關設計研究單位與現場、工廠密切協作,有針對性地吸收國外產品的長處和優點,結合國情與制造能力,生產出滿足現場石油鉆井需要的各型防噴器。從資料調研看,迄今為止,國內從機理性研究來揭示內防噴工具失效本質的研究報告寥寥無幾,也基本上沒有確保內防噴工具安全性和可靠性的設計方法。

2)國內缺乏自主研制的內防噴工具。在內防噴工具中,方鉆桿上下旋塞閥的生產規模大于止回閥,沒有稱得上自主知識產權的產品。

3)從調研資料中看不出國內內防噴工具的發展方向和研究動態。目前,盡管我國有眾多生產廠家能生產內防噴系統中的各型閥,基本上滿足了生產需要。但從現場使用看,國產內防噴工具普遍存在產品可靠性差,壽命低等問題。

4)鉆柱止回閥的機理研究和使用等方面的問題尚未解決,有關生產方面的資料也比較缺乏。

由此可見,迄今為止,國內對鉆柱止回閥的重視程度還不夠。

1.2 沖刷腐蝕機理及CFD技術應用

實踐證明,在井噴工況條件下,高壓液流(70 M Pa或更高)轉化為高速液流(100 m/s以上)通過鉆柱止回閥閥體與閥座間的環隙,對閥體及閥座均有很強的沖蝕。鉆井液是具有腐蝕作用的介質,且含有磨礪性固體顆粒,這種介質對止回閥的流道、閥體和閥座將造成嚴重傷害,可以說,內防噴系統止回閥的可靠性和壽命在很大程度上取決于它耐鉆井液沖刷腐蝕磨損的能力。沖刷腐蝕是一個很復雜的過程,影響因素眾多,主要包括材料(冶金)、環境和流體力學3個方面[3]。過去人們常通過失重實驗以及各種流動條件下的電化學測量技術對前兩個因素的影響做較為深入的分析,并開展了沖刷和腐蝕交互作用的研究,以期揭示沖刷腐蝕的本質[4-6]。相比之下,流體力學因素影響規律的研究尚未成熟。因此,無論是對沖刷腐蝕實驗結果的預測,還是對沖刷腐蝕機理的深入闡述都受到限制。以往,閥的性能常常需要通過模擬實際工況的試驗,或者通過使用才能做出評價,要花費很高的人力和財力成本。近年來,由于CFD技術的廣泛使用[7-9],可以方便地把流體力學理論和沖刷腐蝕磨損理論結合起來,開展更深入的機理性研究和產品開發。

2 止回閥工作機理的研究

2.1 研究內容

開展該項研究的主要目標是將理論研究、計算機仿真研究和模擬工況的試驗研究有機地融為一體,應用多學科最新、最成熟的理論和技術,評價現有的幾種內防噴系統止回閥性能,通過模擬和數值分析進一步優化閥的結構,改善閥的性能,初步建立起止回閥設計的一種新方法,并在機理研究上有所建樹。研究工作主要包括以下內容:

1)全面分析國產止回閥失效原因,尋求失效的控制機理。深入現場調研,收集止回閥失效現象、事故發生工況條件和失效殘件,利用掃描電子顯微鏡、金相顯微鏡、腐蝕分析設備,解剖和分析失效殘件,尋求鉆柱止回閥的失效原因與失效控制機理,為延長止回閥壽命和研究工作的正確模擬提供依據。

2)開展鉆井液性質的實驗分析,對影響沖刷腐蝕磨損的參數進行數值模擬。鉆井液是含有磨礪性固體顆粒的腐蝕介質,顆粒對液—固兩相沖刷腐蝕有很大的影響。一般來說,顆粒硬度越高、顆粒半徑越大,沖刷腐蝕越嚴重;顆粒濃度越大,沖刷腐蝕速率的絕對值越大。另外,多角顆粒往往比球形顆粒造成更大的沖刷腐蝕。同時,在液—固兩相流中因顆粒多角引起的表面膜損傷會進一步造成材料的電化學損傷。因此,必須通過一定試驗,測定鉆井液中顆粒硬度、尺寸均適用于沖刷腐蝕磨損的鉆井液模型。

3)用Pro/E軟件建立典型止回閥的三維模型,調入Phoenies CFD軟件進行流場分析。在鉆柱止回閥中,具有很大的橫向壓力梯度和強度的二次流,流動呈現出很強的三維性。因此,必須生成符合實際流動情況的三維結構模型。故而采用Pro/E軟件建立幾種典型止回閥的三維模型,然后轉入Phoenies CFD軟件中建立CFD計算流體動力學模型。通過CFD計算,對幾種典型止回閥進行分析,并得出與沖刷腐蝕磨損有關的參數,如速度、沖刷角度等。典型止回閥結構如圖1所示。

4)進行止回閥工作行為的計算機仿真研究,優化止回閥結構。將CFD計算獲得的相關參數引入沖刷腐蝕磨損公式中,并對公式進行相應處理。對幾種典型的鉆柱止回閥進行計算機仿真研究,評比出相對的最優結構止回閥。繼而對這種止回閥進行結構優化設計,再進行計算機仿真實驗,尋求流體力學參數、介質性質、材料因素對止回閥性能的影響關系。

圖1 典型止回閥結構圖

5)選擇性地進行沖刷磨損試驗,篩選出止回閥閥體、閥座材料。目前,計算沖刷腐蝕磨損的公式中,代表材料性質的參數有硬度、沖擊韌性、塑性流動應力等。根據現有研究成果來看,這些參數還不能完全反映材料的耐磨性能,例如在沖刷腐蝕磨損中,材料的耐腐蝕性是第一位的。因此,必須進行模擬實際工況的沖刷腐蝕磨損試驗,以便獲得耐磨性優良的閥體、閥座材料和相應的強化處理方法。

6)形成理論研究成果。在理論研究、試驗研究和仿真研究的基礎上,獲得基于井噴條件下的鉆柱內防噴系統止回閥的工作機理及失效機理,確定流體力學參數、介質性質、材料因素等對止回閥性能的影響關系,最終建立一種新的鉆柱止回閥設計方法或準則。

2.2 技術路線

止回閥工作機理研究路線如圖2所示。

圖2 止回閥研究工作機理路線圖

2.3 擬解決的關鍵問題

1)對影響沖刷腐蝕磨損的鉆井液參數進行數值模擬、綜合評定,并最終選型。

2)對基于井噴條件下的止回閥內復雜流態進行數值模擬,正確確定對沖刷腐蝕磨損影響的流體因素。

3)建立基于井噴工況條件下,模擬井底實際情況的止回閥工作行為仿真軟件,利用仿真試驗技術進一步對止回閥進行優化設計。正確選定沖刷腐蝕磨損公式及公式的處理是本研究內容的關鍵。

4)模擬井底工況條件,進行沖刷腐蝕磨損試驗,正確選出止回閥閥體、閥座材料及相應的強化處理方法。

5)獲得基于井噴條件下的鉆柱內防噴系統止回閥的失效機理,確定流體力學參數、介質性質、材料因素對止回閥性能的影響關系。

3 結論與認識

1)建立起與沖刷腐蝕磨損有關的鉆井液模型,為止回閥的沖刷腐蝕磨損研究提供參考。

2)對現有的典型結構鉆柱止回閥的流體力學性能和耐沖刷腐蝕磨損性能有全新的了解,為開發新型鉆柱止回閥提供借鑒。

3)評價現有沖刷腐蝕磨損公式,選擇出適用于井噴工況條件下的、符合止回閥結構特點的磨損公式,為井下工具的沖刷腐蝕磨損研究提供理論依據。

4)通過模擬實際工況的沖刷腐蝕磨損試驗,總結出止回閥材料與強化處理方法的耐磨特點,以方便止回閥閥體、閥座的材料選擇及強化方法的確定。

5)開發出基于井噴工況條件、應用計算流體動力學(CFD)技術和沖刷腐蝕磨損理論的計算機仿真軟件,從而經濟、有效地改善止回閥流體力學性能及耐沖刷腐蝕磨損性能。

6)形成一套對止回閥流體力學性能設計及耐沖刷腐蝕磨損性能設計有指導意義的理論、方法和準則,為進一步研究現有鉆柱止回閥及開發新型鉆柱止回閥提供理論參考。

[1]張建諾.鉆柱內防噴系統[J].石油機械,1990,18(3):1-3.

[2]陳浩,宋周成,王曉萍,等.鉆柱內防噴系統研究方向探討[J].石油機械,2007,35(7):66-68.

[3]代真.流體力學因素對液固兩相流沖刷腐蝕的影響[J].石油化工設備,2006,35(6):20-23.

[4]鄭玉貴,姚治銘,柯偉,等.流體力學因素對沖刷腐蝕的影響機制[J].腐蝕科學與防護技術,2000,12(1):36-40.

[5]董剛,張九淵.固體粒子沖蝕磨損研究進展[J].材料科學與工程學報,2003,21(2):307-309.

[6]CHEN J,RUDEEN D K.App lication of a coupled solid/ fluids mixture theo ry:p rocess of squeezing a sponge[J]. Journal of Elasticity,1996:139-152.

[7]鐘英杰,都晉燕,張雪梅.CFD技術及在現代工業中的應用[J].浙江工業大學學報,2003,31(6):286-289.

[8]曹瑋.CFD技術在油田中的應用[J].油氣田地面工程, 2008,27(7):81-82.

[9]COLENBRANDER G W.CFD in research for the petrochemical industry[J].App lied Scientific Research,1991: 211-245.

Workingmechanism and failure analysis of check valves of BOP(blowout preventer)system in drilling string for safe drilling

Chen Hao1,Wang Changjiang2,Wu Zhen3,Pei Yanbo1,Su Yingying1
(1.School of M echanical and Electrical Engineering,Southw est Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China;2.N o.3 Group of China Petroleum Pipeline Bureau,CN PC,L angfang,Hebei 065000, China;3.Tarim Oilfield Com pany,PetroChina,U rumqi,Xinjiang 830000,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 6,pp.69-72,6/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The check valve of the BOP system in drilling string is sensitive and w ith reliable sealing capacity,w hich p lays such a significant role in avoiding well kickso r blowouts that it can be regarded as an impo rtant guarantee in safe drilling.However,during the normal drilling p rocess,the check valve usually stays in an open state;thus,it keeps suffering scouring by the drilling fluid w ith high p ressure,so the check valve is inclined to be p rematurely unserviceable or w ith sealing failure;thus causing hidden dangers in safe p roduction.In view of themajor p roblemson the check valve such as short service life,poor co rrosion resistance,uncertain hydraulic characteristics,and a critical shortageof researchmaterials,this papermakes an in-dep th investigation into the wo rking p rincip les and failure analysis of a check valve.First,an experimental analysiswasmade on the p roperties of drilling fluid and a numerical simulation was performed on the parameters of influencing the erosive-corrosive wear,thus,in combination w ith the influencing factors of fluid dynamics and the theo ry of erosive-co rrosive wear,themodelson drilling fluid were built.Second,3D modelsof several typical check valves were set up by the Pro/E software and hydrodynamic parameters were determined by the CFD calculation, thus,the wo rking p rinciplesof typical check valveswere analyzed and the structuresof check valveswere optimized.Third,the erosive-corrosive wear tests were conducted selectively to pick out good materials fo r valve body and seat and obtain p roper strengthening methods of main wear-resistant parts.Finally,sim ulation experiment and computer simulation analysis of dow nhole operation were made to obtain the failuremechanism of a check valve under well blowout and exp lo re the relationship between the performance of a check valve and these factors such as hydrodynamic parameters,p ropertiesof drilling fluid,materials and so on.It is concluded that a set of theo ries,methods and criteria has been achieved for the design of check valves of BOP system in the drilling string, w hich p romo tes the domestic technical p rogress in this field.

inner BOP system,check valve in drilling string,fluid dynamics,erosion-co rrosive wear,mechanism study

石油天然氣裝備教育部重點實驗室·西南石油大學項目“基于井噴工況條件下的鉆柱內防噴系統止回閥工作機理研究”(編號:2007XJZ102)。

陳浩,1963年生,副教授,碩士;1991年畢業于原西南石油學院機械工程專業;現從事教學與科研工作,研究方向為現代設計理論及井下工具。地址:(610500)四川省成都市新都區西南石油大學機電工程學院。電話:13668181066。E-mail:ch91668@163.com

陳浩等.安全鉆井鉆柱內防噴系統止回閥工作機理及失效分析.天然氣工業,2010,30(6):69-72.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.019

2010-01-04 編輯 鐘水清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.019

Chen Hao,associate p rofesso r,was born in 1963.He graduated in mechanical engineering from Southwest Petroleum Institute in 1991.He has been engaged in teaching and research of themodern design theo ries and dow nhole tools.

Add:No.18,Xindu Avenue,Xindu District,Chengdu,Sichuan 610500,P.R.China

Mobile:+86-13668181066E-mail:ch91668@163.com