川渝地區“三高”氣井節流管匯閥門與井控工藝適應性分析

摘要：隨著近年來勘探開發的深入，超深井、高壓井、超高溫井的增加，當實施井控工藝時，節流管匯閥門及通道頻繁遭遇沖蝕損壞的難題，嚴重影響了壓井施工的順利進行，并給井控設備造成重大損失。為確保鉆井施工過程中的井控安全，針對節流管匯閥門開展研究，對各類閥門與井控工藝適應性進行了探討，形成一套符合“三高”氣井井控工藝的節流管匯閥門配套要求，以達到提升節流管匯整體使用的抗沖蝕能力、可靠性和與井控工藝的符合性。

關鍵詞：“三高”氣井;管匯閥門;抗沖蝕;適應性分析

一、前言

川渝地區是天然氣勘探和開發的重要資源地，是天然氣業務發展的重點和核心。四川盆地油氣資源相當豐富，勘探開發的主力區域和層位有川西海相的雷口坡、茅口組，川東北海相的嘉陵江組、長興組、飛仙關組、燈影組、茅口組，威榮和焦石壩頁巖氣的龍馬溪組、筇竹寺等。川渝地區海相儲層屬于典型的高產、高壓、高含硫的“三高”地區。

節流管匯是現代井控工藝必備的井控裝備之一。目前常用節流管匯設計雖然已達到了井控工藝的基本要求，但在實際使用中，由于設備的加工工藝、閥門的設計結構等原因，節流管匯仍存在節流閥閥芯易脫落、平板閥帶壓開啟力矩過大、節流閥下游沖蝕等井控安全問題。平板閥是一種截止閥，如用來節流控制壓力，將閥板處于半開半關的工況下，井內帶砂石的流體，一部分可從外接管線處放走，一部分會作用在閥板和閥體上，沖壞閥板、沖刷到閥體上的流體就會將殼體刺薄甚至刺穿孔。因此，為符合“三高”氣井井控工藝的節流管匯閥門配套要求，有必要重新審視現用閥門的安全性及適用性。

二、管匯閥門組成及結構特點

節流管匯閥門主要由平板閥和節流閥組成，為此對常用的幾種結構形式的平板閥和節流閥進行結構特點分析，為優選與井控工藝相適應的閥門提供理論基礎。

（一）平板閥組成及結構特點

平板閥按驅動形式可分為液動平板閥、手動平板閥和手液一體式平板閥;按閥桿驅動螺紋和螺母是否與流體接觸可分為明桿式平板閥和暗桿式平板閥;按閥板密封形式可分為前座密封式平板閥和后座密封式平板閥。根據“三高”氣井井控現用管匯統計來看，主要以手動前座密封式明桿平板閥和手動后座密封式暗桿平板閥為主。

（二）節流閥組成及結構特點

節流閥按驅動形式可分為液動節流閥、手動節流閥;按閥芯的節流形狀可分為針形節流閥、孔板式節流閥、楔形節流閥和新型筒形（PCV）節流閥。由于針型節流閥在高壓多相流的作用下極易斷裂，因此在目前井控管匯上使用的主要是孔板式節流閥、楔形節流閥和新型筒形（PCV）節流閥。

三、管匯閥門與井控工藝適應性分析

在井控工藝中，通過開關平板閥進行導流和截流，并通過調節節流閥的開度來控制節流閥上游壓力，從而在井口施加一定套壓來平衡井底地層壓力，有效地排出溢流，恢復和重建井筒壓力平衡。若不能快速開啟平板閥進行泄壓，可能會導致套壓過高，造成井控事故復雜化;同時在平板閥不能迅速打開的情況下也會對平板閥造成沖蝕。由于節流壓差大，混氣鉆井液沖蝕性強，常會造成節流管匯沖蝕磨損，甚至造成管匯刺穿、天然氣泄漏等井控安全事故。筆者從不同結構形式手動平板閥帶壓開關力矩、不同結構形式的節流閥抗沖蝕能力開展研究分析，優選出與井控工藝適應性更強的閥門。

（一）手動平板閥開關力矩分析

手動平板閥開關力矩的大小是表征閥門開關靈活程度的一個關鍵指標。對使用的明桿式平板閥和暗桿式平板閥進行帶壓力矩測試，并進行對比分。分析表明目前重型節流管匯上暗桿式平板閥開關力矩低于明桿式平板閥開關力矩。

（二）節流閥抗沖蝕能力分析

節流管匯在壓井過程中失效的主要原因是由于鉆井液和天然氣組成的氣液混合物高速通過節流管匯時，對節流閥閥腔和下游管匯內壁造成了磨損。磨損可以歸納為3種形式：氣蝕磨損、沖蝕磨損和氣蝕與沖蝕的復合磨損。經過現場長期的試驗觀察，當流體速度高于臨界速度時沖蝕是高速流體作用于金屬固體表面的普遍現象;當流速高于20～30m/s時，主要發生氣蝕破壞;當速度高于30m/s時，發生氣蝕與沖蝕的復合磨損，當在井內流體壓力、溫度、氣液混量等相同的情況下，節流閥及下游管匯受磨損程度主要取決與節流閥的材質及結構形式。

孔板式節流閥采用了直線型流量特性，即閥的相對開度與相對流量成直線關系。研究表明：當閥進、出口端壓力分布均勻，未出現壓力的波動，但由于閥座處具有節流作用，存在壓力差，故出現了壓力的波動，在閥座處流速較大，并在閥后出現了射流，產生了一定程度的沖刷。

楔形節流閥依據伯努利方程模型，并運用DDPM模型開展了CFD仿真研究。研究表明：節流閥開度大于23%時，沖蝕速率非常小且與開度呈近似線性關系;閥芯開度小于20%時，沖蝕速率較大且隨閥芯開度減小迅速遞增。楔形節流閥最大沖蝕磨損位于閥芯楔形面頂部和軸向導流面中間區域，同時對下游短節內壁面單側造成強烈沖蝕，因此需要將普通短節更換為防刺短節，減緩沖蝕。

新型筒形（PCV）節流閥流量特性基本分為兩部分，一部分是開度為30%以下，在這個區域，節流閥以壓力線性調節為主，使節流閥上游壓力得到有效控制;另一部分是開度為30%～70%區域，節流閥主要以流量線性調節為主，在線性調節的基礎上流體盡可能大流量通過節流閥。在節流面處，流速環形對稱，流體流過節流面后，徑向沖擊得以相互抵消，且沿下游軸向流動，無側向沖蝕。

（三）與井控工藝適應性分析

新型筒形（PCV）節流閥在試驗過程中操作較靈活，圓柱形閥芯大端部抗沖擊能力強，消除了振動斷裂的風險;圓柱形結構對流體有很好的引導作用，明顯降低了對下游的沖蝕，同時下游管道內采用了抗沖蝕合金套，優化了射入角，大大提高了耐沖蝕效果;Cv值為線性，節流可控性好。試驗過程中壓力波動較大，是由于大顆粒物質在過流面很小的情況下通過時造成壓力波動較大。在壓井施工過程，最大允許關井套壓都不能超過井口裝置的額定工作壓力、套管抗內壓強度的80%和薄弱地層破裂壓力所允許關井套壓三者中的最小值。且壓力控制也不宜過低，過低會造成壓力失衡，井筒將再次受油氣侵。PCV節流閥開度在有效區間（30%到70%之間）內，Cv值為線性，節流可控性好，與井控技術與井控工藝的要求相符合。

孔板節流閥耐沖蝕性差;閥座與閥芯之間無法實現全密封，存在空隙，流體經過會產生沖蝕和震動;控壓效果差，且壓力波動大。該種孔板節流閥在實際使用過程中不符合井控技術和工藝的要求

四、結論

通過對兩種形式的平板閥進行力矩試驗和結構形式分析，本文中提到的這種手動后座密封式暗桿平板閥更符合井控工藝的要求。通過對三種形式的節流閥進行流場理論分析和動態模擬試驗，本文中提到的新型筒形（PCV）節流閥更符合井控工藝的要求。

參考文獻

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作者簡介

方曉慶（1983.06-），男，漢族，安徽黃山人，本科，工程師，主要研究方向：井控裝置及井控工藝等。