氮气钻井多功能四通防冲蚀结构改进.pdf

2 0 1 4年第 4 2卷第 4期 石 油机械 CHI NA P E TROL EUM MACHI NERY 钻 井技术与装备 氮气 钻 井多功 能 四通 防冲蚀 结构 改进 何 江华 刘绘 新 艾志久 汪 爽 西 南石油 大学石 油天然气装备教 育部 重点 实验 室 珠 摘要 针对氮气钻井 中高速携岩气固两相流对 井口多功能四通旁通流域造成的严重冲蚀破坏， 运用 F l u e n t 软件模拟 四通流体域在测试、放喷工况下 携带岩屑气 固两相流 的冲蚀情况。基于 仿真分析结果 ，对氮气钻井井 口装置中损伤最为严重的四通旁通管路进行防冲蚀结构改进。改进 后的防冲蚀结构在旁通管路增加 了法兰短节和 内嵌 的硬质合金套 ，并在 四通旁通入 口段采用堆焊 6 2 5镍基合金替代 了原来 N i 4 5合金材料，有效地保护 四通 的旁通 段。基于仿真结果 中气体速度和 湍流动能分布规律优选 出法兰短节长度为 6 0 0 ton i ，避免 了下游平板 阀因靠近 四通旁通段流域的易 冲蚀 区域而造成的冲蚀破坏，提高了井口装置的整体安全性，延长 了其使用寿命。 关键词 氮气钻井；气固两相流；多功能 四通；冲蚀损伤 ；结构改进 中图分类 号 T E 9 3 1 文献标 识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 0 3 S t r u c t ur a l I mpr o v e m e n t o f M ui t i f u nc t i o n a l Fo ur - wa y Er o s i o n Pr e v e nt i o n i n Ni t r o g e n Dr i l l i n g H e J i a n g h u a L i u Hu i x i n A i Z h i j i u Wa n g S h u a n g MO E K e y L a b o r a t o r y o f P e t r o l e u m a n d N a t u r a l G a s E q u i p me n t ， S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y Abs t r a c t Hi g h s pe e d c u t t i n g c a r r y i n g g a s s o l i d mu l t i p ha s e flo w i n n i t r o g e n g a s d r i l l i n g c a u s e s s e v e r e e r o s i o n d a ina g e i n t h e we l l h e a d mu hi f u ne t i o na 1 f o u r wa y b y pa s s b a s i n ．T he r e for e，t h e F l ue n t s o f t wa r e wa s u s e d t o s i mu l a t e t h e e r o s i o n o f f o u r w a y fl u i d d o ma i n i n t e s t i n g a n d b o o s t i n g c o n d i t i o n s i ． e ． c u t t i n g c a r r y i n g g a s s o l i d mu l t i p h a s e fl o w． O n t h e b a s i s o f t h e s i mu l a t i o n r e s u l t a n a l y s i s ，t h e e r o s i o n p r e v e n t i n g i mp r o v e d s t r u c t u r e f o r t h e mo s t s e v e r e 。 l y d a ma g e d f o u r w a y b y p a s s p i p e l i n e o n w e l l h e a d for n i t r o g e n d r i l l i n g wa s f o r mu l a t e d ． T h e n e w s t ruc t u r e a d d s fl a n g e p u p j o i n t a n d e mb e d d e d c e m e n t e d c a r b i d e s l e e v e ． T h e s u rf a c i n g ／ o v e r l a y i n g o f 6 2 5 n i c k e l b a s e a l l o y i s a d o p t e d t o r e p l a c e t he o r i g i n a l Ni 45 a l l o y ma t e r i a l a t t h e f o u r wa y b y pa s s i n l e t s e c t i o n，wh i c h c a n e f f e c t i v e l y p r o t e c t t he b y p a s s s e c t i o n o f f o u r wa y ． 0n t h e b a s i s o f t h e d i s t r i b u t i o n l a ws o f g a s v e l o c i t y a nd t u r bu l e n c e k i n e t i c e n e r g y i n t h e s i mul a t i o n r e s u l t ， t h e o p t i ma l l e n g t h o f fl a n g e j o i n t w a s f o r m u l a t e d ． A s a r e s u l t ， t h e e r o s i o n d a m a g e o f t h e l o w e r fl a t v a l v e whi c h i s n e a r t h e e r o d i b l e z o n e o f f o u r wa y b y p a s s b a s i n i s a v o i de d． Th e o v e r a l l s a lt y o f we l l h e a d i s i mp r o v e d a n d t h e s e r v i c e l i f e i s l e n g t h e n e d ． Ke y wo r d s ni t r o g e n d r i l l i n g； g a s s o l i d mu l t i p h a s e flo w； mu hi f un c t i o na l f o ur wa y； e r o s i o n d a ma g e； s t ru e t 1 】 r a 1 n l o d i fi c a t i o n 0 一 口 目前 ，气体钻井技术特别是氮气钻井技术相继 在国内各油田得到了应用和研究。氮气钻井的优点 包括 提高机械钻速 ，最大限度地保护和发现油气 层 ，减少和避免井漏 ，钻遇油气层段时，能避免井 下燃爆事故 的发生等 - 4 1 。某油 田在氮气钻井技术 基金项 目中国石油 2 0 1 1年塔里木油 田分公司重点项 目 “ 工艺安全与钻完井T程基础研究” 之子课题“ 井 口装置 ” T L MY T一 2 0 1 1 GC一0 0 7 石 油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 4期 巾采J _ f { 钻完l片一体化井 口装置，其 中多功能四通是 钻完外一体化井 口装置中的重要部件。多功能四通 I大 l 受到高速气同两相流体的长时间冲击 ，局部易发 生严重的 冲蚀损伤 ，严重影 响氮气钻井作 业 的安 全 此 ，研究多功能四通在气 固两相流工况下的 冲蚀破坏规律对防冲蚀结构的改进具有重大意义。 l 井 口装置现场应用及冲蚀损伤检测 1 ． 1 井口装置使用情况 粜井 氮气钻井作业完成后 ，对井 口装置关键 部件进行损伤检测 ，发现多功能四通左 、右旁通管 段及旁通 F游的平板 阀受到的冲蚀损伤异常严重 ， 四通右侧旁通及下游平板阀的损伤情况比左侧更严 重。多功能四通左 、右旁通的使用情况见表 1 。 表 1 钻井作业 中四通左 、右 旁通 的使用情 况 ra i n Ta 1 l e 1 S e r v i c e c o n di t i o n o f l e f t a n d r i g ht f o u r wa y b y p a s s e s i n dr i l l i ng mi n 1 ． 2 多功 能 四通 的损伤 检测 结 果 现场 使用 的多 功 能 四通 本 体 旁 通 内壁 敷 焊 N i 6 0合金 ，硬度 5 5 H R C，厚度 l B I T I 。通过对 井 u装置冲蚀损伤情况 的观测及冲蚀缺陷的超声波定 量探测分析，多功能四通 的破坏部位和损伤情况如 下①旁通入 口相贯线处 ，合金层被冲蚀脱落 ，并 f f I 现轴 向裂纹 ；②四通本体右侧旁通整个内通径表 面都有明 的冲蚀凹痕 ，表面喷焊的耐磨合金约剩 余 ，f ⋯ j 断面为不规则圆 ，最大尺寸 8 4 ． 0 mm 设计尺寸 7 8 ． 5 mm ，单边最大冲蚀量 3 m m。 1 ． 3 四通旁通下游平板阀的损伤检测 【J u 通右侧旁通下 游 3号手动平 板阀的损伤 情 况 入 【 f 处住圆周上约 圆弧面受到明显冲蚀 ，轴 向K度最 K 1 8 m i l l ，直径最大 8 2 ． 5 m m 设计尺寸 o 7 8 ． 3 n m 1 。 从检测结果可以看出，多功能四通的两侧旁通 通径内与下游平板阀的冲蚀损伤异常严重 ，对钻完 井一体化井 口装置的使用安全有很大影响。 2 仿真分析 氮气钻井的测 试、放喷T况下 ，模拟高速高 携岩天然气在 四通旁通流域的分布规律和流动特 性，以研究气固两相流对四通旁通通道的冲蚀规律。 2 ． 1 四通流体域的计算模型 为研究旁通后流场的变化趋势以及对下游的冲 蚀情况 ，在原 四通旁通 出 口增 加流体 域长度 7 0 0 m m；其 中旁通与下游手 动平板 阀为法兰盘 连接 ， 冈此盘根处流域有环向局部突变 。由于流体域不规 则且有突变 ，所以采用非均匀结构网格技术 ，在流 体突变面域进行网格细化 ，壁面设置边界层 ，流体 域网格模型如图 1 所示 。 图 1 四 通 流 体 域 网格 模 型 Fi g ．1 Me s h mo de l o f f o u r wa y fl ui d d o ma i n 2 ． 2边界 条 件 1 入 口边界 入 口天然气 的放 喷量 流量 为 1 ． 01 0 m ／ d ，天然气质量流量为 8 ． 3 k g ／ s ，标况 下 C H 密度 为 0 ． 7 1 7 g ／ L 。 2 出 口边 界 两 JL _“口边 界 采用 压力 出 口， 现场出口压力为 1 ． 0 MP a 。 3 壁面边界 采用光滑 、无滑移壁面边界 ； 岩屑与壁面发生碰撞时 ，岩屑动量的变化量由壁面 的弹性 恢 复 系 数确 定 ，弹性 恢 复 系数 可 由文献 [ 5 ]中的公式计算得到。 4 离散相边 界条件 将 岩屑颗粒近似为球 形 ，粒径定为 1 F il m 黄小兵等 ‘ 采用筛分法岩屑 样本粒径分布进行统计分析 ，得出颗粒粒径大小在 0 ． 3 0～2 ． 3 6 mm之 间，平均粒径 1 ． 0 5 m m ，岩屑 同体密度为 2 6 5 0 k g ／ m ，质量流量为 1 k g ／ s ，入 口初始速度 3 0 m ／ s ，采用面均匀方式 ，统一从 流 体域 人 口边 界 注 入 ，并 开 启 岩屑 的 随机 游 走模 型 一 。 2 ． 3 仿真计算结果和冲蚀规律分析 四通流体域的冲蚀计算结果如图 2所示。从图 中可以看出，冲蚀损伤位置分布不均 ，其中最为严 重的部位包括 ①旁通入 口相贯线部位 ，即旁通入 口上倒角处 ，是受岩屑颗粒 高入 射角 6 0 。～ 9 0 。 直接碰撞的位置；②旁通上壁面成带状靠近旁通出 2 0 l 4年 第 4 2卷 第 4期 何江华等 氮气钻 井多功能 四通 防冲蚀 结构改进 口的位置，此区域受岩屑颗粒低人射角 1 5 。 ～ 6 0 。 的直接作用 ，且 该区域的冲蚀损伤最为严重，存在 ■1 ． 41 ” c ” 1 1 q 36c { I ． 7． 81 1 e ● l L一一 ⋯ ．． 蒜 璃 嚣6 2 4 ⋯■ - 一一 一 “ 17 7 9 5e 局部最大 冲蚀损伤 旁通 出 口上壁 面法兰盘根附 近 ，最大冲蚀速率为 1 ． 3 81 0 k g ／ n l s 。 3 I 气 体流速 b ． 湍 流动 能 位 k g ／ m s t2 ． 壁 面冲 蚀损 伤 图 2 多功 能 四 通 内气 体 流 速 、湍 流 动 能 及 壁 面 冲蚀 云 图 Fi g ． 2 Ga s v e l o c i t y，t u r b ul e n c e k i ne t i c en e r g y “a nd wa l l s u r f a c e e r o s i o n i n muhi t hn c t i o n a l fimr wa y 从图2 a 可以看出，由于气体进入旁通流域时 平板阀的使用安全性，延长其使 寿命。 的突变 ，气 流速度在 旁通 入 口处 达到 最大值 1 5 6 3 ． 1 旁通管路的防冲蚀改进结构 m ／ s ，之后旁通道上端分 布的流体速度高于下部 并 改进后的防冲蚀结构在旁通管路增加了法兰短 向下端逐步扩散 ，流域 内中心高速气流沿轴向有一 节和内嵌硬质合金套的新结构 ，同时在旁通人 口段 定 的波动 ，随着旁通流域的延长，径 向波动逐渐减 采用堆焊 6 2 5镍基合金替代了原来 的 N i 4 5合金材 小 ，并趋于稳定。 料 。 从图2 b 可以看出，作用在旁通人口和旁通道 3 ． 2 法兰短节 上壁面的岩屑颗粒数量大且集中，此 区域是长时间 遭受岩屑颗粒高频次和高强度激烈碰撞的部位 。因 此 ，在旁通流域内湍流动能最大的区域是冲蚀破坏 最 为严重 的位 置 。 对比仿真计算结果与现场的损伤检测情况可以 发现 ，仿真计算得到的 2个最易冲蚀损伤 区域与检 测结果巾这 2个区域分布基本一致 ，且最大冲蚀损 伤位置也吻合 ；旁通段流域的分布规律能够较好地 解释对下游平板阀靠近旁通出 口而造成的严重 冲蚀 破坏。因此 ，陔仿真计算结果能够反映四通旁通管 路 的实际冲蚀损伤情况 ，可用于气固两相流的冲蚀 规律研究和防冲蚀结构改进 。 3 防冲蚀结构优 化配置 考虑改进多功能四通旁通管路的结构，以减轻 测试和放喷丁况下气固两相流对 四通旁通段及下游 平板阀造成 的损伤 ，提高气体钻完井一体化井 口装 置的使用安全性 。作为优化和改进后的防冲蚀结构， 应解决 2个问题 ①减轻或避免 四通旁通段 内壁面 的冲蚀破坏 ，包括旁通入 口处及旁通 l叶 J 口上壁面最 大损伤的区域 ；②减轻下游平板阀入 口的法兰盘根、 人 口流道内壁面及阀板所受到的冲蚀损 伤，以提高 基于四通旁通流域的冲蚀规律分析 ，在旁通出 口和下游平板阀中间安装一定长度的法兰短节 ，可 以延缓旁通通道 内的不稳定气同两相流 ，使两相流 体作用于下游平板 阀前 ，速度在轴向和径 向2个方 向分布趋于稳定 ，可使下游平板阀避开旁通管路中 湍流动能较大和冲蚀损伤严重的区域 。法兰短节的 长度应最大程度地保护下游平板阀入 口和阀体不被 冲蚀破坏。下面是 在放喷量 1 0 0万 m ／ d工况下 ， 优选的法兰短节的长度。 在延长旁通段流域 7 0 0 n l I l l 后 ，研究计算结果 中旁通流域内流体的湍流动能和速度分布规律 ，因 为气体速度分布和湍流动能的大小可直接反映气固 两相流作用于旁通流域内壁的冲蚀情况。为确定合 适的法兰短节长度 ，选取距离右侧旁通出口分别为 Y0 、2 0 0 、4 0 0和 6 0 0 n l n l 的 4个截面位置来精确 研究湍流动能和速度分布情况，结果如图 3所示。 由图 3 a 可以看出，气同两相流体的湍流动能在距 旁通 出口4 0 0 mm后 已趋于稳定 ；从 图 3 h可 以看 出，在距旁通 出口6 0 0 m m后的流域 ，巾心高速气 流在径向方向的波动已得到改善，沿轴向已趋于稳 定 ，说明此时携岩的气同两相流体对内壁面的冲蚀 作用 已得到明显改善。冈此 ，优选法兰短节的长度 为 6 0 0 m m。 ● ． ～ ● ⋯ ⋯ ㈨ 扎 _兰 一 ．