摘要：鉆柱內(nèi)防噴系統(tǒng)止回閥以反應(yīng)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(tài)而長(zhǎng)時(shí)間遭受高壓鉆井液的沖蝕，極易導(dǎo)致止回閥密封失效或過早報(bào)廢，存在安全隱患。針對(duì)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(guān)鍵問題，通過把流體力學(xué)影響因素與沖刷腐蝕磨損理論有機(jī)地結(jié)合起來，借助實(shí)驗(yàn)建立磨礪性腐蝕介質(zhì)——鉆井液的模型，利用CFD技術(shù)確定影響沖刷腐蝕磨損的流體力學(xué)參數(shù)，分析典型鉆柱止回閥的工作機(jī)理，實(shí)現(xiàn)止回閥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；并選擇性地對(duì)止回閥進(jìn)行沖刷腐蝕磨損試驗(yàn)，篩選出閥體、閥座材料及主要耐磨件的強(qiáng)化處理方法。通過井下工作情況模擬實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)仿真分析，找出井噴條件下鉆柱內(nèi)防噴系統(tǒng)止回閥的失效機(jī)理，尋求流體力學(xué)參數(shù)、介質(zhì)性質(zhì)、材料因素等對(duì)止回閥性能的影響關(guān)系，繼而建立一種新的鉆柱止回閥設(shè)計(jì)方法或準(zhǔn)則，以推進(jìn)我國鉆柱止回閥研制的技術(shù)進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：內(nèi)防噴系統(tǒng)；鉆柱止回閥；流體動(dòng)力學(xué)；沖刷腐蝕磨損；機(jī)理研究

   在內(nèi)防噴系統(tǒng)中，止回閥實(shí)際上是一種單向閥，連接在鉆鋌與鉆桿之間。正常鉆井時(shí)，鉆井液通過閥隙向下流動(dòng)進(jìn)行循環(huán)；當(dāng)井涌或井噴出現(xiàn)時(shí)，高壓液流將反向流動(dòng)，推動(dòng)閥芯件與基體接觸產(chǎn)生密封，防止情況惡化。止回閥以迅捷反應(yīng)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(duì)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(tài)，長(zhǎng)時(shí)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(bào)廢，且在整個(gè)內(nèi)防噴系統(tǒng)中，井底止回閥的工作條件最為惡劣。故而很有必要對(duì)止回閥的失效機(jī)理進(jìn)行全面深入的研究、分析，以采取相應(yīng)的措施提高止回閥性能，推進(jìn)止回閥的總體水平上一個(gè)新臺(tái)階，體現(xiàn)其顯著的技術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

    鉆井過程中，當(dāng)遇到高壓地層時(shí)，如果沒有可靠的防噴系統(tǒng)就有可能發(fā)生井噴。無論是鉆柱外井噴，還是鉆柱內(nèi)井噴，都存在引發(fā)災(zāi)難性事故的潛在危險(xiǎn)，有的后果相當(dāng)慘重。目前，各種類型規(guī)格的防噴器已有能力將鉆柱外井涌及井噴控制住，但對(duì)于鉆柱內(nèi)井噴問題，卻沒能得到有效解決。鉆柱內(nèi)井噴時(shí)有發(fā)生，輕則憋壞水龍帶，污染井場(chǎng)；重則燒壞鉆機(jī)設(shè)備，破壞油氣資源，危及鉆井人員安全。2003年12月23日發(fā)生在重慶開縣的嚴(yán)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(zé)任人時(shí)，認(rèn)定的最嚴(yán)重的罪責(zé)就是“沒有使用內(nèi)防噴工具”。由此可見，內(nèi)防噴工具在確保鉆井工程安全運(yùn)行中起到多么重要的作用。所謂鉆柱內(nèi)防噴系統(tǒng)，就是預(yù)防及處理鉆柱內(nèi)井噴的配套系列產(chǎn)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(dòng)防噴閥等組成，有時(shí)也包含旁通閥。鉆井工程中，運(yùn)用內(nèi)防噴系統(tǒng)能可靠地解決鉆柱內(nèi)井噴問題，同時(shí)也能有效改善鉆井工作環(huán)境和勞動(dòng)條件，有利于實(shí)現(xiàn)文明生產(chǎn)和科學(xué)鉆井^[1]。從收集到的國內(nèi)外內(nèi)防噴系統(tǒng)的研究和生產(chǎn)等方面的資料可以看出，國內(nèi)在防噴器研究、制造、使用上，有幾個(gè)印象是相當(dāng)深刻的^[2]：

    1) 國內(nèi)鉆柱內(nèi)防噴系統(tǒng)所取得的成果不及環(huán)形防噴器顯著。從總體上看，國內(nèi)在井控裝備研制中，特別是在環(huán)形空間防噴器研究中，有關(guān)設(shè)計(jì)研究單位與現(xiàn)場(chǎng)、工廠密切協(xié)作，有針對(duì)性地吸收國外產(chǎn)品的長(zhǎng)處和優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合國情與制造能力，生產(chǎn)出滿足現(xiàn)場(chǎng)石油鉆井需要的各型防噴器。從資料調(diào)研看，迄今為止，國內(nèi)從機(jī)理性研究來揭示內(nèi)防噴工具失效本質(zhì)的研究報(bào)告寥寥無幾，也基本上沒有確保內(nèi)防噴工具安全性和可靠性的設(shè)計(jì)方法。

    2) 國內(nèi)缺乏自主研制的內(nèi)防噴工具。在內(nèi)防噴工具中，方鉆桿上下旋塞閥的生產(chǎn)規(guī)模大于止回閥，沒有稱得上自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。

    3) 從調(diào)研資料中看不出國內(nèi)內(nèi)防噴工具的發(fā)展方向和研究動(dòng)態(tài)。目前，盡管我國有眾多生產(chǎn)廠家能生產(chǎn)內(nèi)防噴系統(tǒng)中的各型閥，基本上滿足了生產(chǎn)需要。但從現(xiàn)場(chǎng)使用看，國產(chǎn)內(nèi)防噴工具普遍存在產(chǎn)品可靠性差，壽命低等問題。

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

由此可見，迄今為止，國內(nèi)對(duì)鉆柱止回閥的重視程度還不夠。

    實(shí)踐證明，在井噴工況條件下，高壓液流(70MPa或更高)轉(zhuǎn)化為高速液流(100m/s以上)通過鉆柱止回閥閥體與閥座間的環(huán)隙，對(duì)閥體及閥座均有很強(qiáng)的沖蝕。鉆井液是具有腐蝕作用的介質(zhì)，且含有磨礪性固體顆粒，這種介質(zhì)對(duì)止回閥的流道、閥體和閥座將造成嚴(yán)重傷害，可以說，內(nèi)防噴系統(tǒng)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(gè)很復(fù)雜的過程，影響因素眾多，主要包括材料(冶金)、環(huán)境和流體力學(xué)3個(gè)方面^[3]。過去人們常通過失重實(shí)驗(yàn)以及各種流動(dòng)條件下的電化學(xué)測(cè)量技術(shù)對(duì)前兩個(gè)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(zhì)^[4～6]。相比之下，流體力學(xué)因素影響規(guī)律的研究尚未成熟。因此，無論是對(duì)沖刷腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)，還是對(duì)沖刷腐蝕機(jī)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(shí)際工況的試驗(yàn)，或者通過使用才能做出評(píng)價(jià)，要花費(fèi)很高的人力和財(cái)力成本。近年來，由于CFD技術(shù)的廣泛使用^[7～9]，可以方便地把流體力學(xué)理論和沖刷腐蝕磨損理論結(jié)合起來，開展更深入的機(jī)理性研究和產(chǎn)品開發(fā)。

    開展該項(xiàng)研究的主要目標(biāo)是將理論研究、計(jì)算機(jī)仿真研究和模擬工況的試驗(yàn)研究有機(jī)地融為一體，應(yīng)用多學(xué)科最新、最成熟的理論和技術(shù)，評(píng)價(jià)現(xiàn)有的幾種內(nèi)防噴系統(tǒng)止回閥性能，通過模擬和數(shù)值分析進(jìn)一步優(yōu)化閥的結(jié)構(gòu)，改善閥的性能，初步建立起止回閥設(shè)計(jì)的一種新方法，并在機(jī)理研究上有所建樹。研究工作主要包括以下內(nèi)容：

    1) 全面分析國產(chǎn)止回閥失效原因，尋求失效的控制機(jī)理。深入現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，收集止回閥失效現(xiàn)象、事故發(fā)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(shè)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(jī)理，為延長(zhǎng)止回閥壽命和研究工作的正確模擬提供依據(jù)。

    2) 開展鉆井液性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)影響沖刷腐蝕磨損的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。鉆井液是含有磨礪性固體顆粒的腐蝕介質(zhì)，顆粒對(duì)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(yán)重；顆粒濃度越大，沖刷腐蝕速率的絕對(duì)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(shí)，在液-固兩相流中因顆粒多角引起的表面膜損傷會(huì)進(jìn)一步造成材料的電化學(xué)損傷。因此，必須通過一定試驗(yàn)，測(cè)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(diào)入Phoenies CFD軟件進(jìn)行流場(chǎng)分析。在鉆柱止回閥中，具有很大的橫向壓力梯度和強(qiáng)度的二次流，流動(dòng)呈現(xiàn)出很強(qiáng)的三維性。因此，必須生成符合實(shí)際流動(dòng)情況的三維結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)入Phoenies CFD軟件中建立CFD計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型。通過CFD計(jì)算，對(duì)幾種典型止回閥進(jìn)行分析，并得出與沖刷腐蝕磨損有關(guān)的參數(shù)，如速度、沖刷角度等。典型止回閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 

    4) 進(jìn)行止回閥工作行為的計(jì)算機(jī)仿真研究，優(yōu)化止回閥結(jié)構(gòu)。將CFD計(jì)算獲得的相關(guān)參數(shù)引入沖刷腐蝕磨損公式中，并對(duì)公式進(jìn)行相應(yīng)處理。對(duì)幾種典型的鉆柱止回閥進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究，評(píng)比出相對(duì)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)止回閥。繼而對(duì)這種止回閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，再進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，尋求流體力學(xué)參數(shù)、介質(zhì)性質(zhì)、材料因素對(duì)止回閥性能的影響關(guān)系。

   5) 選擇性地進(jìn)行沖刷磨損試驗(yàn)，篩選出止回閥閥體、閥座材料。目前，計(jì)算沖刷腐蝕磨損的公式中，代表材料性質(zhì)的參數(shù)有硬度、沖擊韌性、塑性流動(dòng)應(yīng)力等。根據(jù)現(xiàn)有研究成果來看，這些參數(shù)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(jìn)行模擬實(shí)際工況的沖刷腐蝕磨損試驗(yàn)，以便獲得耐磨性優(yōu)良的閥體、閥座材料和相應(yīng)的強(qiáng)化處理方法。

   6) 形成理論研究成果。在理論研究、試驗(yàn)研究和仿真研究的基礎(chǔ)上，獲得基于井噴條件下的鉆柱內(nèi)防噴系統(tǒng)止回閥的工作機(jī)理及失效機(jī)理，確定流體力學(xué)參數(shù)、介質(zhì)性質(zhì)、材料因素等對(duì)止回閥性能的影響關(guān)系，最終建立一種新的鉆柱止回閥設(shè)計(jì)方法或準(zhǔn)則。

止回閥工作機(jī)理研究路線如圖2所示。

 

    1) 對(duì)影響沖刷腐蝕磨損的鉆井液參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬、綜合評(píng)定，并最終選型。

    2) 對(duì)基于井噴條件下的止回閥內(nèi)復(fù)雜流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，正確確定對(duì)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(shí)際情況的止回閥工作行為仿真軟件，利用仿真試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)一步對(duì)止回閥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。正確選定沖刷腐蝕磨損公式及公式的處理是本研究?jī)?nèi)容的關(guān)鍵。

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

    5) 獲得基于井噴條件下的鉆柱內(nèi)防噴系統(tǒng)止回閥的失效機(jī)理，確定流體力學(xué)參數(shù)、介質(zhì)性質(zhì)、材料因素對(duì)止回閥性能的影響關(guān)系。

    1) 建立起與沖刷腐蝕磨損有關(guān)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(duì)現(xiàn)有的典型結(jié)構(gòu)鉆柱止回閥的流體力學(xué)性能和耐沖刷腐蝕磨損性能有全新的了解，為開發(fā)新型鉆柱止回閥提供借鑒。

    3) 評(píng)價(jià)現(xiàn)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jù)。

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

    5) 開發(fā)出基于井噴工況條件、應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)和沖刷腐蝕磨損理論的計(jì)算機(jī)仿真軟件，從而經(jīng)濟(jì)、有效地改善止回閥流體力學(xué)性能及耐沖刷腐蝕磨損性能。

    6) 形成一套對(duì)止回閥流體力學(xué)性能設(shè)計(jì)及耐沖刷腐蝕磨損性能設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義的理論、方法和準(zhǔn)則，為進(jìn)一步研究現(xiàn)有鉆柱止回閥及開發(fā)新型鉆柱止回閥提供理論參考。

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(本文作者：陳浩¹ 王長(zhǎng)江² 吳震³ 裴延波¹ 蘇瑩瑩¹ 1.西南石油大學(xué)；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)