井控节流阀冲蚀机理及结构优化

蒋凯 佟新宇

摘要：钻井井控过程中，节流阀是非常重要的一个设备，其工作的正常性对于压井成败产生直接影响，所以，通过现代化的分析软件分析井控装置井控节流阀，结合节流阀的流场特点，对其相关机理和结构进行分析。本文主要对井控节流阀冲蚀机理进行一定的分析，并优化结构。

主题词：井控节流阀；钻井工程；冲蚀机理

节流阀对于钻井井控的管汇来说是比较重要的，该设备能够进行正常工作也是压井成败的关键所在，受到一定流量的作用，科学地调节节流阀开度，对节流阀的两端压差进行控制，继而提供一定的回压给井底，避免出现井涌和井喷等多种事故，因此，井控节流阀对于安全生产来说是至关重要的。因为井下的压力比较大，加之泥浆具有较强的冲蚀性，井控节流阀需要具备更多的优势才能够符合安全生产所需。

一、分析节流阀的力学

在油气田的施工现场， 通常会运用到井控节流阀，最开始运用的就是锥形阀心，因为锥形阀心属于一端固定和一端比较自由的一些悬臂梁的结构，会在高压流体的压力下出现震动，导致疲劳破坏甚至断裂，与安全生产所需不符合。对楔形阀心进行改用之后，因为楔形阀心的具体工作就像是简支梁的结构，具有较高的稳定性，因此防止了断裂问题的出现。然而阀在具体应用过程中还是有很多问题出现，存在的主要问题之一便是泥浆经过节流口后冲到阀门壳体，导致壳体出现冲蚀，还会有冲穿壳体的问题发生，本文所说的ANSYS软件能够很好地分析阀的具体流场。

（一）建立模型

具体工作开展的过程中，楔形节流阀内的泥浆属于三维非定常的一种流动，在这一过程中，流体运动的情况具有一定的复杂性。然而通过定性对流体进行了解能够在节流阀当中维持三维流动的趋势，并不需要完全地对节流阀的复杂性进行模拟，在这一过程中，主要通过节流阀的对称面流场分析，将其简化成平面流动就能够达到最终的目的。 划分节流阀网格一般选择的是映射网格，并且在壁面等多种流体梯度较大的地方应该进行划密，有助于精确地解释。还要将壁面边界的条件设定为x、y不同的方向上，其流体速度设置为零，在入口流量上为20 L/s，在出口背压上为0MPa，此时的流体密度是1893 kg/m3。

（二）分析最终的结果

收敛计算结果之后，会获得关于流场分布速度云图以及矢量的分布图，相关人员可以得到，泥浆在节流口通过之后会使得高速流体出现较大的速度，并且冲到壳体上，因为泥浆当中的颗粒状物质比较多，还会产生物质冲刷壳体的现象，切削壳体，受到高压高流速的影响，能够以最快的速度从壳体壁冲穿，最终导致节流阀出现失效的问题 。

二、井控节流阀的结构优化措施

为了防止出现上述问题，需要对流道结构进行一定的改变，进而有效地改善泥浆流出的趋势，防止对壳体壁面造成冲刷。利用流场和结构之间存在的关系， 可以通过改变节流阀结构达到目的。

对于石油企业来说，钻采开发期间总是会碰到压井作业，为井底给予一定的回压继而使得地层压力能够平衡，压井作业则是通过井控节流阀的开度调节 阻碍井内流体出现阻力，继而使得回压出现。因此，井控节流阀对于钻井井控的管汇而言至关重要，通过对节流阀进行有效地调节控制井中压力，进而有效防止井涌和井喷事故的出现。通过全面有效地分析井控节流阀冲蚀机理，明确当中存在的问题，并且制定针对性地将诶够优化的措施，为井控作业的开展做好基础保障，还要通过相关软件的应用分析节流阀节流口的区域流场，获得不同的阀芯尺寸分布规律，对最优阀芯结构的尺寸进行确定，进而使得钻井工作得以有效开展。 对于相关人员来说，需要通过以下几点措施进行优化，为我国石油企业的发展做好基础保障。

一是，把楔形节流阀平面向弧面进行改造。选择和上相同的一些边界条件以及参数，继而能够在ANSYS软件的CFD模块当中作全面的流场分析，并且获得一定的效果图，即速度云图以及矢量的分布图。相关人员可以从最终的结果中看出，改变楔形面的形状之后，流体流动的时候因为备受弧面约束，导致液体出流趋势出现了一定的改变，如果流体从阀心脱离的话，流体流动趋势就是沿着节流阀的末端表面切线方向进行射出。因此，如果弧面末端切线的方向和壳体中轴线之间平行的话，高速流体射出的方向也就不能冲向壳体，在此基础上，使得泥浆在壳体中产生的冲蚀作用逐渐降低，为井控作业开展的整体质量打好基础，同时，还是石油企业进一步发展的重要支撑。

二是，现场实际应用过程中，需要节流阀调节压力时属于线性的，因为节流阀阀心改变为弧面之后，其在阀心当中移动的话节流口的面积变化缺乏均匀性，然而在部分行程段的节流阀出现的压降变化缺乏明显性，有些行程段的节流阀所出现的压降是非常剧烈的，因此导致节流阀对于压力线性的调节造成严重的影响。

想要达到线性调节的目的，同时，对流体出流的趋势目标进行完成，就要在阀心上部运用楔形平面，然而在阀心末端还是需要保留平面让其和壳体当中的轴线平行，楔形面和平面之间选择圆弧进行过渡，确保流体的出流方向不能像壳体进行指向，选择一样的边界条件与参数，对速度云图以及矢量图进行全面有效地分析。相关人员可以从这些结果中看出，复合形的节流阀因为阀心下端出现了垂直方向平面，并对流体方向进行了改变，防止流体冲蚀壳体壁。与此同时，阀心上端部出现的直线段与压降线性调节所需之间是相互满足的，可以在现场进行有效地应用。只有这样，才能为井控作业的开展做好基础保障，推动石油企业的可持续发展。

結束语

综上所述，通过分析节流阀流场，能够发现各种节流阀的结构流场的分布规律以及特点，明确节流阀的冲蚀失效的机理，并制定针对性地结构优化和改进的策略。与此同时，分析不同阀心结构的节流阀流场分布以及工作性能，这是节流阀性能提高的重要基础和前提，也是相关企业发展的重要推动力和保障。

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