氮气钻井多功能四通防冲蚀结构改进

2014年第42卷第4期石油机械CHINAPETROLEUMMACHINERY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FLUENT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625镍基合金替代了原来NI45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600TONI，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TE931文献标识码ADOI103969JISSN10014578201404003STRUCTURALIMPROVEMENTOFMUITIFUNCTIONALFOURWAYEROSIONPREVENTIONINNITROGENDRILLINGHEJIANGHUALIUHUIXINAIZHIJIUWANGSHUANGMOEKEYLABORATORYOFPETROLEUMANDNATURALGASEQUIPMENT，SOUTHWESTPETROLEUMUNIVERSITYABSTRACTHIGHSPEEDCUTTINGCARRYINGGASSOLIDMULTIPHASEFLOWINNITROGENGASDRILLINGCAUSESSEVEREEROSIONDAINAGEINTHEWELLHEADMUHIFUNETIONA1FOURWAYBYPASSBASINTHEREFORE，THEFLUENTSOFTWAREWASUSEDTOSIMULATETHEEROSIONOFFOURWAYFLUIDDOMAININTESTINGANDBOOSTINGCONDITIONSIECUTTINGCARRYINGGASSOLIDMULTIPHASEFLOWONTHEBASISOFTHESIMULATIONRESULTANALYSIS，THEEROSIONPREVENTINGIMPROVEDSTRUCTUREFORTHEMOSTSEVERE。LYDAMAGEDFOURWAYBYPASSPIPELINEONWELLHEADFORNITROGENDRILLINGWASFORMULATEDTHENEWSTRUCTUREADDSFLANGEPUPJOINTANDEMBEDDEDCEMENTEDCARBIDESLEEVETHESURFACINGOVERLAYINGOF625NICKELBASEALLOYISADOPTEDTOREPLACETHEORIGINALNI45ALLOYMATERIALATTHEFOURWAYBYPASSINLETSECTION，WHICHCANEFFECTIVELYPROTECTTHEBYPASSSECTIONOFFOURWAY0NTHEBASISOFTHEDISTRIBUTIONLAWSOFGASVELOCITYANDTURBULENCEKINETICENERGYINTHESIMULATIONRESULT，THEOPTIMALLENGTHOFFLANGEJOINTWASFORMULATEDASARESULT，THEEROSIONDAMAGEOFTHELOWERFLATVALVEWHICHISNEARTHEERODIBLEZONEOFFOURWAYBYPASSBASINISAVOIDEDTHEOVERALLSALTYOFWELLHEADISIMPROVEDANDTHESERVICELIFEISLENGTHENEDKEYWORDSNITROGENDRILLING；GASSOLIDMULTIPHASEFLOW；MUHIFUNCTIONALFOURWAY；EROSIONDAMAGE；STRUET1】RA1NLODIFICATION0一口目前，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41。某油田在氮气钻井技术基金项目中国石油2011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”TLMYT一2011GC一007石油机械2014年第42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11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RAINTA1LE1SERVICECONDITIONOFLEFTANDRIGHTFOURWAYBYPASSESINDRILLINGMIN12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NI60合金，硬度55HRC，厚度LBITI。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旁通入口相贯线处，合金层被冲蚀脱落，并FFI现轴向裂纹；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，FJ断面为不规则圆，最大尺寸840MM设计尺寸785MM，单边最大冲蚀量3MM。13四通旁通下游平板阀的损伤检测【JU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K18MILL，直径最大825MM设计尺寸O783NM1。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。21四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700MM；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FIG1MESHMODELOFFOURWAYFLUIDDOMAIN22边界条件1入口边界入口天然气的放喷量流量为1010MD，天然气质量流量为83KGS，标况下CH密度为0717GL。2出口边界两JL_“口边界采用压力出口，现场出口压力为10MPA。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1FILM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030236MM之间，平均粒径105MM，岩屑同体密度为2650KGM，质量流量为1KGS，入口初始速度30MS，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。23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60。90。直接碰撞的位置；旁通上壁面成带状靠近旁通出20L4年第42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15。60。的直接作用，且该区域的冲蚀损伤最为严重，存在141”C”11Q36CI7811ELL一一蒜璃嚣624一一一“17795E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13810KGNLS。3I气体流速B湍流动能位KGMST2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FIG2GASVELOCITY，TURBULENCEKINETICENERGY“ANDWALLSURFACEEROSIONINMUHITHNCTIONALFIMRWAY从图2A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15631旁通管路的防冲蚀改进结构MS，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625镍基合金替代了原来的NI45合金材小，并趋于稳定。料。从图2B可以看出，作用在旁通人口和旁通道32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；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100万MD工况下，优选的法兰短节的长度。在延长旁通段流域700NLILL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