1) 節流閥材質特點。閥體材質為4130, HB197-235;閥芯材質均為碳化鎢, HRA90-93。

2) 節流閥沖蝕特點。電子顯微鏡觀測下閥體切片, 出現微切削和犁溝;閥芯沖蝕坑兩邊形成凸起的唇片, 并呈波紋漣漪狀。

3) 沖蝕理論。綜合分析確定, 微切削模型理論、鍛造擠壓理論能揭示巖屑沖蝕節流閥的行為。兩套模型理論并非各自獨立地簡單拼湊, 而是相互補充, 從不同角度、不同的沖蝕階段來闡述節流閥不同位置的沖蝕現象, 進而確立節流閥沖蝕磨損機理。

根據節流閥沖蝕機理, 確定采用如下沖蝕計算模型^[11]:

[Math Processing Error]$R{}_{ero}={\displaystyle {\sum }_{n=1}^{{\rm N}}\frac{\dot{m}{}_{pn}C(d{}_{pn})f(\alpha )v{}_{pn}{}^{b(v{}_{pn})}}{A{}_{wall}}}$

式中:R_ero為沖蝕磨損速率, kg/ (m²·s) ;C (d_pn) 為顆粒直徑的函數, m;f (α) 為顆粒對靶面攻角的α函數, rad;b (v_pn) 是顆粒相對于靶材面速度的函數, m/s;A_wall節流閥內表面單位沖蝕面積, m²;[Math Processing Error]$\dot{m}{}_{pn}$ 為顆粒的質量流量, kg/s;n表示最大加重材料顆粒數。

2 仿真分析與試驗研究

對新型筒式節流閥、楔型節流閥、孔板型節流閥在混氣重泥漿條件下分別進行動態模擬試驗, 檢驗3種類型節流閥在實施節流壓井時的可靠性、耐沖蝕性和對井控技術與井控工藝要求的符合性、適應性, 為節流壓井作業提供決策依據。

1) 新型筒式節流閥。新型筒式閥芯采用圓柱形結構, 閥芯、閥座均為對稱結構, 閥芯、閥座采用碳化鎢合金, HRA92, 可提高抗沖蝕能力, 且可調換方向安裝, 其過流面積與開度如圖1所示。

2) 楔形節流閥。該閥是為了解決針形節流閥易斷裂而研制的, 閥芯采用楔形結構, 閥芯閥座同樣采用碳化鎢合金, HRA94, 其過流面積與開度如圖2所示。

3) 孔板式節流閥。閥瓣的流通截面形狀為扇形, 閥瓣分為上、下兩部分。固定下閥瓣, 旋轉上閥瓣, 可以調整流通面積, 實現對流量的控制和調節, 閥芯閥座也采用碳化鎢合金^[13,14]、HRA92, 其過流面積與開度如圖3所示。

根據3類型閥過流面積與開度示意圖, 在保證最大過流面積一致的前提下, 針對不同的閥芯位移值 (如表1所示) , 開展了相同條件下新型筒式節流閥、楔形節流閥和孔板節流閥的流場和沖蝕有限元仿真分析。

      對于新型筒式節流閥, 由于圓柱形閥芯具有結構對稱的特點, 其流場較平穩, 過流面為對稱環形, 流體流過節流面時, 流體沖蝕力減弱, 減小了對下游設備的沖蝕, 受力的集中區域為閥芯與閥座節流面最小的區域, 閥芯節流面段出現環狀痕跡, 如圖4所示。

      對楔形節流閥進行沖蝕數值模擬分析, 速度場分布如圖5a所示, 可知在楔形閥的閥芯與閥座結合的部位存在應力集中區, 且下游變徑處存在單側高速線流, 因此會對閥芯部位及下游變徑處形成沖蝕, 如圖5所示。

為驗證仿真分析的準確性, 利用元壩12-1H井的井場, 分別對3種節流閥進行了現場沖蝕試驗。試驗設備主要有 F-1600H型泥漿泵1臺、氣密封檢測車3臺、105 MPa節流管匯、液氣分離器、泥漿罐等。泥漿參數為:密度1.8 g/cm³, pH值11, 黏度48 s , 固相含量35%, 含砂量0.20%。泵沖次80～110 min^-1。氮氣純度99.9%, 排量2.2 m³/min。泥漿和氮氣的混合比在1∶1～1∶2。

利用F-1600H型泥漿泵和現場氣密封檢測車將氣體和泥漿注入到節流管匯, 節流閥開度1/8, 控制壓力和排量, 對節流閥及下游管道進行8 h的沖蝕試驗, 如圖7所示。

在試驗期間, 泵的瞬時最高壓力為44 MPa, 伴隨多次壓力瞬時升高現象。由于沖擊壓力過大, 上下壓差為10 MPa, 因此控制平均壓力為30 MPa, 如圖8所示。

       試驗完成后, 拆閥進行檢查, 閥芯楔形面大端端面處有輕微沖蝕痕跡, 閥座無明顯蝕痕, 雖然采用了防沖蝕短接, 但是在下游發現半月形沖蝕痕跡, 大約3 cm², 與仿真分析結果一致, 如圖11所示。

在試驗過程中泵壓多次從高壓瞬時跌落至4 MPa左右, 開關活動閥后壓力又能升高至原壓力。最后一次壓力從14 MPa降至4 MPa, 時間為1 min。認為該閥損壞, 停止試驗, 如圖12所示。

      在混氣流量2.2 m³/min, 泥漿密度1.8 g/cm³, 沖蝕時間8 h的試驗工況下, 得到3種類型節流閥的沖蝕效果及壓力曲線。分析可知, 新型筒式節流閥的耐沖蝕能力最強。從耐沖蝕能力、節流壓井可靠性、井控工藝要求3方面綜合分析, 新型筒式節流閥的綜合性能較楔形節流閥和孔板節流閥好, 更符合生產現場的需要。