1) 节流阀材质特点。阀体材质为4130, HB197-235;阀芯材质均为碳化钨, HRA90-93。

2) 节流阀冲蚀特点。电子显微镜观测下阀体切片, 出现微切削和犁沟;阀芯冲蚀坑两边形成凸起的唇片, 并呈波纹涟漪状。

3) 冲蚀理论。综合分析确定, 微切削模型理论、锻造挤压理论能揭示岩屑冲蚀节流阀的行为。两套模型理论并非各自独立地简单拼凑, 而是相互补充, 从不同角度、不同的冲蚀阶段来阐述节流阀不同位置的冲蚀现象, 进而确立节流阀冲蚀磨损机理。

根据节流阀冲蚀机理, 确定采用如下冲蚀计算模型^[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为冲蚀磨损速率, kg/ (m²·s) ;C (d_pn) 为颗粒直径的函数, m;f (α) 为颗粒对靶面攻角的α函数, rad;b (v_pn) 是颗粒相对于靶材面速度的函数, m/s;A_wall节流阀内表面单位冲蚀面积, m²;[Math Processing Error]$\dot{m}{}_{pn}$ 为颗粒的质量流量, kg/s;n表示最大加重材料颗粒数。

2 仿真分析与试验研究

对新型筒式节流阀、楔型节流阀、孔板型节流阀在混气重泥浆条件下分别进行动态模拟试验, 检验3种类型节流阀在实施节流压井时的可靠性、耐冲蚀性和对井控技术与井控工艺要求的符合性、适应性, 为节流压井作业提供决策依据。

1) 新型筒式节流阀。新型筒式阀芯采用圆柱形结构, 阀芯、阀座均为对称结构, 阀芯、阀座采用碳化钨合金, HRA92, 可提高抗冲蚀能力, 且可调换方向安装, 其过流面积与开度如图1所示。

2) 楔形节流阀。该阀是为了解决针形节流阀易断裂而研制的, 阀芯采用楔形结构, 阀芯阀座同样采用碳化钨合金, HRA94, 其过流面积与开度如图2所示。

3) 孔板式节流阀。阀瓣的流通截面形状为扇形, 阀瓣分为上、下两部分。固定下阀瓣, 旋转上阀瓣, 可以调整流通面积, 实现对流量的控制和调节, 阀芯阀座也采用碳化钨合金^[13,14]、HRA92, 其过流面积与开度如图3所示。

根据3类型阀过流面积与开度示意图, 在保证最大过流面积一致的前提下, 针对不同的阀芯位移值 (如表1所示) , 开展了相同条件下新型筒式节流阀、楔形节流阀和孔板节流阀的流场和冲蚀有限元仿真分析。

      对于新型筒式节流阀, 由于圆柱形阀芯具有结构对称的特点, 其流场较平稳, 过流面为对称环形, 流体流过节流面时, 流体冲蚀力减弱, 减小了对下游设备的冲蚀, 受力的集中区域为阀芯与阀座节流面最小的区域, 阀芯节流面段出现环状痕迹, 如图4所示。

      对楔形节流阀进行冲蚀数值模拟分析, 速度场分布如图5a所示, 可知在楔形阀的阀芯与阀座结合的部位存在应力集中区, 且下游变径处存在单侧高速线流, 因此会对阀芯部位及下游变径处形成冲蚀, 如图5所示。

为验证仿真分析的准确性, 利用元坝12-1H井的井场, 分别对3种节流阀进行了现场冲蚀试验。试验设备主要有 F-1600H型泥浆泵1台、气密封检测车3台、105 MPa节流管汇、液气分离器、泥浆罐等。泥浆参数为:密度1.8 g/cm³, pH值11, 黏度48 s , 固相含量35%, 含砂量0.20%。泵冲次80～110 min^-1。氮气纯度99.9%, 排量2.2 m³/min。泥浆和氮气的混合比在1∶1～1∶2。

利用F-1600H型泥浆泵和现场气密封检测车将气体和泥浆注入到节流管汇, 节流阀开度1/8, 控制压力和排量, 对节流阀及下游管道进行8 h的冲蚀试验, 如图7所示。

在试验期间, 泵的瞬时最高压力为44 MPa, 伴随多次压力瞬时升高现象。由于冲击压力过大, 上下压差为10 MPa, 因此控制平均压力为30 MPa, 如图8所示。

       试验完成后, 拆阀进行检查, 阀芯楔形面大端端面处有轻微冲蚀痕迹, 阀座无明显蚀痕, 虽然采用了防冲蚀短接, 但是在下游发现半月形冲蚀痕迹, 大约3 cm², 与仿真分析结果一致, 如图11所示。

在试验过程中泵压多次从高压瞬时跌落至4 MPa左右, 开关活动阀后压力又能升高至原压力。最后一次压力从14 MPa降至4 MPa, 时间为1 min。认为该阀损坏, 停止试验, 如图12所示。

      在混气流量2.2 m³/min, 泥浆密度1.8 g/cm³, 冲蚀时间8 h的试验工况下, 得到3种类型节流阀的冲蚀效果及压力曲线。分析可知, 新型筒式节流阀的耐冲蚀能力最强。从耐冲蚀能力、节流压井可靠性、井控工艺要求3方面综合分析, 新型筒式节流阀的综合性能较楔形节流阀和孔板节流阀好, 更符合生产现场的需要。