CN112082892A - 一种三高油气井节流阀抗冲蚀性能实验装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三高油气井节流阀抗冲蚀性能实验装置，包括高压流体泵送部分、变角度节流阀冲蚀模拟部分、泥浆回收部分；本发明还公开了一种三高油气井节流阀抗冲蚀性能的实验方法。本发明可准确地模拟混气重泥浆条件下实施节流压井对节流阀及节流管汇的冲蚀作用，评价节流阀可靠性、耐冲蚀性以及对井控工艺要求的符合性、适应性。
Description
技术领域
本发明涉及油气井井控安全技术领域，尤其涉及一种三高油气井节流阀抗冲蚀性能实验装置和方法。
背景技术
三高油气井是指具有高压、高产或高含硫特点的油气井。在钻井过程中，由于三高井的安全生产特殊性，一旦发生井喷失控事故，地层气体涌入钻具并携带钻井液涌出地面，极易会造成油气资源及设备设施严重破坏、人员重大伤亡及恶劣的社会影响，因此，其安全管理和风险管控是否到位变得尤为重要。
节流阀是井控管汇中的关键设备，节流阀能否正常工作直接关系到压井的成败，有必要对不同类型的节流阀进行动态模拟试验，检验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工艺要求的符合性、适应性，为节流压井实战提供决策依据。
中国专利CN105547885A提供了一种气井冲蚀实验系统及其冲蚀方法和流束调节装置，可实现更加精确地喷射落点控制，从而保证喷射在实验样品上的流体与实验样品的夹角变化范围极小，通过调整实验样品与喷射流体的角度，实现达到精确控制入射角的目的；专利CN105547884A提供的一种喷射式冲蚀实验装置，能模拟井下高温高压环境的喷射式冲蚀工况。
中国专利CN205643122U提供一种喷射式流固耦合冲蚀实验装置，能够实现高流速与高砂比作业，而且还能够实现电化学的实时测量；文章《40Cr在高压液固两相流中的冲蚀行为》提供了一种节流阀冲蚀实验装置，可精确控制攻角、砂含量和系统压力参数，从而节流阀阀芯材料40Cr在不同攻角下的冲蚀行为；文章《高速喷射式冲刷腐蚀实验装置的研制及其实时动态电化学测试》提供了一套高速喷射式冲刷腐蚀实验装置，配有灵活的喷射距离和攻角调节系统，可用于探究喷射距离及喷射角度对节流阀材料的冲蚀程度。
上述公开的冲蚀实验装置主要集中在采用高压流体对节流阀材料挂片进行单点冲蚀的方法进行，而没有针对节流阀进行整体冲蚀性能评价研究，并没有考虑到在三高气井压井施工情况下钻井液和井下气体混合且连续喷出的工况。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明公开了一种三高油气井节流阀抗冲蚀性能实验装置和方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种三高油气井节流阀抗冲蚀性能实验装置，包括相连接的高压流体泵送部分、变角度节流阀冲蚀模拟部分和泥浆回收部分。
作为本发明的进一步优选，所述高压泵送部分包括稳压储气罐、变压吸附制氮机，其中变压吸附制氮机与稳压储气罐的底部连接，稳压储气罐与三相混合器连接；
作为本发明的进一步优选，所述泥浆回收部分包括泥浆泵，储浆罐与泥浆泵连接，泥浆泵与三相混合器相连接，气液分离器还与缓冲罐连接，缓冲罐连接至回浆泵的入口，回浆泵的出口通过管线与储浆罐的顶部连接；
作为本发明的进一步优选，所述变角度节流阀冲蚀模拟部分包括节流阀和节流管汇，三相混合器出口与节流阀的一端连接，节流阀的另一端与节流管汇的一端连接，节流管汇的另一端与气液分离器连接。
作为本发明的进一步优选，在所述泥浆泵的出口与三相混合器相连接的管线上设置液体流量计；在稳压储气罐与所述三相混合器相连接的管线上设置有气体减压阀、气体流量计和单向阀。
作为本发明的进一步优选，在稳压储气罐与所述三相混合器相连接的管线上设置有气体减压阀、气体流量计和单向阀。
作为本发明的进一步优选，所述三相混合器与节流阀之间安装有第一压力计和泄压三通阀。
作为本发明的进一步优选，节流管汇与气液分离器相连接的管线上安装第二压力计。
作为本发明的进一步优选，所述气液分离器底部的管线上安装放空阀。
作为本发明的进一步优选，稳压储气罐、液体流量计、第一压力计、第二压力计和变压吸附制氮机均与控制系统相连接。
作为本发明的进一步优选，节流管汇通过螺纹与混气重泥浆入流管线的外壁连接，变角度喷嘴通过螺纹与混气重泥浆入流管线的内壁连接，且变角度喷嘴与混气重泥浆入流管线连接后，二者端部基本持平。
作为本发明的进一步优选，所述变角度喷嘴控制混气重泥浆的射入角度范围为0°-60°。
作为本发明的进一步优选，所述变角度喷嘴控制混气重泥浆的射入角度为0°、15°、30°、45°、60°。
一种三高油气井节流阀抗冲蚀性能实验方法，采用上述的实验装置，具体包括以下步骤：
(1)设定冲蚀流体物化参数、冲蚀压力、冲蚀排量、流体入射角、节流阀开度等实验参数；
(2)根据实验目标区块的钻井现状，配制相应的实验钻井液并放置在储浆罐中并打开搅拌器，安装电加热套到储浆罐外并调节到实验指定温度对钻井液进行加热；
(3)选用实验所需的节流阀及变角度喷嘴，并将其连接在混气重泥浆入流管线上；
(4)将其它所有实验部件连入实验装置中，关闭所有阀门，并检查实验装置整体流程的气密性；
(5)将节流阀开度设定为实验要求，随后打开气体泵送流程和钻井液泵送流程的阀门，首先开启小排量并观察冲蚀流体在节流阀及节流管汇中的通过情况；
(6)随后根据实验要求的排量开启泥浆泵和气体减压阀，使混合流体对节流阀及节流管汇进行冲蚀，并通过第一压力计、第二压力计实时记录节流管汇两端的压差；
(7)开启缓冲罐的阀门，并开启回浆泵；
(8)实验结束后，关闭泥浆泵和气体减压阀；
(9)将节流阀拆卸下来，进行冲蚀损坏的原因分析，并对冲蚀部位拍下高清照片；
(10)实验结束。
本发明的有益效果是，
1、可以准确、直观地模拟混气重泥浆条件下实施节流压井对节流阀及节流管汇的冲蚀作用，评价节流阀可靠性、耐冲蚀性以及对井控技术工艺要求的符合性、适应性；
2、实现纯液相、气固两相、气液固三相作为冲蚀流体的冲蚀模拟实验，评价多种井况条件下节流阀的抗冲蚀性能；
3、本发明实现了对节流阀进行整体性冲蚀试验，并可系统研究得到节流阀开度、高压流体入射角、冲蚀流体压力及排量等因素对节流阀抗冲蚀性能影响程度，为节流压井施工过程中节流阀的优化改进提供依据，保证三高井安全、快速钻井的需要。
附图说明
图1为本发明中的实验装置结构示意图；
图2为本发明中的变角度冲蚀喷嘴结构示意图；
图3为本发明中的实验方法流程示意图。
其中，1-储浆罐；2-泥浆泵；3-气液分离器；4-缓冲罐；5-回浆泵；6-控制系统；7-变压吸附制氮机；8-稳压储气罐；9-气体减压阀；10-气体流量计；11-单向阀；12-液体流量计；13-三相混合器；14-第一压力计；15-泄压三通阀；16-节流阀；17-节流管汇；18-第二压力计；19-放空阀；20-搅拌器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种三高油气井节流阀抗冲蚀性能实验装置，包括变压吸附制氮机7、稳压储气罐8、储浆罐1、三相混合器13、节流阀16和缓冲罐4，变压吸附制氮机7的出气端与稳压储气罐8的底部相连接，稳压储气罐8顶部通过管线与三相混合器13相连接，储浆罐1的底部通过管线与泥浆泵2的入口端相连接，泥浆泵2的出口端通过管线与三相混合器13相连接，三相混合器13还与节流阀16的一端相连接，节流阀16的另一端与节流管汇17的一端相连接，节流管汇17的另一端与气液分离器3的顶部相连接，气液分离器3的侧出线还与缓冲罐4的顶部相连接，缓冲罐4的底部通过管线连接至回浆泵5的入口，回浆泵5的出口通过管线与储浆罐1的顶部连接，在气液分离器3中分离后气相直接放空，液相通过泥浆回流管线返回至储浆罐1。
特别的，在泥浆泵2的出口与三相混合器13相连接的管线上设置液体流量计12，用于测量泥浆泵2泵出泥浆流量大小。
特别的，在稳压储气罐8与三相混合器13相连接的管线上设置有气体减压阀9、气体流量计10和单向阀11，气体减压阀9用于对稳压储气罐8中排出的氮气进行压力调节，气体流量计10用于测量氮气流量大小，单向阀11防止气体向储气罐中回流。
特别的，三相混合器13与节流阀16之间安装有第一压力计14和泄压三通阀15，便于管线堵塞导致管线异常憋压情况下进行泄压，防止出现安全事故。
特别的，节流管汇17与气液分离器3相连接的管线上安装第二压力计18，第二压力计18用于测量节流管汇17的出口压力，第一压力计14用于测量节流管汇17的进口压力。
特别的，气液分离器3底部的管线上安装放空阀19，用于放空分离后的气体。
特别的，稳压储气罐8、液体流量计12、第一压力计14、第二压力计18和变压吸附制氮机7均与控制系统6相连接，控制系统6用于控制调控各流量、压力数据。
特别的，节流管汇17通过螺纹与混气重泥浆入流管线的外壁连接，变角度喷嘴通过螺纹与混气重泥浆入流管线的内壁连接，且变角度喷嘴与混气重泥浆入流管线连接后，二者端部基本持平。
特别的，变角度喷嘴控制混气重泥浆的射入角度为0°、15°、30°、45°、60°，如图2所示，可以实现不同角度冲蚀试验，便于研究高压流体入射角对节流阀16抗冲蚀性能影响程度。
气井进行现场节流压井施工过程中，地层气体涌入钻具并携带钻井液涌入节流管汇17，直接对节流阀16进行冲蚀，由于三高气藏储层气体中含有高浓度的硫化氢，容易在实验过程中造成实验人员伤亡，因此使用氮气进行替代。
该装置中，可以实现向节流阀16中注入一定流量的钻井液和氮气的混合物，来模拟混气重泥浆条件进行动态模拟实验。
变压吸附制氮机7的主要作用是提供与钻井液混合的高压氮气，实验所用氮气由变压吸附制氮机7产出后充入稳压储气罐8，并通过开启调节气体减压阀9使气体按照一定流量输出，并通过气体流量计10对输出气体流量进行实时监测，单向阀11的作用是防止钻井液反流进入气相泵送流程。
储浆罐1的主要作用是提供实验过程中用于对节流阀16进行冲蚀的钻井液，由于气井多为高温储层，为模拟地层高温，在储浆罐1外包裹电加热套(加热温度30～300℃)，实验前将配置好的钻井液进行预热，泥浆泵2出口管路与稳压储气罐8出口管路共同汇入三相混合器13入口，三相混合器13用于将钻井液和氮气混合后注入变角度节流阀16冲蚀模拟模块，进行节流阀16抗冲蚀性能评价实验。
实验过程中，所使用的钻井液采用目标区块实际钻井过程中的钻井液配方进行配制；通过三相混合器13的钻井液、氮气混合物，通过喷嘴直接对节流阀16及节流管汇17进行冲蚀，通过进进出口处的第一压力计14、第二压力计18实时记录节流管汇17两端压差，并进行节流阀16冲蚀失效判断；通过节流阀16的混气重泥浆进入气液分离器3分离，分离出的气体通过放空阀19直接排放，分离出的液相(钻井液)通过管线排放至缓冲罐4，并通过回浆泵5将钻井液反排回到储浆罐1中。
实施例1
如图3所示，一种三高油气井节流阀16抗冲蚀性能实验方法，采用上述的实验装置，具体包括以下步骤：
(1)设定冲蚀流体物化参数、冲蚀压力、冲蚀排量、流体入射角、节流阀16开度等实验参数；以西南地区某气井为例，结合上述实验装置，设定实验参数为：钻井液密度1.8g/cm3、PH值11、粘度48mPa.s、固相含量35％、含砂量0.20％；氮气排量2.2Nm3/min；泥浆和氮气的混合比在1:15；流体入射角分别设定为15°；
(2)根据实验目标区块的钻井现状，配制相应的实验钻井液并放置在储浆罐1中并打开搅拌器20，安装电加热套到储浆罐1外并调节到实验指定温度对钻井液进行加热；
(3)选用实验所需的节流阀16及变角度喷嘴，并将其连接在混气重泥浆入流管线上；
(4)将其它所有实验部件连入实验装置中，关闭所有阀门，并检查实验装置整体流程的气密性；
(5)将节流阀16开度设定为实验要求，随后打开气体泵送流程和钻井液泵送流程的阀门，首先开启小排量并观察冲蚀流体在节流阀16及节流管汇17中的通过情况；
(6)随后根据实验要求的排量开启泥浆泵2和气体减压阀9，使混合流体对节流阀16及节流管汇17进行冲蚀，并通过第一压力计14、第二压力计18实时记录节流管汇17两端的压差；
(7)开启缓冲罐4的阀门，并开启回浆泵5；
(8)实验结束后，关闭泥浆泵2和气体减压阀9；
(9)将节流阀16拆卸下来，进行冲蚀损坏的原因分析，并对冲蚀部位拍下高清照片；
(10)实验结束。
实施例2
如图3所示，一种三高油气井节流阀16抗冲蚀性能实验方法，采用上述的实验装置，具体包括以下步骤：
(1)设定冲蚀流体物化参数、冲蚀压力、冲蚀排量、流体入射角、节流阀16开度等实验参数；以西南地区某气井为例，结合上述实验装置，设定实验参数为：钻井液密度1.8g/cm3、PH值11、粘度48mPa.s、固相含量35％、含砂量0.20％；氮气排量2.2Nm3/min；泥浆和氮气的混合比在1:15；流体入射角分别设定为30°；
(2)根据实验目标区块的钻井现状，配制相应的实验钻井液并放置在储浆罐1中并打开搅拌器20，安装电加热套到储浆罐1外并调节到实验指定温度对钻井液进行加热；
(3)选用实验所需的节流阀16及变角度喷嘴，并将其连接在混气重泥浆入流管线上；
(4)将其它所有实验部件连入实验装置中，关闭所有阀门，并检查实验装置整体流程的气密性；
(5)将节流阀16开度设定为实验要求，随后打开气体泵送流程和钻井液泵送流程的阀门，首先开启小排量并观察冲蚀流体在节流阀16及节流管汇17中的通过情况；
(6)随后根据实验要求的排量开启泥浆泵2和气体减压阀9，使混合流体对节流阀16及节流管汇17进行冲蚀，并通过第一压力计14、第二压力计18实时记录节流管汇17两端的压差；
(7)开启缓冲罐4的阀门，并开启回浆泵5；
(8)实验结束后，关闭泥浆泵2和气体减压阀9；
(9)将节流阀16拆卸下来，进行冲蚀损坏的原因分析，并对冲蚀部位拍下高清照片；
(10)实验结束。
实施例3
如图3所示，一种三高油气井节流阀16抗冲蚀性能实验方法，采用上述的实验装置，具体包括以下步骤：
(1)设定冲蚀流体物化参数、冲蚀压力、冲蚀排量、流体入射角、节流阀16开度等实验参数；以西南地区某气井为例，结合上述实验装置，设定实验参数为：钻井液密度1.8g/cm3、PH值11、粘度48mPa.s、固相含量35％、含砂量0.20％；氮气排量2.2Nm3/min；泥浆和氮气的混合比在1:15；流体入射角分别设定为60°；
(2)根据实验目标区块的钻井现状，配制相应的实验钻井液并放置在储浆罐1中并打开搅拌器20，安装电加热套到储浆罐1外并调节到实验指定温度对钻井液进行加热；
(3)选用实验所需的节流阀16及变角度喷嘴，并将其连接在混气重泥浆入流管线上；
(4)将其它所有实验部件连入实验装置中，关闭所有阀门，并检查实验装置整体流程的气密性；
(5)将节流阀16开度设定为实验要求，随后打开气体泵送流程和钻井液泵送流程的阀门，首先开启小排量并观察冲蚀流体在节流阀16及节流管汇17中的通过情况；
(6)随后根据实验要求的排量开启泥浆泵2和气体减压阀9，使混合流体对节流阀16及节流管汇17进行冲蚀，并通过第一压力计14、第二压力计18实时记录节流管汇17两端的压差；
(7)开启缓冲罐4的阀门，并开启回浆泵5；
(8)实验结束后，关闭泥浆泵2和气体减压阀9；
(9)将节流阀16拆卸下来，进行冲蚀损坏的原因分析，并对冲蚀部位拍下高清照片；
(10)实验结束。
本实验装置的创新性主要在于：
1.国内目前几乎没有针对全尺寸的节流阀16进行冲蚀研究的实验装置，都是采用挂片单点冲蚀的方法，整体性节流阀16冲蚀实验对现场的指导意义更大。
2.可以实现不同角度冲蚀试验。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种三高油气井节流阀抗冲蚀性能实验装置，其特征在于，包括相连接的高压流体泵送部分、变角度节流阀冲蚀模拟部分和泥浆回收部分。
2.如权利要求1所述的一种三高油气井节流阀抗冲蚀性能实验装置，其特征在于，所述高压泵送部分包括稳压储气罐、变压吸附制氮机，其中变压吸附制氮机与稳压储气罐的底部连接，稳压储气罐与三相混合器连接。
3.如权利要求1所述的一种三高油气井节流阀抗冲蚀性能实验装置，其特征在于，所述泥浆回收部分包括泥浆泵，储浆罐与泥浆泵连接，泥浆泵与三相混合器相连接，气液分离器还与缓冲罐连接，缓冲罐连接至回浆泵的入口，回浆泵的出口通过管线与储浆罐的顶部连接。
4.如权利要求1所述的一种三高油气井节流阀抗冲蚀性能实验装置，其特征在于，所述变角度节流阀冲蚀模拟部分包括节流阀和节流管汇，三相混合器出口与节流阀的一端连接，节流阀的另一端与节流管汇的一端连接，节流管汇的另一端与气液分离器连接。
5.如权利要求3所述的一种三高油气井节流阀抗冲蚀性能实验装置，其特征在于，在所述泥浆泵的出口与三相混合器相连接的管线上设置液体流量计；在稳压储气罐与所述三相混合器相连接的管线上设置有气体减压阀、气体流量计和单向阀。
6.如权利要求4所述的一种三高油气井节流阀抗冲蚀性能实验装置，其特征在于，所述三相混合器与节流阀之间安装有第一压力计和泄压三通阀。
7.如权利要求4所述的一种三高油气井节流阀抗冲蚀性能实验装置，其特征在于，节流管汇与气液分离器相连接的管线上安装第二压力计。
8.如权利要求7所述的一种三高油气井节流阀抗冲蚀性能实验装置，其特征在于，所述气液分离器底部的管线上安装放空阀。
9.如权利要求5所述的一种三高油气井节流阀抗冲蚀性能实验装置，其特征在于，稳压储气罐、液体流量计、第一压力计、第二压力计和变压吸附制氮机均与控制系统相连接。
10.如权利要求4所述的一种三高油气井节流阀抗冲蚀性能实验装置，其特征在于，节流管汇通过螺纹与混气重泥浆入流管线的外壁连接，变角度喷嘴通过螺纹与混气重泥浆入流管线的内壁连接，且变角度喷嘴与混气重泥浆入流管线连接后，二者端部基本持平。
11.如权利要求10所述的一种三高油气井节流阀抗冲蚀性能实验装置，其特征在于，所述变角度喷嘴控制混气重泥浆的射入角度范围为0°-60°。
12.如权利要求11所述的一种三高油气井节流阀抗冲蚀性能实验装置，其特征在于，所述变角度喷嘴控制混气重泥浆的射入角度为0°、15°、30°、45°、60°。
13.一种三高油气井节流阀抗冲蚀性能实验方法，采用如权利要求1-12中任一所述的实验装置，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)设定冲蚀流体物化参数、冲蚀压力、冲蚀排量、流体入射角、节流阀开度等实验参数；
(2)根据实验目标区块的钻井现状，配制相应的实验钻井液并放置在储浆罐中并打开搅拌器，安装电加热套到储浆罐外并调节到实验指定温度对钻井液进行加热；
(3)选用实验所需的节流阀及变角度喷嘴，并将其连接在混气重泥浆入流管线上；
(4)将其它所有实验部件连入实验装置中，关闭所有阀门，并检查实验装置整体流程的气密性；
(5)将节流阀开度设定为实验要求，随后打开气体泵送流程和钻井液泵送流程的阀门，首先开启小排量并观察冲蚀流体在节流阀及节流管汇中的通过情况；
(6)随后根据实验要求的排量开启泥浆泵和气体减压阀，使混合流体对节流阀及节流管汇进行冲蚀，并通过第一压力计、第二压力计实时记录节流管汇两端的压差；
(7)开启缓冲罐的阀门，并开启回浆泵；
(8)实验结束后，关闭泥浆泵和气体减压阀；
(9)将节流阀拆卸下来，进行冲蚀损坏的原因分析，并对冲蚀部位拍下高清照片；
(10)实验结束。
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