目前海上油田采油井多采用潛油電泵進行生產(chǎn)，而放氣閥是生產(chǎn)管柱中不可或缺的井下工具之一。放氣閥一般安裝于電纜穿越封隔器位置的上方，使用時保持常開狀態(tài)，能夠排出井下環(huán)空中的氣體使環(huán)空液面始終保持在潛油電泵之上，從而防止電泵發(fā)生氣蝕、氣鎖，必要時也可以實現(xiàn)油套混采。放氣閥在渤海地區(qū)海上油田中的應(yīng)用效果最為理想，而在南海西部海上油田中，放氣閥內(nèi)部的密封頭和下接頭經(jīng)常發(fā)生沖蝕破壞，嚴重影響了油田的生產(chǎn)，其現(xiàn)場沖蝕結(jié)果如圖1所示。

圖1 密封頭和下接頭的沖蝕形貌

南海的作業(yè)環(huán)境與渤海有較大差異，如臺風(fēng)天氣多，為避臺風(fēng)，放氣閥需經(jīng)常關(guān)閉。同時，南海井普遍具有高溫高壓的特點，且井內(nèi)氣體具有一定的腐蝕性，這使得放氣閥的密封頭表面受到腐蝕，表面脫落，進而產(chǎn)生一定的間隙。氣體和液體會攜帶砂礫從間隙高速通過，對密封頭和下接頭造成一定的沖蝕，導(dǎo)致其性能發(fā)生變化，最終密封失效。

目前，在石油行業(yè)中有關(guān)沖蝕規(guī)律的研究大多集中于彎頭、彎管、鉆桿接頭外壁的沖蝕，而對于密封間隙沖蝕規(guī)律的研究較少。因此，中海油田服務(wù)股份有限公司完井中心的技術(shù)人員采用計算流體動力學(xué)（CFD）軟件Fluent建立放氣閥內(nèi)部流場模型，研究了密封間隙尺寸、上返排量、含砂量等因素單獨作用對密封頭和下接頭沖蝕的影響。

一、放氣閥組成及原理

目前使用比較成熟的井下放氣閥在結(jié)構(gòu)上大體類似，都是通過壓力驅(qū)動活塞克服彈簧預(yù)緊力，實現(xiàn)軸向往復(fù)運動，從而實現(xiàn)閥體的開啟和關(guān)閉，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 放氣閥結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)需要開啟放氣閥時，只需對液控管線打壓，液體通過放氣閥上的傳壓孔進入控制腔，推動活塞上行；活塞克服彈簧力帶動密封頭向上運動，直到到達上死點，此時下接頭內(nèi)部通道與環(huán)空連通，放氣閥被完全開啟。保持液控管線壓力，可使放氣閥持續(xù)處于全開狀態(tài)。當(dāng)需要關(guān)閉放氣閥時，只需卸掉液控管線壓力，活塞在彈簧力作用下下行至初始位置，此時密封頭緊密貼合在下接頭上，放氣閥恢復(fù)關(guān)閉狀態(tài)。

二、計算模型

放氣閥中的流體為攜砂上返液，在密封間隙中發(fā)生的沖蝕過程為固液兩相顆粒碰撞過程。在固液兩相湍流中，連續(xù)相（液相）為非牛頓流體，離散相（固相顆粒）為井下石英砂礫，作者在歐拉坐標(biāo)系下求解流體相的運動方程，并在拉格朗日坐標(biāo)系下應(yīng)用離散相模型（DPM）求解砂礫的運移軌道。

液相湍流采用標(biāo)準的k-ε模型描述。固相湍流采用隨機游走模型（DRW）描述。當(dāng)液體攜帶N個砂礫沖蝕鉆桿時，其沖蝕速率采用下式計算：

式中：Rero為沖蝕速率，kg/(m2·s)；N為最大砂礫數(shù)；mpn為顆粒的質(zhì)量流量，kg/s；C(dpn)為顆粒直徑的函數(shù)；f(α)為顆粒對壁面攻角α的函數(shù)，rad；b(vpn)為顆粒相對于壁面速度vpn的函數(shù)，m/s；Awall為放氣閥表面單位沖蝕面積，m2。

采用fluent軟件建立的CFD模型如圖3所示，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對二維模型進行劃分。依據(jù)南海潿洲區(qū)塊井況實際采集數(shù)據(jù)均值，設(shè)置邊界條件：入口處采用速度入口，出口處采用壓力出口，壁面取固壁邊界條件；質(zhì)量流量為2.445×10-4 kg/s，設(shè)定砂礫密度為2.6 g/cm3，顆粒直徑為0.1 mm，液相為水；密封間隙為0.5～1.7 mm，上返液排量為4～12 L/s，含砂量為0.03%～0.07%。

圖3 CFD幾何模型

三、模擬結(jié)果

在其他條件不變的情況下，改變單因素條件分析其對放氣閥沖蝕規(guī)律的影響。下面分別討論了密封間隙、上返排量、含砂量對沖蝕速率的影響，探究砂礫對放氣閥沖蝕的規(guī)律。

1、密封間隙的影響

在相同工況下，密封間隙的大小直接影響上返液體的速率。根據(jù)對井下放氣閥密封頭腐蝕間隙的實際測量，將密封間隙的范圍設(shè)定為0.5～1.7 mm，上返排量為6 L/s，含砂量為0.05%。按照0.3 mm間隔，改變密封頭與下接頭之間的密封間隙，使其分別為0.5、0.8、1.1、1.4、1.7 mm，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同密封間隙時密封頭和下接頭沖蝕速率的模擬結(jié)果

由圖4可見：在下接頭的端面以及密封頭端面和外側(cè)局部出現(xiàn)明顯的沖蝕，其中下接頭和密封頭外側(cè)局部沖蝕最為嚴重；隨著密封間隙的增大，密封頭外側(cè)的沖蝕逐漸消失，但密封頭和下接頭端面的沖蝕依舊存在。

對圖4中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行整理，并繪制成曲線，如圖5所示。分析可知：密封間隙越小，最大沖蝕速率和最大上返速率越大，顆粒的碰撞和沖擊越集中；當(dāng)密封間隙為0.5 mm時，最大沖蝕速率和最大上返速率分別是密封間隙為1.7 mm時的3.8倍和2.9倍。

圖5 密封間隙對最大沖蝕速率和最大上返速率的影響

通過圖1與圖4比對發(fā)現(xiàn)，在密封間隙較小情況下模擬得到的沖蝕更符合現(xiàn)場沖蝕結(jié)果。因此，對于發(fā)生腐蝕的井，其放氣閥應(yīng)該選擇耐腐蝕的材料，這有利于降低密封間隙產(chǎn)生的概率。

2、上返排量的影響

上返排量的大小將直接影響氣固兩相的上返速率。設(shè)定含砂量為0.05%，密封間隙為0.6 mm，隨著上返排量的增加，上返速率增大，顆粒的個數(shù)也會同比例增加。

根據(jù)作業(yè)井實際情況，設(shè)置上返液的排量分別為4、6、8、10、12 L/s，將模擬得到的結(jié)果進行整理，如圖6所示。

圖6 上返排量對最大沖蝕速率和最大上返速率的影響

在保證其他條件相同的情況下，上返排量越大，最大上返速率和最大沖蝕速率越大。由此可見，過大的上返排量會使放氣閥更容易發(fā)生失效，所以在實際工程中，可通過增加放氣閥開啟的頻率來減小環(huán)空的壓力，從而降低放氣閥關(guān)閉狀態(tài)下的上返排量，從而減少放氣閥的沖蝕。

3、含砂量的影響

放氣閥產(chǎn)生沖蝕的主要原因是高速上返液攜帶了砂礫，砂礫是主要的沖蝕介質(zhì)。在不考慮砂礫因碰撞而破裂的情況，含砂量直接與顆粒數(shù)量相關(guān)。含沙量越高，將會有更多顆粒與放氣閥內(nèi)部發(fā)生碰撞。

依照實測井況，設(shè)置含砂量分別為0.03%、0.04%、0.05%、0.06%、0.07%，密封間隙為1 mm，上返排量為6 L/s，整理后模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 含砂量對最大沖蝕速率和最大上返速率的影響

由圖7可見：隨著含砂量的增加，放氣閥最大沖蝕速率率增大；含砂量為0.07%時最大沖蝕速率是含砂量為0.03%時的3.3倍。由此可見，過大的含砂量會導(dǎo)致放氣閥的沖蝕速率急劇增大。因此，在生產(chǎn)條件允許的情況下，應(yīng)采取有效的防砂措施降低放氣閥的沖蝕速率。

四、結(jié)論

(1) 建立了與放氣閥實際工況相近的密封頭和下接頭沖蝕計算模型，模擬結(jié)果表明，在攜砂返排液的沖擊下，放氣閥密封頭端部、外側(cè)以及下接頭端部存在嚴重的沖蝕磨損，并且沖蝕的位置與現(xiàn)場相吻合。

(2) 密封間隙、上返排量和含砂量對放氣閥沖蝕速率有明顯影響：密封間隙越小，上返速率越大，沖蝕速率越大；上返排量與含砂量的增加同樣會加劇沖蝕。

(3) 為了降低該油田井下放氣閥發(fā)生沖蝕的概率，建議在放氣閥金屬密封部位選材時選用高硬度防腐蝕材料或涂層，減少因腐蝕而產(chǎn)生小型間隙的概率，同時增加放氣閥開啟的頻率以及加強防砂措施的實施。

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