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地面计量作业中测试流程设备防冲蚀机理探讨陈涛贺存福苏存元新疆试油公司测试分公司在高产气井在排液期间,随着测试管柱内液垫的减少,天然气含量逐渐增多,井口压力上升,油嘴前后压差增大,固体、液体和气体混合物的流速越来越快,油嘴及地面设备面临严峻的考验,这是高压高产气井测试过程中非常危险的阶段,稍有不慎,可能会造成非常严重的后果。因为在这期间随着高速流动的天然气和固体、液体颗粒的混合流体进入测试管道,形成高速含砂射流,它对地面试油流程的管道及其附件(油嘴、弯头、阀门、堵头等)形成非常严重的冲蚀和磨蚀破坏及其附件造成非常严重的破坏。据现场资料显示,在排液期间,设备刺坏的情况时有发生。在XX井30min排液期内,油压40.0—45.0MPa,地面针阀刺坏了6个;极端情况下,仅两分钟就将管件刺穿,使流体流动方向失控,造成周围环境严重污染,同时从安全角度考虑,天然气的泄漏也直接威胁人身及设备安全,现场频繁地更换被损坏管件,也增加工人的劳动强度和不安全隐患。为此,研究排液控制技术对于安全测试非常重要。1地面流程冲蚀分析1.1产生冲蚀损害的主要因素高压高产气井在排液和求产期间,由于地面采用油嘴控制回压,因此,测试管柱及地面高压管线中的流体流速很低,短期内对管线的冲蚀损害较小。而油嘴管汇以后低压区的流动速度极高,对管线和设备的短期冲蚀损害很大。当固体颗粒以极高的速度并以一定的方式集中作用于设备的某一部位时,如同喷砂切割一般,该部位就面临着损害。所以,固体颗粒、流动速度和流动方式是造成测试地面设备损害的三大关键因素。1.1.1固体颗粒固体颗粒来源于两方面,一方面来源于井筒,即未被完全替出的井底泥浆或低比重固相测试液垫,以及射孔产生的铁屑;另一方面是来源于储层的固体颗粒,即地层砂及钻井或固井期间漏失的泥浆或水泥。1.1.2流动速度颗粒的运动速度越快,产生的冲蚀作用越大。压差越大,流速越高。含有固体颗粒的流体经油嘴节流后的速度比高压区的流速高出几倍甚至几十倍。在从几十兆帕到一个大气压流动过程中,压力以近似台阶的方式下降,流速则以类似的方式上升。1.1.3流动方式当固体颗粒以很高的速度在直管线中运动时,虽然流动过程中较小的线性压降(或磨阻)会产生一定的膨胀作用并影响到流动形态,但这种微小的变化并不足以对管体产生明显的损害。而经过油嘴或弯头时,流动方式发生了很大变化。1.2地面流程管道损坏机理分析从分析有关的资料可以看出,地面试油测试流程中管件损坏是因高速流体中含固相造成的,其损坏的主要原因是由于高速砂粒对管件的磨蚀、冲蚀作用。磨蚀、冲蚀过程是个复杂现象,它与很多因素有关。如流体速度、流体粘度、液体密度;固相粒大小、故乡粒密度、形状和产出率;管道尺寸及几何形状。要想分别研究每个参数的影响极其困难。下面对此机理进行简单分析。1.2.1水平直管的磨蚀M.C.RoCo和T.Cader在这方面对混合液管线的磨蚀情况进行过研究。固体颗粒在气相介质中输送时,有以下几种状态:离散悬浮或成团悬浮;滑动或滚动;在管底跳跃。携带液可以是层流或紊流,它对固体颗粒的脉动速度有滞留影响,在实际工况中,往往是紊流情况居多。磨蚀机理对固体颗粒来讲是随机过程,固体颗粒对管壁相互作用和管材磨蚀也都有随机的性质。其机理有以下几类,管道在一种或几种机理共同作用下被磨蚀。1)随机冲击。这是由于固体颗粒从任意方向对管壁的碰撞(图1-1),直管段中粒子紊流速度的脉动主要由固液间和颗粒间的相互作用引起。(2)磨擦。这是由于固体颗粒相互接触引起的(图1-2),当流型为滑移床层时,以及悬浮速度接近临界沉积速度时,都是这种机理在起作用。(3)定向冲击。这是由于颗粒和液体间平均的分离速度引起的(图1-3)。这种机理对于非均匀管流段,如弯头、连接,或当大量颗粒在直管段跳跃运移时也有相似的磨损机理。水平直管的磨损可用能量的方法把三种类型间机械作用耗散的能量和磨损率结合起来,其总量包括三部分:ΔS=ΔSk+ΔSfr+ΔSv(1-1)式中:ΔS为总磨损率(单位时间壁厚的减少),m/h;ΔSk为由粒子动能引起的磨损率(随机速度脉动),m/h;ΔSfr为摩擦引起的磨损率(滚动和滑动的粒子),m/h;图1-1图1-2图1-3ΔSv为直接冲击引起的磨损率,m/h。三种典型磨损类型在水平直管里的磨损率分布取决于截面的两相流流态。1.2.2管道形状变化对颗粒磨蚀的影响据S.Nesic、J.Postlethwaitte和W.Blatt、E.Heitz的研究结果有如下结论:(1)管道内流线在径缩前出现较大曲率,与此同时在拐角处发生回旋涡流。在径扩后,主流与管壁分离,在下游某处重新附壁从而造成扩径后拐角处出现一个很大的回流区。(2)扩径后的水力状态为三个区:刚扩径后的二次回流区内粒子缓慢流动;扩径后下游3D(D为管道直径)处的流动再附壁伴随强烈的扰流脉动;扩径下游5D以上的管道流动。(3)在近壁区,径向脉动速度大于平均速度的两倍。死水区内的回流区域,近附壁区速度为零和无扰动流区速度值较大。径向和轴向紊流脉动有最大值在X/D=2处(X为扩径后下游轴向距离)。1.2.3现场具体列举事例分析如下1)经过油嘴(如图1-4)。混合流体经过油嘴后会产生两种作用,一是喇叭状接触管壁的部位A;二是喇叭状的高速流在油嘴出口外侧产生的超真空部位B。处于A部位的颗粒在受到管壁影响改变运动方向的过程中,会产生作用力F,。正是由于该力的集中作用,造成管体刺坏。克拉2-4井油嘴管汇本体刺伤就说明了这一点。处于B部位的颗粒在高速流的作用下,可能产生逆时针涡流作用。这种作用将导致管汇本体或油嘴外部刺坏。克拉205井油嘴从外部刺坏就证实了这一推断。2)经过弯头(图1-5)。低压区混合高速流体在经过弯头时会改变流动方向并产生微小的局部压力升高,这种压力升高对管线几乎没有影响。而当固体颗粒沿着弯头的内切线方向运动时,会产生作用力F1,也正是由于该力的集中作用,使弯头很容易被刺穿。在测试现场有放喷管线弯头刺穿和分离器出口弯头两次被刺穿,以及作业后分离器内部部分弯头在探伤后发现被刺严重的事实均证实了这一点。图1-43)节流嘴上游高压区。节流嘴上游即采气井口至地面管汇台这一段,经测试完后现场拆开检查发现,在管道和管汇台,其内壁受到磨损,但不严重。经分析,是它受三种磨损机理作用,但主要是摩擦磨蚀作用造成的。因为在这一段压力高,流体流速慢以及高密度差(砂粒与天然气密度差),导致砂粒沉积速度大于悬浮速度,砂粒相互接触,呈滑动状态被输送,使其流型成为滑移床层,与管道及管汇内壁发生摩擦,产生磨蚀损坏。4)节流嘴下游低压区在节流油嘴及其下游弯头处,油嘴、油嘴套、丝堵及其弯管受损严重,这主要是受磨蚀、冲蚀作用和管道几何形状及方向发生变化的影响。在流体及固相颗粒流经油嘴时,管流通径变小(相当于径缩),流体及固相颗粒在油嘴处形成很大的回旋涡流,从而对油嘴产生很强的磨蚀作用。流体及固相颗粒流过油嘴后(相当于径扩),在油嘴套及丝堵近壁区产生强烈的扰流脉动,其扰流速度很大,从而对油嘴套及丝堵产生很强的磨蚀作用,同时,在油嘴套丝堵及放喷出口弯管处,由于流体流速方向的改变,固相颗粒不能及时随流体改变方向,产生分离,使砂粒高速冲击管壁和堵头,致使其破坏,属于典型的冲蚀破坏。2减缓地面流程冲蚀破坏的措施2.1采用除砂器新疆测试公司引进除砂器以来,对于控制冲蚀,保护地面测试流程,起到了积极的作用。针对嘴上游流速慢、砂粒与天然气密度较大的特点,在此段地面流程中安装除砂器装置,采用重力分离的原理,使大部分固相颗粒从流体中靠自身重力沉淀分离和滤网过滤出来,降低油嘴及管道流体中砂粒含量,减少对油嘴及管道的磨蚀。延长抗磨蚀时间。在沉砂滤网内可以收图1-5集95%以上的固相颗粒。2.2使用更耐磨材料和优化设计结构降低油嘴、堵头等的磨蚀。现在现场上使用的均为炭化钨油嘴,油嘴芯有陶瓷材质,有时损坏也比较严重,现场使用发现油嘴后面,容易刺坏,这与油嘴冲击角有一定关系。Hatchings的实验得出金刚石和立方体氮化硼等硬度很高的材料,比普通材料更为抗磨的结论,但成本极为昂贵。通过采用硬质合金材料并优化设计油嘴及堵头等管件的结构,改变其冲击角,可大大减少损坏,延长磨损时间,延长使用寿命。2.3采用堵塞三通代替弯头如图2-1所示。堵塞三通有一段缓冲管,流体流动后缓冲管内将冲满液体,固相颗粒随流体改变流动方向时,可通过缓冲管消耗掉砂粒的大部分冲击动能,从而减小固相颗粒对堵头和管壁的冲蚀破坏。2.4尽量减少固相颗粒降低井筒内的固体颗粒。采用无固相泥浆作为完井泥浆;采用无固相测试液垫;尽量减少测试阀以下的固相泥浆。尽量减少储层排出的固相颗粒。钻井或固井期间漏失的泥浆或水泥浆不可避免的要被排出,对疏松地层可通过控制生产压差减少地层出砂。2.5控制流速采用地面多级节流油嘴系统技术,可控制流速,减少管线、阀门的损坏。在专用排液流程安装多个油嘴,并间隔一定距离,压力呈台阶型逐渐下降,次一级油嘴产生的回压有助于降低上一级油嘴后面的流速,并有助于减小出现真空并形成涡流的可能性,从而保护了上一级油嘴。当然,末端的油嘴由于其较大的压差和很高的流速仍可能被刺,但上一级油嘴可在相当程度上替代它的作用。总之,在高产气井排液期间,尽量减少流体中的固相含量、降低流动速度并采用合适图2-1堵塞三通示意图的流动方式将有助于降低或避免地面设备的损害和风险。同时采用多级节流降压排液或线性降压排液将有助于降低排液风险。在流程设备选择上采用可改变流动方式合适的接头,尽量避免高速颗粒对设备某部位的集中作用。
本文标题:地面计量作业中测试流程设备防冲蚀机理探讨
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