控制壓力鉆井用節(jié)流閥的研制

朱煥剛 楊德京 陳永明 康 波 曹 強 李建成

（勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營 257017）

控制壓力鉆井技術(shù)在國內(nèi)外日益得到重視，已成為鉆井熱點技術(shù)之一。2005 年，IADC 和SPE 曾專門召開欠平衡作業(yè)（UBO）和控制壓力鉆井（MPD）專題會議進行研討，并為之做了定義：控制壓力鉆井技術(shù)是一種能夠更加精確地控制井眼環(huán)空壓力剖面的改進鉆井程序，其目的是確定井下壓力窗口并以此為依據(jù)進行環(huán)空壓力控制［1］。控制壓力鉆井技術(shù)利用閉式鉆井循環(huán)系統(tǒng)、專用節(jié)流管匯、監(jiān)測控制系統(tǒng)、鉆具止回閥以及其他一些可選裝備和技術(shù)來精確控制整個井眼的環(huán)空壓力剖面，提高井眼控制能力。

控制壓力鉆井過程中，節(jié)流閥始終控制井口返出的鉆井液，把套壓值控制在設(shè)計范圍內(nèi)，節(jié)流閥是連續(xù)帶壓工作的。與常規(guī)鉆井井控作業(yè)相比，其工作時間更長，對節(jié)流閥的工作可靠性、使用壽命、現(xiàn)場的可維護性、防止巖屑堵塞以及壓力控制的精確性都提出了更高的要求。因此，節(jié)流閥作為控制壓力鉆井最終執(zhí)行機構(gòu)，以及控壓鉆井的關(guān)鍵設(shè)備之一，必須針對控制壓力鉆井的工作環(huán)境和要求研制一種控制壓力鉆井用節(jié)流閥。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

節(jié)流閥的主要特性取決于閥芯與閥座，所以按照閥芯與閥座的結(jié)構(gòu)分類，主要有針形、筒形、篩孔結(jié)構(gòu)（籠式）、太極圖（孔板式）結(jié)構(gòu)以及楔形結(jié)構(gòu)。節(jié)流閥的執(zhí)行機構(gòu)主要有手輪驅(qū)動、液缸、液壓馬達（配套蝸輪蝸桿）以及電動缸4 種形式。

1.1 國外研究狀況

國外研究和制造控壓鉆井用節(jié)流閥的廠家主要有3 家，其產(chǎn)品特點如下：

（1）美國Power Well Services 公司的Power Choke SC 系列節(jié)流閥。閥芯為改進的筒形結(jié)構(gòu)，其壓力平衡型結(jié)構(gòu)可以使得節(jié)流閥控制變得更加平滑；氣動液壓泵提供液壓源驅(qū)動液壓馬達（或者直接利用電動馬達）經(jīng)過蝸輪蝸桿傳動裝置，對節(jié)流閥閥芯進行控制，在蝸輪蝸桿傳動裝置上還并聯(lián)了手動裝置；為了滿足節(jié)流閥的連續(xù)精確控制，液壓馬達的額定起停泵次數(shù)可以達到1 200～3 000 次/h。

節(jié)流閥的壓力等級為35 MPa、70 MPa、105 MPa和140 MPa ；節(jié)流通徑為50.8 mm 和76.2 mm［2］。

（2） 美國T3 能源服務(wù)有限公司的HXE 系列節(jié)流閥。專門為極端環(huán)境設(shè)計的，閥芯為改進筒形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計獨特，可實現(xiàn)精細節(jié)流控制； 閥芯表面噴涂硬質(zhì)合金，可旋轉(zhuǎn)任意角度安裝，延長使用壽命；出口下游采用硬質(zhì)合金套，比行業(yè)中其他節(jié)流閥抗沖蝕能力強3～4 倍；入口及出口設(shè)計為法蘭短節(jié)，只需更換短節(jié)就可實現(xiàn)由壬或法蘭連接。

節(jié)流閥的壓力等級與Power Choke SC 系列相同，同一閥體可安裝38.1 mm、50.8 mm 和76.2 mm 閥芯。

（3）美國M-I SWACO 公司的Swaco SuperChoke節(jié)流閥。閥芯閥座是2 個重疊的硬質(zhì)合金圓盤，圓盤厚度31.8 mm，圓盤上有半月形的通孔。前端圓盤是固定的，通過旋轉(zhuǎn)后端圓盤來增大或者減小節(jié)流通徑，當2 個圓盤重合時，節(jié)流通徑略小于50.8 mm；氣動液壓泵驅(qū)動液壓油缸，液壓油缸帶動齒輪齒條驅(qū)動節(jié)流閥的閥桿旋轉(zhuǎn)。當氣源供應(yīng)不足時，可以通過手動泵來提供液壓源。當然，也可以通過杠杠來手動轉(zhuǎn)動閥桿［2］。

節(jié)流閥的壓力等級與HTX 系列相同，節(jié)流通徑都是50.8 mm。

（4）美國M-I SWACO 公司的Swaco AtuoChoke節(jié)流閥。AtuoChoke 與SuperChoke 是徹底不同的節(jié)流閥。AtuoChoke 內(nèi)部具有一個液壓驅(qū)動的硬質(zhì)合金材料的滑閥，滑閥帶動閥芯上下運動。液壓源的壓力作用在滑閥的一端，與另一端的井口壓力相平衡。正常運行過程中利用氣動液壓泵驅(qū)動，手動泵是備用泵。

節(jié)流閥的壓力等級為70 MPa；節(jié)流通徑都是76.2 mm［2］。

1.2 國內(nèi)研究狀況

國內(nèi)常規(guī)鉆井節(jié)流管匯一般配備的都是筒形節(jié)流閥或者楔形節(jié)流閥，節(jié)流閥的執(zhí)行機構(gòu)也都是手動或者液缸驅(qū)動。國內(nèi)對于井控節(jié)流閥的特性分析和失效分析不少，但是由于對控壓鉆井的研究起步較晚，還沒有專門針對控制壓力鉆井用節(jié)流閥的設(shè)計研究和生產(chǎn)。

2 節(jié)流閥的特性分析與比較

節(jié)流閥流量系數(shù)（Cv 值）反映節(jié)流閥對流體的流通能力［3］。針對節(jié)流通徑為50 mm 的筒形和楔形節(jié)流閥進行了室內(nèi)試驗和流體特性分析，其流量系數(shù)Cv 與閥位的關(guān)系如圖1 所示。圖中T3 HXE和POWERCHOKE SCB 兩種50 mm 節(jié)流通徑節(jié)流閥的Cv 數(shù)據(jù)都來自于各自公司的網(wǎng)站。

圖1 節(jié)流通徑為50 mm 的4 種節(jié)流閥的流量系數(shù)對比

通過對比圖1 中節(jié)流閥的流量系數(shù)以及常規(guī)筒形節(jié)流閥和楔形節(jié)流閥在現(xiàn)場的應(yīng)用情況，可以得到以下認識：

（1）常規(guī)的筒形節(jié)流閥和楔形節(jié)流閥在全開度時的流量系數(shù)較小，從而使得同等流量下，節(jié)流閥造成的背壓更大，一方面會使得節(jié)流閥的工作條件更加惡劣，降低節(jié)流閥的壽命；另一方面，當控制壓力鉆井需要井口背壓為零時，節(jié)流閥的所能適應(yīng)的流量范圍就變小，降低了節(jié)流閥適應(yīng)性。

（2）常規(guī)楔形節(jié)流閥相對于常規(guī)筒形節(jié)流閥和進口節(jié)流閥具有較好的線性（即流量不變時改變閥位，節(jié)流閥所形成背壓的變化情況）；常規(guī)楔形節(jié)流閥線性工作區(qū)為20%～100%，而常規(guī)筒形節(jié)流閥為50%～80%。

（3） 常規(guī)筒形節(jié)流閥閥芯是一懸臂梁的結(jié)構(gòu)，在高壓流體沖蝕過程中容易出現(xiàn)振動疲勞導致閥桿斷裂或者固定閥芯的螺栓脫落，造成憋壓。

（4）常規(guī)的筒形節(jié)流閥和楔形節(jié)流閥都是采用液缸驅(qū)動，液缸內(nèi)油壓的大小和方向的不斷改變使得節(jié)流閥的液缸密封提前損壞，容易導致液壓油的跑、冒、滴、漏等環(huán)境污染問題；而且液壓系統(tǒng)一旦失效缺少可以應(yīng)急操作的手動機構(gòu)。而國外控制壓力鉆井用節(jié)流閥的執(zhí)行器都是液壓馬達驅(qū)動蝸輪蝸桿和手動蝸輪蝸桿的組合結(jié)構(gòu)，一方面如果液壓系統(tǒng)失效，可以利用手動蝸輪蝸桿進行應(yīng)急操作；另一方面，由于液壓馬達的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬，從而細分了節(jié)流閥的行程，可以更加精確地進行閥位控制。

3 新型控制壓力鉆井用節(jié)流閥的研制

通過分析常規(guī)筒形節(jié)流閥、楔形節(jié)流閥以及進口節(jié)流閥的優(yōu)缺點，設(shè)計了一種新型的控制壓力鉆井用節(jié)流閥，如圖2 所示。新型節(jié)流閥的閥芯上端呈圓柱形，在圓柱形的閥芯下端對稱加工2 個節(jié)流斜面，節(jié)流斜面下部對稱加工2 個與閥芯圓柱端軸線平行的節(jié)流豎直面；閥桿與閥芯通過固定銷釘連接；閥蓋上安裝有針對閥桿的防轉(zhuǎn)銷釘；執(zhí)行器是液壓馬達帶動蝸輪蝸桿機構(gòu)、手動蝸輪蝸桿機構(gòu)或者兩者的組合機構(gòu)；閥芯和閥座襯套采用整體硬質(zhì)合金材料。通過流體計算軟件對新型節(jié)流閥進行了流場分析，其垂直于入口端的截面的速度矢量分布圖如圖3 所示，其流量系數(shù)Cv 與進口節(jié)流閥的比較如圖4 所示。

圖2 新型控制壓力鉆井用節(jié)流閥

圖3 新型控制壓力鉆井用節(jié)流閥速度矢量圖

圖4 新型控制壓力鉆井用節(jié)流閥與進口節(jié)流閥流量系數(shù)對比圖

通過新型控制壓力鉆井用節(jié)流閥的分析可以看出：

（1）新型節(jié)流閥在全開度時流量系數(shù)達到了進口節(jié)流閥的水平，流通能力得到提高，降低了節(jié)流閥在大排量時的背壓，擴大了控制壓力鉆井節(jié)流管匯的適用范圍。

（2）新型節(jié)流閥調(diào)節(jié)過程中，壓力和開度的線性更好，更加適用于精細壓力控制領(lǐng)域。

（3）新型節(jié)流閥的速度矢量分布圖可以看出，流體經(jīng)過對稱的節(jié)流面后相互碰撞，降低了流體對閥座襯套的沖蝕磨損；新型節(jié)流閥閥芯和閥座襯套采用整體硬質(zhì)合金材料增加了節(jié)流閥的耐磨性；閥芯始終貼靠在閥座上降低了閥芯和閥桿的振動疲勞。

（4）新型節(jié)流閥的執(zhí)行器采用了液壓馬達和手輪共同帶動蝸輪蝸桿的復合機構(gòu)，該機構(gòu)具有自鎖功能、慣性小、無空行程，閥位開關(guān)迅速有助于快速和精確的閥位控制；手動蝸輪蝸桿機構(gòu)還可以作為液壓系統(tǒng)失效情況下輔助操作手段。

4 結(jié)論

（1）節(jié)流閥的技術(shù)發(fā)展將會朝著節(jié)流特性精確平滑、閥體節(jié)流通徑大、執(zhí)行機構(gòu)反應(yīng)迅速、制動性好而且自身造成的延時小的方向發(fā)展。

（2） 新型控制壓力鉆井用節(jié)流閥的研制成功提高了控壓鉆井的節(jié)流控制效果，解決了鉆井中遇到的復雜問題，為油田勘探開發(fā)做出了積極的貢獻。

（3） 新型控制壓力鉆井用節(jié)流閥由于流通能力、抗堵塞能力以及耐沖蝕性強的優(yōu)點將會在精細壓力控制、鉆井井控以及油井測試等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ HANNEGAN D, RICHARD J, et al. MPD-uniquely applicable to methane hydrate drilling ［R］ . SPE/IADC 91560.

［2］ BILL Rehm, JEROME Schumbert, et al. Managed pressure drilling ［M］. Gulf Publishing Company, 2008∶ 236-240.

［3］ 張建業(yè)，伍藏原，黃蘭，等.異常高壓氣井井口節(jié)流閥開度控制方法研究［J］.石油鉆采工藝，2010，32（S0）：115-117.