控壓鉆井新型節流閥閥芯的設計及驗證

武存喜

（延安職業技術學院石油和化學工程系）

隨著石油和天然氣資源的日益枯竭，地層勘探變得越來越復雜，導致鉆井問題（如井涌、井漏及有害氣體泄漏等）不斷發生。 控壓鉆井技術是在欠平衡鉆井技術的基礎上發展起來的一種先進工藝技術，通過該技術可以把井底的壓力變化控制在一定范圍內，從而使鉆井周期縮短，鉆井成本降低。 該技術通過管理地表套管壓力，可以實現對整個鉆井、管道連接和脫扣過程的精確控制，已經成為解決鉆井問題的有效方法［1～3］。 節流閥是控壓鉆井技術中實現井口反壓精確控制的關鍵元件之一，通過調節節流閥的開度來形成不同的節流閥壓力，從而控制井底壓力［4，5］。 隨著控壓鉆井的發展，井口反壓控制的要求已由高壓差逐步轉變為高精度控制，對節流壓力與閥門開度變化的研究已成為核心問題。

作為調節控壓鉆井中節流壓力的主要組成部分，閥芯表面形狀直接關系到井口背壓控制的精度。 目前，常規鉆井中使用的閥芯包括針閥芯、氣缸閥芯和楔形閥芯， 對此已經進行了大量研究，并且形成了完善的理論體系。 由于控壓鉆井中使用的是節流閥，所以一些制造商建議在常規鉆孔中也使用節流閥從而在一定程度上節省成本，但是具有不同開度的節流閥壓力存在非線性關系，容易發生故障，導致無法滿足控壓鉆井的要求。 因此，有必要開發一種新型節流閥閥芯，使開度與壓降成線性關系，從而保證控壓鉆井作業操作系統對井底壓力調節的精確度和可操控性。筆者根據節流閥流量、壓差與過流面積的數學關系，采用曲線保羅的數學方法建立控壓鉆井節流閥閥芯輪廓線的數學模型， 繪制閥芯開度-壓差成線性關系的閥芯輪廓曲線，并對所建模型進行驗證。

1 節流閥閥芯

節流閥內部結構如圖1所示， 閥芯直接與鉆井液接觸并可以調節流量區域。 在某些特定工作條件（如固定的流量、密度和粘度）下，執行器通過更改閥芯的位置（開口尺寸）來定義流量區域，進而獲得理想的井口壓力。 在一定工作條件下，閥芯結構中的開孔尺寸與井口壓力密切相關，即一旦確定了閥芯的幾何結構，通常就可以確定一個節流閥的節流特性。

圖1 節流閥內部結構

氣缸閥芯是泥漿控壓鉆井中最穩定、應用最廣泛的閥芯之一。 在泥漿條件下，氣缸閥芯解決了針芯上端沖刷損壞、使用壽命短、籠套芯及孔板芯堵塞等問題，此外，氣缸閥芯的規則幾何形狀允許更好的加工性能和更簡單的裝配結構。 在這種情況下， 開發了一種控壓鉆井專用氣缸閥芯，且該閥芯已被廣泛使用［6～8］。 新閥芯的流量系數Cv在30%～70%開度范圍內成線性變化，但是新節流閥芯的L-Δp（其中，L為閥芯開度，Δp為閥門前后壓差）關系成非線性變化，即該閥芯無法滿足控壓鉆井的所有工作條件。 如果開發出具有LΔp線性關系的新型閥芯，則Cv將不再是控壓鉆井控制系統中用于計算理論壓降的唯一參數，因為理論壓降也可以直接從閥芯開度L計算出來。 因此， 還有另一個參考點可以進行精確的壓力控制，并且可以簡化控制系統。 在這種情況下，已有前人設計了一種新的閥芯，該閥芯在某些工作條件下滿足L-Δp線性關系。 盡管L-Δp線性關系已在數學計算和數值模擬中得到了驗證，但新閥芯的實際性能仍有待驗證。

控壓節流閥是一種開度-壓差節流閥， 閥芯輪廓應滿足如下關系：

其中，K、C為常數；Lmax為閥門的最大開度；Δpmax為閥門前后最大壓差。

式（1）表示閥門前后壓差和閥門開度成線性關系，這樣就保證了進行控壓鉆井作業時對井筒壓力調節的準確性和良好的操控性。

新閥芯的設計參數如下［9～11］：

密度 1 700kg/m3

流量Q 20L/s

直徑D 38.1mm

最大開度 28mm

最大節流壓力 10MPa

開區間 1mm

新閥芯L-Δp線性關系的理論廓線如圖2所示。

圖2 新閥芯L-Δp線性關系的理論廓線

為了驗證該設計的可行性，將節氣門壓力的模擬結果與設計值進行了比較。 結果顯示，在開度為0～18mm時節氣門壓力的模擬結果略小于設計值， 在開度為21～24mm之間時兩者幾乎相等，而在開度為27mm時則模擬結果略小于設計值。由于數值模擬的準確性受圖形像素等因素的影響，并且很難避免油門壓力在模擬值和設計值之間的小偏差，因此可以認為節氣門壓力模擬結果與設計值幾乎相同，驗證了閥芯設計的正確性。

2 實驗裝置

實驗裝置如圖3所示。 閥桿上安裝了精度在0.08%以內的位移傳感器， 用于檢測閥芯開度L。進口和出口處均安裝了精度在0.5%以內的壓力傳感器，用于檢測壓差Δp。 由于流體的高速運動和雜質的存在，選擇精度在0.5%以內的電磁流量計來檢測實際流量QA，以得到不同流量下的實際L-Δp關系。

為了盡可能提高控制精度，使用由液壓馬達驅動的蝸桿和蝸輪作為執行器。 由于柱塞泵的輸出具有明顯且規則的波動，同時為了避免由于信號不同步而導致的誤差，對數據采集卡進行同步以采集壓力、流量和位移數據［12，13］。 另外，在水箱中安裝了攪拌裝置，通過向水箱中加入氯化鈣和粘土來增加流體密度，以使液體保持均勻。 實驗中使用的閥芯已通過三維坐標測量機進行了測量，以驗證實際尺寸和理論尺寸的一致性。

同時，為了消除由于沉淀引起的誤差，需在實驗開始之前重新測試水箱中的流體密度，并使泵運行5min，以減少管道中的氣體含量。 在此過程中，可以通過調節液壓站和板閥來檢查傳感器的工作狀態和響應速度。

圖3 實驗裝置示意圖

3 實驗結果與分析

3.1 閥芯直徑

測量沿閥芯打開方向的28個點，并將閥芯的實際直徑DA與理論直徑DT進行比較（圖4），可以很容易觀察到兩者的一致性。

圖4 閥芯理論直徑與實際直徑的對比

閥芯的加工誤差率（DA-DT）/DT曲線如圖5所示，可以看出最大加工誤差率小于0.020，滿足精度要求。

圖5 加工誤差率曲線

壓降對閥芯和閥座形成的流通面積非常敏感。 盡管DA和DT之間的差異很小，但可能會導致壓降出現明顯誤差；柱塞泵的輸出流量理論上是恒定的，不受流量面積的影響，但實際情況可能有所不同，并且可能存在流量變化。 此外，傳感器在穩定壓力下進行了校準，但是在高壓和變化的壓力下它們的實際工作狀態仍然未知。 在這種情況下， 無法在傳感器顯示穩定之前開始數據記錄。 通過泵中的壓力補償裝置和同步采樣方法，可以減少輸出流量的較大波動，但是壓力和流量的穩定性仍然可能受到影響。 因此，數據記錄過程需要持續幾秒鐘，并且所記錄的數據需要被周期性地過濾和平均。

3.2 閥芯開度-流量關系

圖6為3種不同柴油機轉速下的理論流量QT和實際流量QA對比。 與基于經驗的判斷相同，QA＜QT，且QA隨著閥芯開度的增大而逐漸增大。

圖6 理論流量與實際流量的對比

流量變化率（QF-QA）/QF（其中QF為閥芯完全打開時的流量）曲線如圖7所示，可以看出隨著閥芯開度的增大， 流量變化率呈現總體上升的趨勢。 由于圖7中的最大流量變化率僅為0.715%，因此可以忽略由流量變化引起的誤差。 所以，位移傳感器、壓力傳感器和流量計的輸出值均保持穩定，精度分別保持在0.1mm、0.2MPa、0.5m3/h，表明數據經過周期性濾波和平均處理后完全滿足精度要求。

圖7 流量變化率曲線

3.3 L-Δp關系

3種流量下L-Δp關系的最終結果如圖8所示，其中截距和斜率的最大標準誤差分別為0.293 38和0.015 99，均滿足精度要求。

圖8 實驗結果的線性擬合

根據L-Δp結果，如果實驗科學合理，則Cv曲線基本一致，可以用來判斷新型閥芯的節流特性和合適的工作條件。 如圖9所示， 當流量分別為77.4m3/h和90.2m3/h時，在視覺上可以觀察到良好的一致性， 表明該實驗具有合理性和有效性，且工作條件適宜（QF≥77.4m3/h）。 當L＞14mm、流量為64.2m3/h時，Cv曲線明顯上升， 表明當流量不大于64.2m3/h時，無法滿足新閥芯的工作要求。

圖9 流量系數曲線

4 結束語

筆者充分考慮了控壓鉆井中節流閥的壓力特性，推導、求解并修正了閥芯表面的數學模型。基于不同開度下的流動模型，發現節氣門壓力隨閥門開度成近似線性變化的關系，節氣門壓力模擬結果與設計值幾乎相同，驗證了閥芯表面設計的正確性。 此外，由于下游管道的額外阻力和閥腔內部結構的影響，實驗結果表明，新的節流閥不適用于流量低于77.4m3/h的情況。