大排量工況下控壓鉆井節流閥節流特性研究

任偉

（川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，四川 廣漢 618300）

隨著國內各個油田勘探開發工作的深入，深井鉆井工作量增加了。為滿足多層井身結構需要，大尺寸井眼變得越來越多。但大尺寸井眼技術存在裸眼段長、壓力系統多、鉆井液排量大、巖屑產生量多、易發生井漏、溢漏同存等井下復雜問題。控壓鉆井技術能夠有效解決井下復雜問題。

控壓鉆井技術具備對井筒壓力精細控制的能力，能顯著增加鉆井過程的可控性、降低事故發生概率、克服窄密度窗口等鉆井難題。其工藝原理是在鉆井過程中通過回壓泵、節流閥精細控制或調整環空壓力體系，確保環空液柱壓力微大于井底壓力，且不壓漏地層，從而在“窄壓力窗口”層段實現安全、快速鉆進。節流管匯是控壓鉆井系統中重要的井控設備，節流閥是節流管匯中最核心裝置。節流閥通過調整閥芯和閥座位置可以改變節流閥的開度，繼而控制管道單位時間內流過的流體流量，使井下生產保持較為理想的壓力環境。

當前的控壓鉆井系統的節流管匯設計最大使用排量大多在30L/s 以下，難以滿足大尺寸井眼控壓鉆井作業的需要。對于鉆井液排量達到30L/s 以上工況條件下的節流閥節流特性研究尚屬空白，制約了精細控壓鉆井系統在大尺寸井眼鉆井作業中的應用。因此，需開展大排量工況條件下的節流閥節流特性研究，為精細控壓鉆井工藝在大尺寸井眼鉆井作業中的應用提供理論指導。

1 節流閥仿真模型

目前，國內外控壓鉆井系統為充分考慮節流閥的線性度，設計的閥芯曲線復雜，制造困難，造價昂貴。為降低成本，川慶鉆探工程公司研制了JLKT103-35 筒形節流閥，其幾何模型如圖1（a）所示，幾何參數如表1所示。對幾何模型進行網格劃分，如圖1（b）所示，閥芯與閥座之間縫隙間的網格進行加密處理。經網格無關性驗證后，其網格數目確定為48 萬。對節流閥內雷諾數進行估算為湍流，其仿真所用的湍流模型為RNG k-ε模型，該模型具有對高速流動的高準確性和對渦旋流動的高精度。

表1 節流閥模型幾何參數

圖1 節流閥幾何模型及網格劃分

節流閥入口邊界設置為質量流量邊界，初始壓力為0Pa，初始溫度為300K。出口邊界為壓力出口邊界，初始壓力為0Pa，初始溫度為300K。

2 仿真模擬結果分析

節流閥內的壓力分布云圖（以開度50%與100%）如圖2 所示。鉆井液通過閥芯后，存在明顯壓降。

圖2 節流閥壓力分布云圖

為了深入分析節流閥壓降特性，將仿真所得壓降結果繪制成壓降曲線，如圖3 所示。從圖3 中可知，隨著鉆井液排量的增加，其壓降越大，且增加的幅度也明顯增加。20%開度時，壓降從10L/s 時的0.30MPa 大幅增加到65L 時的12.83MPa；50%及100%開度時，對應的壓降從也分別從0.08MPa 增加到3.53MPa 以及從0.01MPa 增加到0.45MPa。即各種開度工況下，排量從10L/s 增加到65L/s 時，通過節流閥的壓降均增加了40 倍以上。

圖3 不同排量開度-壓降圖

此外，開度對壓降的影響也很大。在20%～100%開度內，壓降隨開度的增加而減小。從開度為20%增大到50%時，壓降減小的幅度非常明顯，而從開度為50%增大到100%時，壓降減小的幅度相對較小。

取其中一條壓降曲線（40L/s）進行線性相關性分析如圖4（a）所示，該節流閥的總體線性相關系數為0.8349，線性度一般。然而，從圖4 中可發現，曲線在50%開度處出現了明顯的壓降拐點。因此，以50%為界，可分段進行線性相關分析如圖4（b）所示。在20%～50%范圍內節流閥的線性相關系數為0.9917，在50%～100%范圍內節流閥的線性相關系數為0.9731，兩段曲線的線性度均很好。

圖4 40L/s 排量下開度-壓降線性相關圖

3 開度-壓降計算方法

根據閥門設計手冊，對于任意閥門，總滿足：

式中，P0為節流閥節流壓降，Pa；Q 為鉆井液排量，L/s；ρ 為鉆井液密度，kg/m3；Cv為閥門流量系數，無量綱，僅與閥門設計和開關狀態有關。

利用公式（1），代入壓降數據和鉆井液排量及密度，計算獲得流量系數，得到開度-流量系數曲線如圖5 所示，流量系數值越大，說明流體流過閥門時的壓力損失越小，該流量系數曲線未表現出明顯的線性區間。

圖5 開度-流量系數圖

對流量系數數據進行數學回歸，可得到在該節流閥流量系數與開度之間的經驗公式，回歸系數R2＞0.97，可以認為回歸的經驗公式可靠，所得經驗公式如式（2）所示：

式中，Cv為閥門流量系數，無量綱，僅與閥門設計和開關狀態有關；k 為節流閥開度，%。

將目標壓降以及鉆井液排量及鉆井液密度代入公式（1）可獲得目標壓力下的流量系數，再將其代入公式（2），進而可獲得該目標壓降條件下所對應的開度。

以蓬深某井為例，對該節流閥在100%開度下所形成的排量-壓降計算方法開展了現場試驗。計算值與現場實測值的對比如圖6 所示。

圖6 蓬深7 井計算結果與實測結果對比圖

從圖6 可知，利用該方法計算的節流壓降與實測結果基本吻合，精度超過90%，因此，本文所形成的壓降計算方法對現場控壓鉆井操作具有很好的指導意義。

4 結語

（1）當鉆井液排量在10 ～65L/s，隨著鉆井液排量的增加，節流閥的壓降越大，且壓降增加的幅度明顯增加。

（2）該節流閥整體線性度一般，但可劃分為20%～50%和50%～100%兩個不同線性特征的線性區間，其線性相關系數分別為0.9917 和0.9731。

（3）本文所建立的開度-流量系數經驗公式及開度-壓降計算方法與現場作業實際情況相符，精度＞90%，對現場控壓鉆井操作具有很好的指導意義。