王 果

(中國石化石油工程技術(shù)研究院)

控壓鉆井技術(shù)[1-4]是自動化鉆井的一個方面，其通過數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)和井口設(shè)備對井筒壓力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)安全鉆井。在控壓鉆井系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)節(jié)流管匯上的節(jié)流閥[4]來實(shí)現(xiàn)對井口回壓的控制，保持整個鉆井過程井口壓力的平衡，是控壓鉆井系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)壓力控制的關(guān)鍵組成部分。

目前國外高精度節(jié)流閥[2,5-6]有NOV的HXE、Expro的PowerChoke、M-I Swaco的SuperChoke等。其采用液壓馬達(dá)+蝸輪蝸桿驅(qū)動方式，定位精度高、節(jié)流性能曲線好、控制精度高、易控制使用。國內(nèi)常用節(jié)流閥[5-11]有針形節(jié)流閥、筒形節(jié)流閥、楔形節(jié)流閥等。節(jié)流壓降與開度非線性變化，小開度下調(diào)節(jié)波動大，大開度下調(diào)節(jié)反應(yīng)遲鈍，難以滿足計(jì)算機(jī)精確連續(xù)調(diào)控需求；執(zhí)行機(jī)構(gòu)為液壓缸，無法快速準(zhǔn)確定位行程；閥芯為懸臂梁結(jié)構(gòu)，不耐沖蝕。

本文針對現(xiàn)有鉆井節(jié)流閥的缺點(diǎn)，提出了線性節(jié)流閥設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選型分析，通過性能試驗(yàn)驗(yàn)證了節(jié)流閥的設(shè)計(jì)理論。這種新型節(jié)流閥具有較好的壓降隨開度線性變化特性，結(jié)合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，調(diào)節(jié)過程控制精度高、可靠性強(qiáng)、反應(yīng)靈敏。線性調(diào)節(jié)節(jié)流閥可為控壓鉆井系統(tǒng)、井控節(jié)流系統(tǒng)提供關(guān)鍵部件，降低調(diào)控難度，提高控制精度，具有重要的理論價值和工程意義。

一、線性節(jié)流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.閥芯結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

1.1 壓差線性變化目標(biāo)方程

節(jié)流閥調(diào)節(jié)的本質(zhì)是改變閥芯與閥座的間隙(即過流面積，如圖1所示)，從而實(shí)現(xiàn)對節(jié)流壓差的調(diào)節(jié)。設(shè)定節(jié)流閥前后壓差與閥芯開度成線性關(guān)系的目標(biāo)，就可以連續(xù)精確調(diào)控，建立目標(biāo)方程如下：

Δp=a×L+b

(1)

式中：a、b—常數(shù)；

Δp—閥門前后壓差，MPa；

L—閥芯當(dāng)前位移，mm。

當(dāng)節(jié)流閥處于最大和最小開度時，邊界條件分別為L=Lmax時，Δp=0；L=Lmin=0時，Δp=Δpmax，代入式(1)即可求出常數(shù)a和b。故式(1)可改寫為：

(2)

其中：L=y+xtanθ

式中：x—閥芯輪廓線上N點(diǎn)的橫坐標(biāo)，cm；

y—節(jié)流閥到N點(diǎn)的垂直位移，cm；

Δpmax—節(jié)流閥開度最小時的最大壓差，MPa；

Lmax—節(jié)流閥最大開度，cm。

圖1 節(jié)流閥過流面積示意圖

圖2 節(jié)流閥流動變化示意圖

1.2 節(jié)流閥流動特性方程

節(jié)流閥流體流動特性[12-17]變化簡圖如圖2所示，節(jié)流閥出入口過流面為A1，節(jié)流閥最小過流面積為A2，由伯努利方程[12-13]和連續(xù)性方程可得：

(3)

式(3)兩個方程聯(lián)立消去v2則得：

(4)

式中：A2—錐環(huán)側(cè)面積(過流面積)，cm2；

A1—最大過流面積，cm2；

Q—排量，m3/h；

ρ—流體密度，g/cm3；

Δp—閥門前后壓差，MPa。

1.3 最小過流面積方程

如圖1所示，當(dāng)給定閥芯位置時，設(shè)閥芯與閥座之間的最小間距為LMN，則過流面積[7,18]就是圖中的錐環(huán)面MNN1M1的側(cè)面積，其計(jì)算公式為：

(5)

式中：A2—錐環(huán)側(cè)面積，cm2；

d和D—分別為錐環(huán)上下圓直徑，cm，

d=D-2x；

LMN—閥芯閥座最小間距，cm，LMN=x/cosθ。

將幾何條件代入式(5)則得：

(6)

式中：D—閥座內(nèi)通徑，cm；

θ—MN和M1N1的夾角，°；

x—閥芯輪廓線上N點(diǎn)的橫坐標(biāo)，cm。

1.4 閥芯曲面結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

聯(lián)立式(2)、式(4)、式(6)得閥芯閥座等值面積曲線方程：

(7)

式(7)表示某一開度下，以M點(diǎn)為基準(zhǔn)，θ在取值范圍內(nèi)所對應(yīng)的側(cè)表面積相等的截錐體母線所形成的曲線(等值面積曲線)。由于閥芯輪廓線和所有等值面曲線都相切，所以閥芯輪廓曲線滿足：

(8)

通過數(shù)學(xué)方法[18-19]求解式(8)即可得出滿足需求的節(jié)流閥閥芯結(jié)構(gòu)。

2.閥芯結(jié)構(gòu)模型求解

閥芯設(shè)計(jì)參數(shù)為：閥芯直徑38.1 mm，最大節(jié)流壓差10 MPa，工作排量為72 m3/h，流體密度1.7 g/cm3，將設(shè)計(jì)參數(shù)分別代入式(8)，求出節(jié)流閥閥芯輪廓數(shù)據(jù)，繪制出閥芯輪廓曲線圖如圖3所示。圖中閥芯L坐標(biāo)為負(fù)號表示閥芯是按拔出方向進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3 ?38.1 mm閥芯擬合曲線

采用多項(xiàng)式對曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得閥芯結(jié)構(gòu)曲線方程如式(9)所示，根據(jù)該方程即可設(shè)計(jì)出符合要求的線性節(jié)流閥閥芯、閥座。

L=0.014x6-0.378x5+4.345x4-26.785x3+94.948x2-187.826x+141.207(1.559≤x≤6.506)

(9)

3. 節(jié)流閥整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)出閥芯閥座的基礎(chǔ)上，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化選型分析，對節(jié)流閥閥體、閥蓋、閥桿、密封件等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最終形成一套完整的節(jié)流閥結(jié)構(gòu)(見圖4)。該結(jié)構(gòu)包括液壓馬達(dá)、手輪、渦輪蝸桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、快拆導(dǎo)軌總成、閥體、閥蓋、閥桿總成與閥座等組成部分。閥座通過閥座外套固定在閥體內(nèi)腔流體出口部，閥蓋與閥體之間通過由壬螺母進(jìn)行固定連接；閥芯通過螺栓與閥桿連接，閥芯整體采用硬質(zhì)合金材料；閥桿總成上端通過圓柱銷與渦輪蝸桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的絲桿總成相連接；液壓馬達(dá)驅(qū)動聯(lián)軸器帶動蝸輪蝸桿[2,9-11]轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)閥桿總成的上下移動；快拆導(dǎo)軌總成卡箍從兩端夾持連接法蘭，托架通過導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)節(jié)流閥快速裝卸。

圖4 線性節(jié)流閥整體結(jié)構(gòu)部件圖

1手輪 2手輪壓緊螺母 3手輪連接螺母 4閥桿 5閥芯 6閥芯連接螺栓 7閥體 8渦輪蝸桿執(zhí)行機(jī)構(gòu) 9連接法蘭 10閥蓋由壬 11盤根壓帽 12密封組合 13閥蓋 14閥座 15注脂口堵頭 16液壓馬達(dá) 17快拆導(dǎo)軌

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：①閥芯結(jié)構(gòu)采用理論模型方法并結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，大大縮減設(shè)計(jì)周期，提高節(jié)流精度；②閥體中設(shè)計(jì)長閥蓋結(jié)構(gòu)，縮小懸臂長度，大大降低閥芯沖蝕斷裂的幾率；③根據(jù)線性節(jié)流閥的精確控制需求，線性節(jié)流閥采用液動馬達(dá)+蝸輪蝸桿的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其響應(yīng)速度快，定位精準(zhǔn)，所需扭矩?。虎芸觳饘?dǎo)軌總成是快速拆裝閥芯、閥座而設(shè)計(jì)的輔助機(jī)械，便于現(xiàn)場維修保養(yǎng)。

二、節(jié)流閥性能試驗(yàn)

1.試驗(yàn)原理方案

試驗(yàn)原理方案如圖5所示，通過使用高壓柱塞泵、流量計(jì)、壓力傳感器、位移傳感器及液壓站等設(shè)備，以及試驗(yàn)管路，對節(jié)流閥的節(jié)流性能進(jìn)行模擬試驗(yàn)。開泵后，針對閥芯開度，通過液壓控制系統(tǒng)驅(qū)動液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)閥芯開度的精確控制，并記錄下閥芯開度數(shù)顯儀的讀數(shù)；同時，通過分組記錄流量計(jì)和壓力傳感器的讀數(shù)，檢驗(yàn)各個開度下閥門的前后壓差，繪制節(jié)流閥性能曲線。

圖5 節(jié)流閥性能實(shí)驗(yàn)原理圖

主要試驗(yàn)參數(shù)為：3NB-800三缸柱塞泵，最大排量115 m3/h；LSYB-2088壓力傳感器，精度0.5%，量程0～20 MPa；電磁流量計(jì)精度0.5，最大量程900 m3/h；位移傳感器精度0.08%，最大量程100 mm；液壓排量10.58 L/min；節(jié)流閥通徑50.8 mm，閥芯有效行程30 mm，閥芯尺寸38.1 mm。

2.試驗(yàn)結(jié)果分析

為保證試驗(yàn)有效性，在對線性節(jié)流閥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，先進(jìn)行了針形閥芯的節(jié)流閥性能實(shí)驗(yàn)(見圖6)。從圖6中可以看出，針形閥芯節(jié)流閥的壓降曲線與調(diào)研資料相符，說明本次試驗(yàn)條件設(shè)置、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理方式準(zhǔn)確有效。在同樣的條件下進(jìn)行線性節(jié)流閥的性能試驗(yàn)可以滿足驗(yàn)證對比的需求。

從圖6中可以看出，在25%～85%開度范圍內(nèi)節(jié)流閥試驗(yàn)壓降隨開度線性變化，并且其與理論設(shè)計(jì)壓降曲線吻合度非常好。在壓降線性變化的開度范圍之外，節(jié)流閥的試驗(yàn)壓降與理論設(shè)計(jì)壓降出現(xiàn)較大偏差，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)的閥芯閥座配合關(guān)系在開度的兩端(最大和最小開度)調(diào)節(jié)時其受節(jié)流閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響較大。這種兩端逐漸偏離理論設(shè)計(jì)的現(xiàn)象只能通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行改善，但無法完全消除。

圖6 線性節(jié)流閥壓降性能曲線圖

通過圖6對比可知，使用傳統(tǒng)針型節(jié)流閥進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)時存在較大的弊端，在小開度范圍內(nèi)壓力變化過快，調(diào)節(jié)時壓力波動大；在大開度范圍內(nèi)壓力變化慢，調(diào)節(jié)時反應(yīng)遲鈍。研發(fā)的線性調(diào)節(jié)節(jié)流閥可以在較大的開度范圍內(nèi)(25%～85%)實(shí)現(xiàn)壓降隨開度線性變化，滿足連續(xù)精確調(diào)控的需求。

三、結(jié)論

(1)線性節(jié)流閥可實(shí)現(xiàn)在25%～85%開度范圍內(nèi)壓降隨開度線性變化。依據(jù)壓降隨開度線性變化的目標(biāo)方程、幾何關(guān)系、節(jié)流閥特性方程，通過數(shù)學(xué)處理推導(dǎo)建立了線性節(jié)流閥閥芯閥座結(jié)構(gòu)模型。

(2)通過整體結(jié)構(gòu)零部件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了完整的節(jié)流閥，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)精度高，響應(yīng)時間快，開度定位準(zhǔn)，方便現(xiàn)場拆裝維修，具有較高的工程應(yīng)用價值。

(3)研制的線性調(diào)節(jié)節(jié)流閥，其調(diào)節(jié)性能得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。通過與傳統(tǒng)針型節(jié)流閥對比分析，論證了這種新型節(jié)流閥在連續(xù)精確調(diào)控方面所具有的優(yōu)勢。

(4)節(jié)流閥的沖蝕機(jī)理和流場結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步進(jìn)行研究，從結(jié)構(gòu)上提升耐沖蝕能力。同時還需要研發(fā)一套適應(yīng)能力強(qiáng)的控制軟件，實(shí)現(xiàn)該節(jié)流閥的自動精細(xì)控制。

[1]Hannegan D , Richard J , et al. MPD-uniquely applicable to methane hydrate drilling[R]. SPE 91560.

[2]Bill Rehm, Jerome Schumber, et al. Managed Pressure Drilling[M]. Gulf Publishing Company, 2008:236-240.

[3]于水杰，王海柱，張林鵬，等. MPD技術(shù)及裝備在鉆井工程中的應(yīng)用分析[J].石油礦場機(jī)械, 2009, 38(8): 47-51.

[4]劉偉，蔣宏偉，周英操，等. 控壓鉆井裝備及技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 石油機(jī)械, 2011, 39(9): 8-12.

[5]練章華，劉干，易浩，等. 高壓節(jié)流閥流場分析及其結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J]. 石油機(jī)械，2004, 32(9): 22-24.

[6]殷偉偉，殷舜時，未莉莉，等.針型節(jié)流閥內(nèi)部液固兩相運(yùn)動及壁面磨損研究.石油機(jī)械，2016，44(6)：96-101.

[7]楊明，安培文. 調(diào)節(jié)閥柱塞型閥芯形面數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)[J]. 流體機(jī)械, 2009, 37(10): 34-37.

[8]Andrew Grace, Patrick Frawley. Experimental parametric equation for the prediction of valve coefficient(Cv)[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping for choke valve trims, 2011, 88: 109-118.

[9]朱煥剛，楊德京，陳永明，等. 控壓鉆井用節(jié)流閥的研制[J]. 石油鉆采工藝, 2013, 35(2): 110-112.

[10]王國榮，陶思宇，付玉坤，等. 控壓鉆井節(jié)流閥閥芯輪廓曲線設(shè)計(jì)[J]. 石油礦場機(jī)械, 2013, 42(11): 55-58.

[11]范紅康，王果，楚飛，等. 新型筒形控壓鉆井節(jié)流閥研制及其性能試驗(yàn)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究, 2015, 31(4): 138-141, 157.

[12]張柏松.調(diào)節(jié)閥流量特性及口徑計(jì)算[J]. 油氣儲運(yùn), 1997, 16(11): 18-20.

[13]楊紀(jì)偉. 調(diào)節(jié)閥流量關(guān)系變形特性分析[J]. 流體機(jī)械, 1998, 27(5): 23-25.

[14]李德志. 調(diào)節(jié)閥中流體的流動特性[J]. 湖北化工, 1999(6):41.

[15]莫乃榕. 工程流體力學(xué)[M]. 華中科技大學(xué)出版社, 2000.

[16]陳卓如，金朝銘，王洪杰，等. 工程流體力學(xué)[M]. 高等教育出版社, 2004.

[17]邢麗娟，楊世忠. 調(diào)節(jié)閥特性及選擇方法[J]. 煤礦機(jī)械, 2007, 28(5): 164-167.

[18]羅艷蕾，邱雪，李淵，等. 基于MATLAB 多路閥主閥芯過流面積計(jì)算及仿真[J]. 機(jī)床與液壓, 2011, 39(23): 130-132.

[19]劉寅立，王劍亮，陳靖，等. MATLAB數(shù)值計(jì)算案例分析[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2011: 160-164.