并聯(lián)節(jié)流管匯壓力調(diào)節(jié)特性及實(shí)驗(yàn)研究

項(xiàng) 凱

（中海油田服務(wù)股份有限公司，河北廊坊 065201）

0 引言

節(jié)流管匯是控制壓力鉆井技術(shù)中的關(guān)鍵裝備，利用節(jié)流管匯上閥門水頭損失產(chǎn)生的井口回壓，通過控制井口回壓值，從而間接控制井底壓力[1-6]。目前節(jié)流管匯廣泛使用的是一個(gè)節(jié)流閥。對(duì)于只含有一個(gè)節(jié)流閥的節(jié)流管匯，節(jié)流閥兩端壓差與節(jié)流閥開度之間存在很強(qiáng)的非線性，難以實(shí)現(xiàn)在全開度范圍內(nèi)的精確調(diào)節(jié)[7-8]。利用特殊工藝加工定制的節(jié)流閥雖然在精度上滿足要求，但價(jià)格昂貴，增加了控壓鉆井的作業(yè)成本，限制控壓技術(shù)的廣泛應(yīng)用。隨著石油鉆井作業(yè)的地層環(huán)境越來越復(fù)雜，壓力窗口逐漸變窄，對(duì)精確控制井口回壓提出了更高的要求，地面節(jié)流早已不再是處理高壓差，而是為提高井口回壓的控制精度（井口回壓控制精度在0.3 MPa以內(nèi)）。針對(duì)目前節(jié)流管匯壓力特性曲線差，對(duì)閥門硬件要求高等問題，提出通過節(jié)流閥并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)多級(jí)精細(xì)節(jié)流的管匯系統(tǒng)。

并聯(lián)節(jié)流管匯由多個(gè)節(jié)流閥支路并聯(lián)組成，支路分為主調(diào)節(jié)支路和副調(diào)節(jié)支路。利用主調(diào)節(jié)支路對(duì)井口回壓進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，利用副調(diào)節(jié)支路限制最高壓力，多條支路對(duì)鉆井液分流，減少了鉆井液對(duì)節(jié)流閥的沖擊。因此，并聯(lián)節(jié)流管匯具有控制效果好、工作安全、節(jié)流閥使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 傳統(tǒng)節(jié)流管匯壓力特性分析

傳統(tǒng)節(jié)流管匯主要包含一個(gè)節(jié)流閥，節(jié)流閥前后管路內(nèi)徑一致，分別在節(jié)流閥前后管路上取a、b兩截面分析。

通過水力計(jì)算，得到節(jié)流閥壓差計(jì)算公式[9]：

式中：ΔP為節(jié)流閥前后管路的壓力差，Δ=Pa-Pb，Pa；Q為管路中流體流量，m3/s；ξ為閥門阻力系數(shù)，無因次，當(dāng)雷諾數(shù)足夠大時(shí)，阻力系數(shù)為閥門開度K的函數(shù)；Ab為節(jié)流閥下游b點(diǎn)管路的內(nèi)截面積，m2；ρ為流體密度，kg/m3。

通過式（1）可以看出，節(jié)流閥前壓力（Pa）與通過節(jié)流閥的流體流量（Q）、流道面積（Ab）和形狀（由反映）、閥后壓力（Pb）及流體密度（ρ）有關(guān)。

假設(shè)節(jié)流閥在開度100%時(shí)的阻力系數(shù)為ξ100，則節(jié)流閥在任意開度的阻力系數(shù)ξ與ξ100存在如下函數(shù)關(guān)系：

函數(shù)f（K）由閥座和閥芯形式?jīng)Q定，一般分為拋物線特性、直線特性、快開特性、等百分比特性[10-12]。

將式（2）代入式（1），得到節(jié)流閥前后壓差與閥門開度的關(guān)系公式：

定義節(jié)流閥兩端無因次壓力差為：

以直線特性節(jié)流閥為例進(jìn)行分析，將開度由0逐漸增大到100%，根據(jù)式（4）繪制節(jié)流閥壓力調(diào)節(jié)特性曲線（圖1）。

圖1中，對(duì)于使用單個(gè)節(jié)流閥的節(jié)流管匯，其壓力特性曲線包含3個(gè)區(qū)間，A區(qū)間為超調(diào)區(qū)間，在此區(qū)間節(jié)流閥開度的微小變化將引起壓力的劇烈變化，節(jié)流閥前壓力不可控。A區(qū)間位于節(jié)流閥小開度區(qū)間。C區(qū)間為無效區(qū)間，此區(qū)間節(jié)流閥開度的變化對(duì)回壓值的影響較小，對(duì)壓力控制不靈敏。B區(qū)間相對(duì)A、C區(qū)間有較好的線性度，節(jié)流管匯工作時(shí)應(yīng)盡量使節(jié)流閥開度保持在B區(qū)間。

圖1 節(jié)流閥壓力調(diào)節(jié)特性曲線

節(jié)流閥的閥芯形狀不同，壓力特性曲線線性度也不相同。單節(jié)流閥的壓力特性曲線都包括A、B、C三個(gè)區(qū)間，只是不同節(jié)流閥3個(gè)區(qū)間所占比例不同。

2 并聯(lián)節(jié)流管匯壓力調(diào)節(jié)特性

并聯(lián)節(jié)流管匯是由兩條或多條支路并聯(lián)組成的節(jié)流管匯，每條支路有一個(gè)節(jié)流閥。以兩條支路的并聯(lián)節(jié)流管匯為例（圖2），其由主、副兩條完全相同的調(diào)節(jié)支路構(gòu)成。圖2中F1為主調(diào)節(jié)支路的節(jié)流閥，F(xiàn)2為副支路節(jié)流閥。

圖2 并聯(lián)節(jié)流管匯簡(jiǎn)圖

多級(jí)并聯(lián)節(jié)流管匯中每個(gè)支路較短，水力學(xué)計(jì)算時(shí)忽略沿程與接頭處的局部水頭損失，只考慮節(jié)流閥處的局部水頭損失?；谝陨辖ㄔO(shè)條件，可知各個(gè)支路節(jié)流閥前壓力相等，同樣各個(gè)支路節(jié)流閥后的壓力也相等。由于管內(nèi)流體遠(yuǎn)小于音速，視為不可壓縮流體。

根據(jù)并聯(lián)管路的兩個(gè)特點(diǎn)[9，13]：

（1）并聯(lián)管路各條支路阻力相等：hf1=…=hfi=…=hfn

（2）并聯(lián)管路總流量等于各個(gè)支路流量之和：Q=Q1+…+Qi+…+Qn結(jié)合連續(xù)性方程得到各個(gè)支路中流體流量計(jì)算公式：

式中，hfi為第i條支路的阻力，N；Qi為第i條支路的流量，m3/s；ξi、ξj分別為第i、j條支路節(jié)流閥的阻力系數(shù)，無因次；n為總支路條數(shù)。

根據(jù)式（3）和式（4）可以計(jì)算并聯(lián)節(jié)流管匯中節(jié)流閥兩端無因次壓力差：

由此可見，在通過并聯(lián)節(jié)流管匯的總流量Q保持不變情況下，通過主調(diào)節(jié)支路的流量同時(shí)與調(diào)節(jié)支路節(jié)流閥F1和F2開度均相關(guān)。因此，雖然通過并聯(lián)節(jié)流管匯的總流量保持不變，但在節(jié)流閥F1的開度減小的過程中，通過主調(diào)節(jié)支路的流量也隨之減小。圖3為不同流量時(shí)單節(jié)流閥壓力特性曲線以及并聯(lián)節(jié)流管匯固定F2開度，在調(diào)節(jié)節(jié)流閥F1開度時(shí)，獲得的不同狀態(tài)下壓力特性曲線。

圖3 并聯(lián)節(jié)流管匯壓力特性曲線

在圖3中，通過對(duì)比并聯(lián)節(jié)流管匯與不同流量下單節(jié)流閥的壓力特性曲線看出，并聯(lián)節(jié)流管匯壓力特性曲線有較好的線性度。此外，應(yīng)用并聯(lián)節(jié)流管匯完全可以消除主節(jié)流閥F1的超調(diào)區(qū)間，減小無效區(qū)間，可以在0～100%開度區(qū)間工作，使控制效果得到提高。

在并聯(lián)節(jié)流管匯工作時(shí)，主調(diào)節(jié)支路與副調(diào)節(jié)支路的發(fā)揮的作用不同。主調(diào)節(jié)支路是精準(zhǔn)調(diào)節(jié)支路，工作時(shí)可以任意調(diào)節(jié)節(jié)流閥F1的開度；副調(diào)節(jié)支路是分流支路，工作時(shí)通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥F2的開度來控制并聯(lián)節(jié)流管匯壓力特性曲線。F2不同開度對(duì)壓力特性曲線的影響見圖4。

圖4 副支路節(jié)流閥開度對(duì)壓力特性的影響

在圖4中，副支路節(jié)流閥F2的開度對(duì)節(jié)流管匯壓力特性影響較大。F2全關(guān)時(shí)，壓力特性曲線非線性程度表現(xiàn)最強(qiáng)，可控最高壓力最高；當(dāng)F2依次調(diào)節(jié)為20%、30%、40%的開度時(shí)，最高可控壓力呈現(xiàn)逐漸降低，非線性程度也逐漸變?nèi)酢Ｓ纱丝梢缘贸觯ㄟ^控制副支路節(jié)流閥開度可以有效控制節(jié)流管匯壓力特性曲線的線性度和最高可控壓力。

此外，由式（5）可計(jì)算通過并聯(lián)節(jié)流管匯兩條支路中的流量。將F2置于一定開度（非全開、全關(guān)狀態(tài)）保持不變，F(xiàn)1開度由0逐漸增大至100%，通過兩條支路的流量如圖5所示。

由圖5所知，在鉆井液總排量不變時(shí)，并聯(lián)節(jié)流管匯每條支路中的流量比總流量低，減少了鉆井液對(duì)節(jié)流閥的沖擊。

圖5 并聯(lián)節(jié)流管匯支路流量分配

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證并聯(lián)節(jié)流管匯壓力調(diào)節(jié)能力，針對(duì)單節(jié)流閥節(jié)流管匯與并聯(lián)節(jié)流管匯進(jìn)行水力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。

圖6 并聯(lián)節(jié)流管匯實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中使用的節(jié)流管匯為四支路并聯(lián)節(jié)流管匯，每條支路中含有一個(gè)節(jié)流閥，四條支路閥門編號(hào)分別為F1、F2、F3、F4。實(shí)驗(yàn)中使用F1、F2，關(guān)閉F3、F4。此外，為了保證實(shí)驗(yàn)中排量恒定，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中泵為柱塞泵。

實(shí)驗(yàn)1：測(cè)試單節(jié)流閥壓力特性。關(guān)閉閥門F2，只用支路1。調(diào)節(jié)節(jié)流閥F1，從最大開度逐漸減小開度，記錄壓力值與對(duì)應(yīng)節(jié)流閥F1開度。

實(shí)驗(yàn)2：測(cè)試并聯(lián)節(jié)流管匯壓力特性。首先暫時(shí)關(guān)閉F1，從最大開度逐漸減小F2的開度，當(dāng)壓力值升高到一定高度時(shí)（實(shí)驗(yàn)1的最高壓力），固定F2的開度，再將F1的開度由最小值逐漸增大到最大值，記錄壓力值與對(duì)應(yīng)的F1開度。增大F2的開度到一定值，再次重復(fù)實(shí)驗(yàn)2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 并聯(lián)節(jié)流管匯壓力特性曲線對(duì)比

由圖7可知，副支路全關(guān)時(shí)（即只使用F1），壓力上升速度快，當(dāng)主節(jié)流閥的開度由100%減小到78%時(shí)，回壓值即達(dá)到1.4 MPa。而副節(jié)流閥F2有開度時(shí)，隨著主節(jié)流閥F1的開度由大到小，回壓值緩慢平穩(wěn)上升。而改變副節(jié)流閥F2的開度，主節(jié)流閥F1即有一條不同的壓力調(diào)節(jié)曲線。圖7中測(cè)量曲線與圖4中理論推導(dǎo)曲線有相同的變化趨勢(shì)，因此證明理論分析正確無誤。圖7中節(jié)流閥開度為100%時(shí)，單節(jié)流閥壓力特性曲線與并聯(lián)節(jié)流管匯壓力特性曲線有一定的差值，這是由于受管路中接頭處的局部阻力影響，但不影響理論分析結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，并聯(lián)節(jié)流管匯與單節(jié)流閥節(jié)流管匯相比可以任意改變可控壓力區(qū)間，擴(kuò)大節(jié)流閥工作區(qū)間，改善壓力特性曲線線性度。

4 結(jié)論

通過理論推導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到如下結(jié)論：

（1）相同工況條件下，并聯(lián)節(jié)流管匯與單節(jié)流閥節(jié)流管匯相比，節(jié)流閥超調(diào)區(qū)間消除，無效區(qū)間減小、壓力特性曲線線性度得到優(yōu)化，控制效果得到提升。

（2）并聯(lián)節(jié)流管匯針對(duì)回壓值通過副支路節(jié)流閥動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)可控壓力范圍，使主節(jié)流閥始終工作在最優(yōu)區(qū)間，使控制效果達(dá)到最優(yōu)。