大排量工況下控壓鉆井節(jié)流閥節(jié)流特性研究

任偉

（川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川 廣漢 618300）

隨著國(guó)內(nèi)各個(gè)油田勘探開(kāi)發(fā)工作的深入，深井鉆井工作量增加了。為滿足多層井身結(jié)構(gòu)需要，大尺寸井眼變得越來(lái)越多。但大尺寸井眼技術(shù)存在裸眼段長(zhǎng)、壓力系統(tǒng)多、鉆井液排量大、巖屑產(chǎn)生量多、易發(fā)生井漏、溢漏同存等井下復(fù)雜問(wèn)題?？貕恒@井技術(shù)能夠有效解決井下復(fù)雜問(wèn)題。

控壓鉆井技術(shù)具備對(duì)井筒壓力精細(xì)控制的能力，能顯著增加鉆井過(guò)程的可控性、降低事故發(fā)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(guò)程中通過(guò)回壓泵、節(jié)流閥精細(xì)控制或調(diào)整環(huán)空壓力體系，確保環(huán)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(shí)現(xiàn)安全、快速鉆進(jìn)。節(jié)流管匯是控壓鉆井系統(tǒng)中重要的井控設(shè)備，節(jié)流閥是節(jié)流管匯中最核心裝置。節(jié)流閥通過(guò)調(diào)整閥芯和閥座位置可以改變節(jié)流閥的開(kāi)度，繼而控制管道單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的流體流量，使井下生產(chǎn)保持較為理想的壓力環(huán)境。

當(dāng)前的控壓鉆井系統(tǒng)的節(jié)流管匯設(shè)計(jì)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(yè)的需要。對(duì)于鉆井液排量達(dá)到30L/s 以上工況條件下的節(jié)流閥節(jié)流特性研究尚屬空白，制約了精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)在大尺寸井眼鉆井作業(yè)中的應(yīng)用。因此，需開(kāi)展大排量工況條件下的節(jié)流閥節(jié)流特性研究，為精細(xì)控壓鉆井工藝在大尺寸井眼鉆井作業(yè)中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 節(jié)流閥仿真模型

目前，國(guó)內(nèi)外控壓鉆井系統(tǒng)為充分考慮節(jié)流閥的線性度，設(shè)計(jì)的閥芯曲線復(fù)雜，制造困難，造價(jià)昂貴。為降低成本，川慶鉆探工程公司研制了JLKT103-35 筒形節(jié)流閥，其幾何模型如圖1（a）所示，幾何參數(shù)如表1所示。對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1（b）所示，閥芯與閥座之間縫隙間的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后，其網(wǎng)格數(shù)目確定為48 萬(wàn)。對(duì)節(jié)流閥內(nèi)雷諾數(shù)進(jìn)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(duì)高速流動(dòng)的高準(zhǔn)確性和對(duì)渦旋流動(dòng)的高精度。

表1 節(jié)流閥模型幾何參數(shù)

圖1 節(jié)流閥幾何模型及網(wǎng)格劃分

節(jié)流閥入口邊界設(shè)置為質(zhì)量流量邊界，初始?jí)毫?Pa，初始溫度為300K。出口邊界為壓力出口邊界，初始?jí)毫?Pa，初始溫度為300K。

2 仿真模擬結(jié)果分析

節(jié)流閥內(nèi)的壓力分布云圖（以開(kāi)度50%與100%）如圖2 所示。鉆井液通過(guò)閥芯后，存在明顯壓降。

圖2 節(jié)流閥壓力分布云圖

為了深入分析節(jié)流閥壓降特性，將仿真所得壓降結(jié)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(kāi)度時(shí)，壓降從10L/s 時(shí)的0.30MPa 大幅增加到65L 時(shí)的12.83MPa；50%及100%開(kāi)度時(shí)，對(duì)應(yīng)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(kāi)度工況下，排量從10L/s 增加到65L/s 時(shí)，通過(guò)節(jié)流閥的壓降均增加了40 倍以上。

圖3 不同排量開(kāi)度-壓降圖

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

取其中一條壓降曲線（40L/s）進(jìn)行線性相關(guān)性分析如圖4（a）所示，該節(jié)流閥的總體線性相關(guān)系數(shù)為0.8349，線性度一般。然而，從圖4 中可發(fā)現(xiàn)，曲線在50%開(kāi)度處出現(xiàn)了明顯的壓降拐點(diǎn)。因此，以50%為界，可分段進(jìn)行線性相關(guān)分析如圖4（b）所示。在20%～50%范圍內(nèi)節(jié)流閥的線性相關(guān)系數(shù)為0.9917，在50%～100%范圍內(nèi)節(jié)流閥的線性相關(guān)系數(shù)為0.9731，兩段曲線的線性度均很好。

圖4 40L/s 排量下開(kāi)度-壓降線性相關(guān)圖

3 開(kāi)度-壓降計(jì)算方法

根據(jù)閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)，對(duì)于任意閥門，總滿足：

式中，P0為節(jié)流閥節(jié)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(shù)，無(wú)量綱，僅與閥門設(shè)計(jì)和開(kāi)關(guān)狀態(tài)有關(guān)。

利用公式（1），代入壓降數(shù)據(jù)和鉆井液排量及密度，計(jì)算獲得流量系數(shù)，得到開(kāi)度-流量系數(shù)曲線如圖5 所示，流量系數(shù)值越大，說(shuō)明流體流過(guò)閥門時(shí)的壓力損失越小，該流量系數(shù)曲線未表現(xiàn)出明顯的線性區(qū)間。

圖5 開(kāi)度-流量系數(shù)圖

對(duì)流量系數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸，可得到在該節(jié)流閥流量系數(shù)與開(kāi)度之間的經(jīng)驗(yàn)公式，回歸系數(shù)R2＞0.97，可以認(rèn)為回歸的經(jīng)驗(yàn)公式可靠，所得經(jīng)驗(yàn)公式如式（2）所示：

式中，Cv為閥門流量系數(shù)，無(wú)量綱，僅與閥門設(shè)計(jì)和開(kāi)關(guān)狀態(tài)有關(guān)；k 為節(jié)流閥開(kāi)度，%。

將目標(biāo)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(biāo)壓力下的流量系數(shù)，再將其代入公式（2），進(jìn)而可獲得該目標(biāo)壓降條件下所對(duì)應(yīng)的開(kāi)度。

以蓬深某井為例，對(duì)該節(jié)流閥在100%開(kāi)度下所形成的排量-壓降計(jì)算方法開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值的對(duì)比如圖6 所示。

圖6 蓬深7 井計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

從圖6 可知，利用該方法計(jì)算的節(jié)流壓降與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，精度超過(guò)90%，因此，本文所形成的壓降計(jì)算方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控壓鉆井操作具有很好的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)語(yǔ)

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

（2）該節(jié)流閥整體線性度一般，但可劃分為20%～50%和50%～100%兩個(gè)不同線性特征的線性區(qū)間，其線性相關(guān)系數(shù)分別為0.9917 和0.9731。

（3）本文所建立的開(kāi)度-流量系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式及開(kāi)度-壓降計(jì)算方法與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)實(shí)際情況相符，精度＞90%，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控壓鉆井操作具有很好的指導(dǎo)意義。