控制壓力鉆井用節流閥的研制

朱煥剛 楊德京 陳永明 康 波 曹 強 李建成

（勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營 257017）

控制壓力鉆井技術在國內外日益得到重視，已成為鉆井熱點技術之一。2005 年，IADC 和SPE 曾專門召開欠平衡作業（UBO）和控制壓力鉆井（MPD）專題會議進行研討，并為之做了定義：控制壓力鉆井技術是一種能夠更加精確地控制井眼環空壓力剖面的改進鉆井程序，其目的是確定井下壓力窗口并以此為依據進行環空壓力控制［1］。控制壓力鉆井技術利用閉式鉆井循環系統、專用節流管匯、監測控制系統、鉆具止回閥以及其他一些可選裝備和技術來精確控制整個井眼的環空壓力剖面，提高井眼控制能力。

控制壓力鉆井過程中，節流閥始終控制井口返出的鉆井液，把套壓值控制在設計范圍內，節流閥是連續帶壓工作的。與常規鉆井井控作業相比，其工作時間更長，對節流閥的工作可靠性、使用壽命、現場的可維護性、防止巖屑堵塞以及壓力控制的精確性都提出了更高的要求。因此，節流閥作為控制壓力鉆井最終執行機構，以及控壓鉆井的關鍵設備之一，必須針對控制壓力鉆井的工作環境和要求研制一種控制壓力鉆井用節流閥。

1 國內外研究現狀

節流閥的主要特性取決于閥芯與閥座，所以按照閥芯與閥座的結構分類，主要有針形、筒形、篩孔結構（籠式）、太極圖（孔板式）結構以及楔形結構。節流閥的執行機構主要有手輪驅動、液缸、液壓馬達（配套蝸輪蝸桿）以及電動缸4 種形式。

1.1 國外研究狀況

國外研究和制造控壓鉆井用節流閥的廠家主要有3 家，其產品特點如下：

（1）美國Power Well Services 公司的Power Choke SC 系列節流閥。閥芯為改進的筒形結構，其壓力平衡型結構可以使得節流閥控制變得更加平滑；氣動液壓泵提供液壓源驅動液壓馬達（或者直接利用電動馬達）經過蝸輪蝸桿傳動裝置，對節流閥閥芯進行控制，在蝸輪蝸桿傳動裝置上還并聯了手動裝置；為了滿足節流閥的連續精確控制，液壓馬達的額定起停泵次數可以達到1 200～3 000 次/h。

節流閥的壓力等級為35 MPa、70 MPa、105 MPa和140 MPa ；節流通徑為50.8 mm 和76.2 mm［2］。

（2） 美國T3 能源服務有限公司的HXE 系列節流閥。專門為極端環境設計的，閥芯為改進筒形結構，結構設計獨特，可實現精細節流控制； 閥芯表面噴涂硬質合金，可旋轉任意角度安裝，延長使用壽命；出口下游采用硬質合金套，比行業中其他節流閥抗沖蝕能力強3～4 倍；入口及出口設計為法蘭短節，只需更換短節就可實現由壬或法蘭連接。

節流閥的壓力等級與Power Choke SC 系列相同，同一閥體可安裝38.1 mm、50.8 mm 和76.2 mm 閥芯。

（3）美國M-I SWACO 公司的Swaco SuperChoke節流閥。閥芯閥座是2 個重疊的硬質合金圓盤，圓盤厚度31.8 mm，圓盤上有半月形的通孔。前端圓盤是固定的，通過旋轉后端圓盤來增大或者減小節流通徑，當2 個圓盤重合時，節流通徑略小于50.8 mm；氣動液壓泵驅動液壓油缸，液壓油缸帶動齒輪齒條驅動節流閥的閥桿旋轉。當氣源供應不足時，可以通過手動泵來提供液壓源。當然，也可以通過杠杠來手動轉動閥桿［2］。

節流閥的壓力等級與HTX 系列相同，節流通徑都是50.8 mm。

（4）美國M-I SWACO 公司的Swaco AtuoChoke節流閥。AtuoChoke 與SuperChoke 是徹底不同的節流閥。AtuoChoke 內部具有一個液壓驅動的硬質合金材料的滑閥，滑閥帶動閥芯上下運動。液壓源的壓力作用在滑閥的一端，與另一端的井口壓力相平衡。正常運行過程中利用氣動液壓泵驅動，手動泵是備用泵。

節流閥的壓力等級為70 MPa；節流通徑都是76.2 mm［2］。

1.2 國內研究狀況

國內常規鉆井節流管匯一般配備的都是筒形節流閥或者楔形節流閥，節流閥的執行機構也都是手動或者液缸驅動。國內對于井控節流閥的特性分析和失效分析不少，但是由于對控壓鉆井的研究起步較晚，還沒有專門針對控制壓力鉆井用節流閥的設計研究和生產。

2 節流閥的特性分析與比較

節流閥流量系數（Cv 值）反映節流閥對流體的流通能力［3］。針對節流通徑為50 mm 的筒形和楔形節流閥進行了室內試驗和流體特性分析，其流量系數Cv 與閥位的關系如圖1 所示。圖中T3 HXE和POWERCHOKE SCB 兩種50 mm 節流通徑節流閥的Cv 數據都來自于各自公司的網站。

圖1 節流通徑為50 mm 的4 種節流閥的流量系數對比

通過對比圖1 中節流閥的流量系數以及常規筒形節流閥和楔形節流閥在現場的應用情況，可以得到以下認識：

（1）常規的筒形節流閥和楔形節流閥在全開度時的流量系數較小，從而使得同等流量下，節流閥造成的背壓更大，一方面會使得節流閥的工作條件更加惡劣，降低節流閥的壽命；另一方面，當控制壓力鉆井需要井口背壓為零時，節流閥的所能適應的流量范圍就變小，降低了節流閥適應性。

（2）常規楔形節流閥相對于常規筒形節流閥和進口節流閥具有較好的線性（即流量不變時改變閥位，節流閥所形成背壓的變化情況）；常規楔形節流閥線性工作區為20%～100%，而常規筒形節流閥為50%～80%。

（3） 常規筒形節流閥閥芯是一懸臂梁的結構，在高壓流體沖蝕過程中容易出現振動疲勞導致閥桿斷裂或者固定閥芯的螺栓脫落，造成憋壓。

（4）常規的筒形節流閥和楔形節流閥都是采用液缸驅動，液缸內油壓的大小和方向的不斷改變使得節流閥的液缸密封提前損壞，容易導致液壓油的跑、冒、滴、漏等環境污染問題；而且液壓系統一旦失效缺少可以應急操作的手動機構。而國外控制壓力鉆井用節流閥的執行器都是液壓馬達驅動蝸輪蝸桿和手動蝸輪蝸桿的組合結構，一方面如果液壓系統失效，可以利用手動蝸輪蝸桿進行應急操作；另一方面，由于液壓馬達的轉速調節范圍非常寬，從而細分了節流閥的行程，可以更加精確地進行閥位控制。

3 新型控制壓力鉆井用節流閥的研制

通過分析常規筒形節流閥、楔形節流閥以及進口節流閥的優缺點，設計了一種新型的控制壓力鉆井用節流閥，如圖2 所示。新型節流閥的閥芯上端呈圓柱形，在圓柱形的閥芯下端對稱加工2 個節流斜面，節流斜面下部對稱加工2 個與閥芯圓柱端軸線平行的節流豎直面；閥桿與閥芯通過固定銷釘連接；閥蓋上安裝有針對閥桿的防轉銷釘；執行器是液壓馬達帶動蝸輪蝸桿機構、手動蝸輪蝸桿機構或者兩者的組合機構；閥芯和閥座襯套采用整體硬質合金材料。通過流體計算軟件對新型節流閥進行了流場分析，其垂直于入口端的截面的速度矢量分布圖如圖3 所示，其流量系數Cv 與進口節流閥的比較如圖4 所示。

圖2 新型控制壓力鉆井用節流閥

圖3 新型控制壓力鉆井用節流閥速度矢量圖

圖4 新型控制壓力鉆井用節流閥與進口節流閥流量系數對比圖

通過新型控制壓力鉆井用節流閥的分析可以看出：

（1）新型節流閥在全開度時流量系數達到了進口節流閥的水平，流通能力得到提高，降低了節流閥在大排量時的背壓，擴大了控制壓力鉆井節流管匯的適用范圍。

（2）新型節流閥調節過程中，壓力和開度的線性更好，更加適用于精細壓力控制領域。

（3）新型節流閥的速度矢量分布圖可以看出，流體經過對稱的節流面后相互碰撞，降低了流體對閥座襯套的沖蝕磨損；新型節流閥閥芯和閥座襯套采用整體硬質合金材料增加了節流閥的耐磨性；閥芯始終貼靠在閥座上降低了閥芯和閥桿的振動疲勞。

（4）新型節流閥的執行器采用了液壓馬達和手輪共同帶動蝸輪蝸桿的復合機構，該機構具有自鎖功能、慣性小、無空行程，閥位開關迅速有助于快速和精確的閥位控制；手動蝸輪蝸桿機構還可以作為液壓系統失效情況下輔助操作手段。

4 結論

（1）節流閥的技術發展將會朝著節流特性精確平滑、閥體節流通徑大、執行機構反應迅速、制動性好而且自身造成的延時小的方向發展。

（2） 新型控制壓力鉆井用節流閥的研制成功提高了控壓鉆井的節流控制效果，解決了鉆井中遇到的復雜問題，為油田勘探開發做出了積極的貢獻。

（3） 新型控制壓力鉆井用節流閥由于流通能力、抗堵塞能力以及耐沖蝕性強的優點將會在精細壓力控制、鉆井井控以及油井測試等領域具有廣闊的應用前景。

［1］ HANNEGAN D, RICHARD J, et al. MPD-uniquely applicable to methane hydrate drilling ［R］ . SPE/IADC 91560.

［2］ BILL Rehm, JEROME Schumbert, et al. Managed pressure drilling ［M］. Gulf Publishing Company, 2008∶ 236-240.

［3］ 張建業，伍藏原，黃蘭，等.異常高壓氣井井口節流閥開度控制方法研究［J］.石油鉆采工藝，2010，32（S0）：115-117.