并聯節流管匯壓力調節特性及實驗研究

項 凱

（中海油田服務股份有限公司，河北廊坊 065201）

0 引言

節流管匯是控制壓力鉆井技術中的關鍵裝備，利用節流管匯上閥門水頭損失產生的井口回壓，通過控制井口回壓值，從而間接控制井底壓力[1-6]。目前節流管匯廣泛使用的是一個節流閥。對于只含有一個節流閥的節流管匯，節流閥兩端壓差與節流閥開度之間存在很強的非線性，難以實現在全開度范圍內的精確調節[7-8]。利用特殊工藝加工定制的節流閥雖然在精度上滿足要求，但價格昂貴，增加了控壓鉆井的作業成本，限制控壓技術的廣泛應用。隨著石油鉆井作業的地層環境越來越復雜，壓力窗口逐漸變窄，對精確控制井口回壓提出了更高的要求，地面節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）。針對目前節流管匯壓力特性曲線差，對閥門硬件要求高等問題，提出通過節流閥并聯方式實現多級精細節流的管匯系統。

并聯節流管匯由多個節流閥支路并聯組成，支路分為主調節支路和副調節支路。利用主調節支路對井口回壓進行精細調節，利用副調節支路限制最高壓力，多條支路對鉆井液分流，減少了鉆井液對節流閥的沖擊。因此，并聯節流管匯具有控制效果好、工作安全、節流閥使用壽命長等優點。

1 傳統節流管匯壓力特性分析

傳統節流管匯主要包含一個節流閥，節流閥前后管路內徑一致，分別在節流閥前后管路上取a、b兩截面分析。

通過水力計算，得到節流閥壓差計算公式[9]：

式中：ΔP為節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，無因次，當雷諾數足夠大時，阻力系數為閥門開度K的函數；Ab為節流閥下游b點管路的內截面積，m2；ρ為流體密度，kg/m3。

通過式（1）可以看出，節流閥前壓力（Pa）與通過節流閥的流體流量（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。

假設節流閥在開度100%時的阻力系數為ξ100，則節流閥在任意開度的阻力系數ξ與ξ100存在如下函數關系：

函數f（K）由閥座和閥芯形式決定，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），得到節流閥前后壓差與閥門開度的關系公式：

定義節流閥兩端無因次壓力差為：

以直線特性節流閥為例進行分析，將開度由0逐漸增大到100%，根據式（4）繪制節流閥壓力調節特性曲線（圖1）。

圖1中，對于使用單個節流閥的節流管匯，其壓力特性曲線包含3個區間，A區間為超調區間，在此區間節流閥開度的微小變化將引起壓力的劇烈變化，節流閥前壓力不可控。A區間位于節流閥小開度區間。C區間為無效區間，此區間節流閥開度的變化對回壓值的影響較小，對壓力控制不靈敏。B區間相對A、C區間有較好的線性度，節流管匯工作時應盡量使節流閥開度保持在B區間。

圖1 節流閥壓力調節特性曲線

節流閥的閥芯形狀不同，壓力特性曲線線性度也不相同。單節流閥的壓力特性曲線都包括A、B、C三個區間，只是不同節流閥3個區間所占比例不同。

2 并聯節流管匯壓力調節特性

并聯節流管匯是由兩條或多條支路并聯組成的節流管匯，每條支路有一個節流閥。以兩條支路的并聯節流管匯為例（圖2），其由主、副兩條完全相同的調節支路構成。圖2中F1為主調節支路的節流閥，F2為副支路節流閥。

圖2 并聯節流管匯簡圖

多級并聯節流管匯中每個支路較短，水力學計算時忽略沿程與接頭處的局部水頭損失，只考慮節流閥處的局部水頭損失。基于以上建設條件，可知各個支路節流閥前壓力相等，同樣各個支路節流閥后的壓力也相等。由于管內流體遠小于音速，視為不可壓縮流體。

根據并聯管路的兩個特點[9，13]：

（1）并聯管路各條支路阻力相等：hf1=…=hfi=…=hfn

（2）并聯管路總流量等于各個支路流量之和：Q=Q1+…+Qi+…+Qn結合連續性方程得到各個支路中流體流量計算公式：

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條支路節流閥的阻力系數，無因次；n為總支路條數。

根據式（3）和式（4）可以計算并聯節流管匯中節流閥兩端無因次壓力差：

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

圖3 并聯節流管匯壓力特性曲線

在圖3中，通過對比并聯節流管匯與不同流量下單節流閥的壓力特性曲線看出，并聯節流管匯壓力特性曲線有較好的線性度。此外，應用并聯節流管匯完全可以消除主節流閥F1的超調區間，減小無效區間，可以在0～100%開度區間工作，使控制效果得到提高。

在并聯節流管匯工作時，主調節支路與副調節支路的發揮的作用不同。主調節支路是精準調節支路，工作時可以任意調節節流閥F1的開度；副調節支路是分流支路，工作時通過調節節流閥F2的開度來控制并聯節流管匯壓力特性曲線。F2不同開度對壓力特性曲線的影響見圖4。

圖4 副支路節流閥開度對壓力特性的影響

在圖4中，副支路節流閥F2的開度對節流管匯壓力特性影響較大。F2全關時，壓力特性曲線非線性程度表現最強，可控最高壓力最高；當F2依次調節為20%、30%、40%的開度時，最高可控壓力呈現逐漸降低，非線性程度也逐漸變弱。由此可以得出，通過控制副支路節流閥開度可以有效控制節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）可計算通過并聯節流管匯兩條支路中的流量。將F2置于一定開度（非全開、全關狀態）保持不變，F1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，并聯節流管匯每條支路中的流量比總流量低，減少了鉆井液對節流閥的沖擊。

圖5 并聯節流管匯支路流量分配

3 實驗驗證

為了驗證并聯節流管匯壓力調節能力，針對單節流閥節流管匯與并聯節流管匯進行水力學實驗分析。實驗裝置如圖6所示。

圖6 并聯節流管匯實驗裝置

實驗中使用的節流管匯為四支路并聯節流管匯，每條支路中含有一個節流閥，四條支路閥門編號分別為F1、F2、F3、F4。實驗中使用F1、F2，關閉F3、F4。此外，為了保證實驗中排量恒定，實驗系統中泵為柱塞泵。

實驗1：測試單節流閥壓力特性。關閉閥門F2，只用支路1。調節節流閥F1，從最大開度逐漸減小開度，記錄壓力值與對應節流閥F1開度。

實驗2：測試并聯節流管匯壓力特性。首先暫時關閉F1，從最大開度逐漸減小F2的開度，當壓力值升高到一定高度時（實驗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，記錄壓力值與對應的F1開度。增大F2的開度到一定值，再次重復實驗2。實驗結果如圖7所示。

圖7 并聯節流管匯壓力特性曲線對比

由圖7可知，副支路全關時（即只使用F1），壓力上升速度快，當主節流閥的開度由100%減小到78%時，回壓值即達到1.4 MPa。而副節流閥F2有開度時，隨著主節流閥F1的開度由大到小，回壓值緩慢平穩上升。而改變副節流閥F2的開度，主節流閥F1即有一條不同的壓力調節曲線。圖7中測量曲線與圖4中理論推導曲線有相同的變化趨勢，因此證明理論分析正確無誤。圖7中節流閥開度為100%時，單節流閥壓力特性曲線與并聯節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果。

實驗結果表明，并聯節流管匯與單節流閥節流管匯相比可以任意改變可控壓力區間，擴大節流閥工作區間，改善壓力特性曲線線性度。

4 結論

通過理論推導及實驗驗證得到如下結論：

（1）相同工況條件下，并聯節流管匯與單節流閥節流管匯相比，節流閥超調區間消除，無效區間減小、壓力特性曲線線性度得到優化，控制效果得到提升。

（2）并聯節流管匯針對回壓值通過副支路節流閥動態調節可控壓力范圍，使主節流閥始終工作在最優區間，使控制效果達到最優。