控压钻井自动节流管汇压力调节特性研究.pdf

第 4 2卷第 2期 2 O1 4年 3月 石 油 钻 探 技 术 P FTR LEUM DRI I I I N TECHNl QUES Vo 1 ． ，1 2 NO ． 2 M ， { r ．． 2 Ol 1 ． ． “ 9 7 3 ” 计划专题 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 0 4 控压钻 井 自动节流管汇压 力调节特性研究 张 涛 。 ，李 军 ，柳 贡慧 ，席 岩 ，孙 立升。 1 ． 中国石油大学 北京 机械与储运工程学 院， 北京 1 0 2 2 4 9 ； 2 ． 中国石油大学 北京 石油工程学 院， 北京 1 0 2 2 4 9 ； 3 ． 中国石油西气 东输管道公司山西管路处 ， 山西太原 0 3 0 0 0 1 摘要 现代 控压钻井作业中 ， 依靠 自动节流管汇施加和控制井 口回压 ， 从 而 间接控制 井底压力 。但 由于阀 门 的压力调节特性与阀门开度存在较大的非线性， 常规节流管汇很难通过单个节流阀实现全开度范围内的精确调 节。为了提 高控制精度 ， 利 用节流阀工作 的 3个状 态， 建立 了压力调节特性与流量调 节特 性的对应 关 系， 进 而建立 了节流管汇的压力调节特性模型， 并对压力调节精度及流量对压力调节特性的影响进行 了分析。 研究分析表明， 现 有节流阀压力调节特性呈现一定非线性； 通过优化阀芯可以增大节流阀的有效工作 区间， 但不能完全消除超调区 间； 钻 井液排量对节流 阀的压力调节特性影响较大 ， 设计 节流 管汇时应考虑排量 问题 。 关键词 控制压力钻井 节流管汇 节流阀 钻井液流量 压力控制 中图分类号 T E 9 2 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 O 2 0 1 4 0 2 0 0 1 8 0 5 Pr e s s u r e Re g u l a t i o n Cha r a c t e r i s t i c s o f Au t o ma t i c Cho ke M a n i f o l d i n M a na g e d Pr e s s u r e Dr i l l i ng Zh a n g T a o ， Li J u n 。 ， Li u Go n g h u i ， Xi Ya n ， S u n Li s h e n g 3 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d 丁 r ＆ s 户 0 r n ￡ o E n g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m Be i j i n g ， B e i j i n g， 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f Pe t r o l e u m E n g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m Be i j i n g ， Be i j i n g， 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a ； 3 ． S h a n a r i P i p e l i n e Di v i s i o n， C NP C W 5 E a s t G a s P i p e l i n e C o mp a n y， Ta i y u a n ， S h a n x i ， 0 3 0 0 0 1， Ch i n a Ab s t r a c t I n mo d e r n ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g o p e r a t i o n ， a u t o ma t i c c h o k e ma n i f o l d i S u s e d t o p r o v i d e a n d c o n t r o l we l l h e a d b a c k p r e s s u r e 8 0 a s t o c o n t r o l f o r ma t i o n p r e s s u r e ． Du e t o t h e n o n l i n e a r r e l a t i o n s h i p b e t we e n r e g u l a t i n g p r e s s u r e a n d c h o k e v a l v e o p e n i n g ， i t i s d i f f i c u l t t o a d j u s t t h e c h o k e v a l v e a c c u r a t e l y b y a s i n g l e c h o k e v a l v e wi t h i n t h e s c o p e o f f u l l o p e n i n g i n c o n v e n t i o n a l c h o k e ma n i f o l d ． I n o r d e r t o e n h a n c e c o n t r o l l i n g p r e c i s i o n， t h e c o r r e s p o n d i n g r e l a t i o n o f p r e s s u r e r e g u l a t i o n p e r f o r ma n c e a n d f l o w r a t e wa s e s t a b l i s h e d b a s e d o n t h e t h r e e wo r k i n g s t a t e s o f c h o k e v a l v e ， t h e mo d e l o f p r e s s u r e r e g u l a t i o n p e r f o r ma n c e wa s a l s o d e v e l o p e d ． B y a n a l y z i n g t h e p r e s s u r e a d j u s t i n g p r e c i s i o n a n d t h e e f f e c t o f f l o w r a t e o n p r e s s u r e r e g u l a t i o n p e r f o r ma n c e 。 i t i S c o n s i d e r e d t h a t p r e s s u r e r e g u l a t i o n p e r f o r ma n c e o f c h o k e v a l v e i S s o me wh a t n o n - l i n e a r ． o p t i mi z a t i o n o f v a l v e c o r e c a n i n c r e a s e i t s e f f e c t i v e wo r k i n g r a n g e ． b u t i t c a n ’ t e l i mi n a t e s u p e r a d j U S t i n g s c o p e ， t h e f l o w r a t e o f d r i l l i n g f l u i d s h a s a g r e a t e f f e c t o n p r e s s u r e r e g u l a t i o n p e r f o r ma n c e o f c h o k e v a l v e ， t h e f l o w r a t e s h o u l d b e p a i d g r e a t a t t e n t i o n wh e n d e s i g n i n g t h e c h o k e ma n i f o l d ． Ke y wo r d s ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g； c h o k e ma n i f o l d ； c h o k e v a l v e ； f l o w r a t e o f d r i l l i n g f l u i d； p r e s s u r e c o nt r o l 自动节流管汇是控制压力钻井 简称控压钻井 的重要装备之一 。利用节流管汇可以提供并控制井 口回压 ， 从而间接控制井底压力l 】 咱 ] 。常规节流管汇 的核心工作元件为节流阀， 通过控制节流 阀开度控 制井 口回压。将节流阀两端压差与节流阀相对开度 之间的关系定义为节流 阀压力调节特性 ， 研究节流 阀的压力调节特性对于节流阀的选择及控制系统中 的非线性补偿 问题具有重要意义 。 节流阀常用于流量调节系统 中， 理想的阀门具 收稿 日期 2 O 1 3 l O 一 0 8 ； 改回日期 2 0 l 卜 2 1 3、 作者 简介 张 涛 1 9 8 3 ， 男． 河北河间人 ． 2 0 0 7年毕业 于中 国 石油大学 华 东 自动化 专业． 2 1 2年获 中国石油 大学 北京 油 气井 工程专业博士学位． 在站博 士后． 主要 从事压 力管理钻 井理 论、 控 压 钻 井节流管汇 、 随钻测量工具 方面的研 究工作 联系方式 0 1 0 8 9 7 3 1 2 2 ,5 ． c h { mp d y l G 3 ． C O U I I ， 基金项 目 国家重点基础研究发展计 划 “ 9 7 3 ” 计 划 项 目“ 深 井 复杂地层钻 井压 力系统模型与规律” 编号 2 1 B 2 2 6 7 0 1 、 国家 自 然科 学基金项 目“ 基 于模型预测控 制理论与状 态机 架构的控压钻 井 压力控 制方法研 究” 编号 j l 3 7 l 2 2 3 和 中国博士后 科 学基金项 目 “ 基于 井 筒流 体 介 电 特性 的钻 井安 全 预 警 可 行 性 研 冤” 编 号 2 O l 3 M 1 1 l l 6 资助 第 4 2 卷第 2 期 张涛等． 控压钻井自动节流管汇压力调节特性研究 有快开、 平方根、 线性 、 等百分 比、 双曲线等 5 种最常 见的流量调节特性l 7 ] 。流量调节特性是指 ， 在 阀门 两端压差恒定条件下流体通过阀门的流量与阀门开 度之间的特性关系 。控压钻井 中， 节流 阀开度 的改 变并不影响管道中钻井液 的排量 ， 可近似看作恒流 量条件。控压钻井节流管汇压力调节特性正是在恒 流量条件下 ， 研究节流阀两端压差与节流阀开度之 间的特性关系。目前 ， 在研究节流 阀压力调节特性 时常用经验法 、 数值模拟法及试验法 。根据节流 阀 流通面积与压力之 间关系 的经验公式 ， 可初步判断 节流阀两端压差 与开度 之间存 在严重 的非线性关 系[ 8 ] ， 但应用经验公式需要限定条件， 而且计算精度 较为有限。通过数值模拟方法可得到节流 阀流通面 积与压力之间的关系_ g 1 ， 但 由于阀门形状、 型号种 类繁多 ， 利用数值模拟方 法不能得 出所有种类 阀门 通用的数学模型。利用试验法可 以得出精确的压力 和节流阀开度之间的特性曲线[ 1 ， 然而与流量特性 试验不同的是 ， 压力特性试验系统压力较高、 排量较 大， 仅能对一定种类的节流阀进行测试 ， 亦无法得 出 通用的数学模型 。为此 ， 笔者借助节流阀流量调节 特性的研究成果 ， 通过条件状态变换 ， 分析了节流阀 的压力调节特性 ， 以及流量 、 开度对压力控制精度的 影响， 以便为节流管汇设计 、 节流 阀选型和控制系统 设计提供一定 的理论指导 。 1 压力调节特性分析 常规节流管汇中含有一个节流阀， 对于含有一 个节流阀的管路 如图 1所示 ， 在节流阀前后 的管 路上取 盘 ， b两点进行分析 。在钻井工程中， 使用柱 塞泵进行作业 ， 柱塞泵的特点是流量相对恒定 ， 管路 摩阻与节流阀开度对其影响甚微 。 图 1常规 节流 管汇示意 F i g ． 1 Di a g r a m o f t r a d i t i o n a l c h o k e ma n i f o l d 在分析节流管汇的压力调节特性时 ， 需借助节流 阀流量特性的研究成果。但 由于流量特性 函数 的使 用条件为阀门两端压差恒定 ， 而节流管汇压力调节特 性的使用条件为通过节流阀的流量恒定 ， 因此推导过 程中需要引人与流量和压力无关的中间变量。 设定 3 个状态进行理论分析 ， 其 中状态 1至状 态 2保持压差恒定 ， 状态 2至状态 3 保持开度相同， 状态 1至状态 3为流量恒定 。 1 状态 1 。节流阀开度为最大开度 1 0 0 9 ／ 6 时， 通过节流 阀内的流体保持平衡状态 ， 节流阀两端压 差表示为l l1 A p 1 0 【] 一号 Q }o o 1 式中 A p ∞为节流阀全开时的前后压差 ， P a ； p为流 体密度 ， k g ／ m。 ； a 。 。 为节流 阀全 开时 的阀门阻力 系 数[ ； A为节流阀上游管路 的内截面积， m ； Q 。 。 为 通过节流阀全开时的流量 ， m。 ／ s 。 2 状 态 2 。保 持 状态 1的压 差 不变 A p 一 A p 。 。 ， 改变节 流阀开度 ， 则 系统 达到新 的平衡 状 态 ， 此时节流阀两端压差可表示为 A p 一号景Q i 2 式中 A p 。为节流 阀处 于某 一开度 时的前后压差 ， P a ； 为节流 阀处 于某一开度时 的阀门阻力 系数 ； Q 为通过处于某一开度时的节流阀的流量 ， m。 ／ s 。 式 2 与式 1 相除 ， 得流经节流阀的相对流量 一 厂 一 √ 警 ㈦ 式中 f 为节流阀的流量特性函数； l ／ L为节流 阀开度。 式 3 中前两项为节流阀流量系数的定义 ， 成立 条件为节流 阀两端压差相等 ， Q z和 Q ∞ 通过测量得 到。由于节流阀阻力系数 与阀芯形状 、 开度及 流 体性质有关 ， 与压差 、 流量无关 ， 因此在某一开度 时， 。 。／ 为固定值 。式 3 中后两项建立了节 流阀阻 力系数与开度之间的函数关系， 与压差、 流量无关 。 节流阀的流量特性与阀门结构 、 阀芯形状有关 ， 是节 流阀的固有特性 。 3 状态 3 。保持状态 2时的节流阀开度不变 ， 因此 已一 。改变通过节流阀的流量使 Q ⋯ 则系统达到新 的平衡状态 ， 节流 阀两端压差 A p 3 告 q-3 Q ； 4 式中 A p 。为节流 阀在状态 3时的前后压差 ， P a ； 已 为节流阀在状态 3 时的阀门阻力系数； 为节流阀 在状态 3时通过的流量， m。 ／ ／ s 。 式 4 除以式 1 ， 并将式 3 代 人其 中， 得到节 流阀相对压差一 开度关系为 石 油 钻 探 技 术 一 一 ㈣ △ 1 0 0 ao o f』、 式 5 即为节流阀压力调节特性模型。该模 型建立 了节流阀相对压差与开度之 间的对应关 系， 适用条 件为管路中流体不可压缩 、 流量恒定且处于紊流状 态 ， 而控压钻井过程正符合此条件。 将式 5 中的节 流 阀开 度 由 0逐 渐增 大 到 1 0 0 ， 并将不同流量特性公式代入式 5 中， 可得到 节流阀的压力调节特性曲线 ， 如图 2所示 。 蓄- l 圜 图 2 节 流 阀压 力调 节 特 性 曲线 Fi g ． 2 Pe rfo r ma n c e c ur v e s o f p r e s s u r e r e g ul a t i o n f o r c ho ke v a l v e 由图 2可知 ， 节流阀两端相压降与开度呈非线 性关系， 而且节流 阀流量特性不 同， 其相对压差 开 度 的非线性程度也不同， 当无 因次压力为 2 0 0时 ， 其 非线性程度 由强至弱依次为快开 、 直线 、 抛物线 、 等 百分 比流量特性 。等百分 比流量特性节流 阀， 随着 开度增大压力逐渐下降 ， 与其他节流 阀相 比线性度 最优 ； 快开流量特性节流阀。 在开度很小区间时压差 便迅速下降， 之后随着开度的增大压力变化缓慢 。 设计控压钻井节流管汇时 ， 选择节流阀应考虑 节流管汇所控制回压范围。如所需控制 回压范 围较 大 ， 则选用等百分比流量特性节流阀； 如所需控制 回 压范围较小， 则根据具体情况选择抛物线流量特性 或直线流量特性节流阀。 以线性度较好的等百分比流量特性节流阀为例 进行分析 。根据其压力调节特性 曲线 ， 将节流阀开 度分为 3个区间 见图 2 工为超调开度 区间 ； I I 为 有效开度区间； Ⅲ为无效开度区间。在超调开度 区 间， 节流阀两端压差对开度变化极为敏感 ， 微小开度 变化能引起极大的压力变化 ， 在超调开度区间节流 阀难以控制压力。在无效开度区间， 节流阀开度 的 变化对压力的影响甚微 ， 即使节流 阀有很大的开度 变化 ， 但压力变化不大， 因此在无效开度区间节流阀 对压力调节反应迟钝。而在有效压力 区间， 节流阀 两端压差与开度之间有相对较好的线性关系， 通过改 变节流阀开度能对压力进行精确控制。由图 2可知 ， 所有节流阀都存在压力超调区问、 有效区间和无效区 间， 只是流量特性不 同的节流阀， 3个 区间各 自所 占 总开度区间的比例也不同。通过特殊工艺加工的阀 芯， 可以增加有效 区间， 但 不能完全消 除压 力超调 区间 。 2 压力调节精度分析 对于 自动节流阀， 当输入信号变化时 ， 阀杆位置 亦随之 改变 。取 节 流 阀 阀杆最 小 可控 制 行程 为 △ f n ， △ f 。 越小 ， 阀芯的定位性能越好 ， 相 同条件下 在同样开度时 的压力 调节精度越高。取 △ 对应 的压力变化为 Ap ， 则有 Ap ⋯ i g Al i 6 式中 g A l 为压力调节特性 函数 。 如果节流阀对压力的最大控制范围为 A p ， 则节 流阀的压力控制精度可以表示为 a一 1 0 0 7 Ap 由于节流阀压力调节特性曲线呈非线性， 冈此不 同开度对应不同的 q 。以等百分 比流量特性节流阀 为例进行分析， 节流阀在大开度区间的压力控制精度 明显优于小开度区间的压力控制精度， 如图 3所示。 2 l l 1 奋 1 函 图 3节 流 阀 压 力 控 制 精 度 分 析 Fi g , 3 An a l y s i s o fpr e s s u r e c o nt r ol p r e c i s io n f o r c ho ke v a l v e 在图 3 节流阀不同开度处取开度 区问 △ ， 分 别对应压力调节特性 曲线上 的压力 区间 △ ． 和 A p z ， 由于 △ z 为节流阀阀杆最小可控制行程 ， 因 此 A p ⋯ 和 A p ⋯ 为节流阀在不同开度所能控制的 最小压力， 可以明显看出 A p A p ⋯ 。 定义节流阀压力调节率 c z 一 ／ N Pm i r 8 2 2 压 油 钻 探 技 恭 2 0 1 4年 3月 的安全压力会 使钻井作业发生危险事故 如设 备损 坏 、 地层压漏等。假如某井规定井 口回压范围为O ～ 1 0 MP a ， 钻井液排量为 2 0 0 m。 ／ h时 ， 节流 阀开度不 能低于 6 9 Y o ； 钻井液排量 为 5 0 r n 。 ／ h时， 节流阀开 度不能低 于 2 8 。因此 ， 节 流管汇 的工作 流量不 同， 节流阀的安全工作 区间也不相 同； 并且 ， 流量越 小 ， 节流阀的安全工作 区间越大 。 设节流阀最小可控开度 为 1 ， 对 图 5中的压 力调节特性 曲线求压力调节值 ， 得到如图 6所示 的 压力调节值 曲线 。 O 一 0 5 曼一 ＼ 趔 一 寒 一 趟 2 5 3 O ／ ， ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ Q5OIll ／h t l t l I Ql00m ／h Q200m ／h 节流阀开度 可增大有效区间的范围， 但不能完全消除超调区间。 3 节流 阀的压力调节特性受流量影 响比较大 ， 因此设计节流管汇时应预先确定节流管汇的工作排 量范围。 [ 1 ] [ 2 3 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 6 O 7 O 8 0 9 0 1 0 0 一 一 ％ L 6 j 图 6不 I司流量下的压力调节值 Fi g ． 6 Pr e s s u r e r e g u l at i n g va l u e a t d i f f e r e nt f l o w r a t e 图 6中， 假如要求节流管汇对 回压的控制误差 在 0 ． 5 MP a以内， 则在 5 0 i n 。 ／ h流量下 ， 节流阀的 工作区间为开度 3 2 ～1 0 0 ； 在 1 0 0 m。 ／ h流量 下 ， 节 流 阀 的工 作 区 间 为 开 度 5 2 ～ 1 0 0 0A； 在 2 0 0 i n 。 ／ h流 量 下 ， 节 流 阀 的工作 区间 为 7 2 ～ 1 0 0 。而在保持相 同开度 开度为 5 2 Y 00 情况下 ， 流量分别 为 5 0 ， 1 0 0和 2 0 0 m3 ／ h时 ， 回压控制误 差分别为 0 ． 1 ， 0 ． 5和2 ． 0 MP a 。 因此 ， 流量不仅 影 响节流管汇 中节流 阀的工作 区间 ， 还影 响节流 管 汇的控制精度 。 当然 ， 钻井 中的钻井液排量是在设计阶段已经 决定了的， 使用传统节流管汇不 能随意改变通过节 流管汇的钻井液排量 ， 因此常规节流管汇更适用于 较小排量的控压钻井作业 。 4 结论 1 常规节流管汇工作中只有一个节流阀作为 节流元件 ， 常见节流阀在恒定流量条件下其压力调 节特性都是非线性 的， 只是压力范围不 同非线性程 度也不相同。 2 依据压力调节精度可将 节流阀的工作 区间 分为无效区间、 有效区间和超调区间， 通过优化阀芯 [ 7 ] 参考文献 Re f e r e n c e s S a n t o s H M ， P an l l a n Re i d ， J o n e s J I ． e t a 1 ． De v e l o p i n g t h e mi c r o f l u x c o n t r o l me t h o d p a r t 1 s y s t e m d e v e l o p me n t ， f i e l d t e s t p r e p a r a t i o n a n d r e s u l t s 1 R { ． S P E 9 7 0 2 5 ， 2 0 0 5 ． Sa n t o s H M ， Ca t a k E， Ki n d e r J I ， e t a 1 ． Kic k d e t e c t i o n a n d c o n t r o l i n o i l b a s e d m u dr e a l we l 1 l e s t r e s u l t s u s ing m i c r o f l u x c D n t Y o l e q u i p me n V 【 R 1 ． S P E 1 0 5 4 5 4 ， Z 0 0 7 ． S a n t o s H ， Re i d P， La g e A． Op e ni n g 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