控压钻井节流阀阀芯轮廓曲线设计.pdf

2 0 1 3 年第 4 2 卷 第 l 1 期 第 5 5页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I E LD E QUI P MENT 2 0 1 3， 4 2 1 1 5 5 ～5 8 文 章 编 号 1 0 0 1 - 3 4 8 2 2 0 1 3 1 1 - 0 0 5 5 0 4 控压钻井节流 阀阀芯轮廓 曲线设计 王国荣 ， 陶思宇 ， 付玉坤 ， 朱 灏 西南石 油大学 机电工程学院 ， 成都 6 1 0 5 0 0 摘要 控压钻井节流阀是钻井 系统 中控制压力的关键部件 ， 控制 系统通过一定策略来改变阀的开度 从 而快速 、 精 确地控 制 井 口压 力 ， 要 求 节 流 阀 开度 和 阀两 端 压 降呈 近 似 线性 关 系。根 据 节 流 阀流 量、 压差与过流面积 的数 学关系， 采用曲线包络的数学方法建立了控压钻井节流阀阀芯轮廓线的数 学模型， 绘制 出开度一 压降呈线性关 系的阀芯轮廓 曲线， 并通过计算各 个开度 下的过流面积和压降 对所建模型进行 了验证。该数学模型可针对不 同工况下的 MP D节流阀设计提供理论依据 ， 具有 一 定 的工 程 实际意 义 。 关键词 控压钻井； 节流阀； 阀芯； 数 学模型 中图分 类 号 TE 9 2 7 文献 标识 码 A Pr o f i l e Cu r v e De s i g n o f Ch o k e Va l v e Tr i m o f M a n a g e d Pr e s s u r e Dr i l l i n g W ANG Gu o r o ng， TAO Si y u， FU Yu kun， ZH U Ha o Co l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l En gi n e e r i n g， So u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0， Ch i n a Ab s t r a c t M a n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g MP Di s a d r i l l i n g t e c h n o l o g y wh i c h c o u l d c o n t r o l t h e p r e s s u r e a ut o ma t i c a l l y i n t he d r i l l i ng pr o c e s s ． The c ho ke v a l ve i s o ne c o r e c ompo n e nt s i n p r e s s ur e c o n t r o l l i ng， t h r ou gh c e r t a i n s t r a t e g i e s， t he c o nt r o l s y s t e m r a p i dl y c ha ng e t he t h r ot t l i ng a r e a o f t h e c ho ke v a l ve t o c o nt r ol t he we l l b or e pr e s s u r e ． And t h e c ho ke v a l v e i s r e q ue s t e d t o me e t t he o pe n i n g pr e s s u r e d r op l i ne a r r e l a t i o ns hi p．Ac c o r di ng t o t h e m a t he ma t i c a l r e l a t i o ns hi p b e t we e n f l o w ， p r e s s ur e dr o p a n d f l o w a r e a， t he m a t he ma t i c a l mo de l of t he c o nt ou r l i ne of t he va l v e t r i m i s d e d uc e d by a do p t i ng t h e c ur v e e n ve l op e me t h od ．The c o nt our l i ne of t he v a l ve t r i m wh i c h c o nf o r m t o t he o pe ni ng p r e s s ur e dr o p l i ne a r r e l a t i ons hi p i s dr a wn a nd v e r i f i e d t hr o ug h t he c a l c ul a t i o n o f f l o w a r e a a n d p r e s s u r e d i f f e r e n t i a l i n e a c h o p e n i n g ． Th i s ma t h e ma t i c a l mo d e l c o u l d p r o v i d e a t h e o r y b a s i s f o r t he d e s i g n o f M PD c hok e v a l v e u nd e r d i f f e r e nt c o nd i t i ons ， a n d i t i s a l s o f u l l o f r e a l i s t i c m e a ni n gs i n e ngi ne e r i ng． Ke y wo r d s M PD； c h ok e v a l v e； v a l v e t r i m ； ma t he ma t i c a 1 mo de l 控 压 钻 井 技 术 Ma n a g e d P r e s s u r e D r i l l i n g ， MP D 是一种在欠平衡钻井技术基础上发展起来 的 先 进 工 艺 技 术 ， 它 能 够 把 井 底 的压 力 变 化 控 制 在 3 4 5 k P a 5 0 p s i 以内， 从而缩短钻井周期 ， 降低钻井 成 本 。 钻井作业中， 压力控制 的核心部件控压节 流阀是一种开度一 压差 L - A p 节流 阀， 它要 求 阀门 开度 L和 阀门前 后 压 差 △ 呈 线 性 关 系 ， 以保 证 控 压钻井作业时操作系统对井底压力调节的精确度和 操 控性 。 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 2 1 作者简介 王国荣 1 9 7 7 一 ， 男 ， 湖北仙桃人 ， 博 士 ， 主要从 事岩石 破碎学 、 钻头 以及井 下工具 和计算机仿 真等领 域的研究 ， E ma i l wg r 1 6 8 1 2 6 ． c o m。 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 3 年 1 1月 1 阀芯轮廓 曲线数学模型的建立 要得出一种新型阀芯的几何轮廓 ， 就必须根据 需要满足的条件来依次列 出每个条件所对应 的方 程。对于一种井 口节流 阀， 必须保证 阀门可以及时 控制压力变化 ， 防止压力冲击破坏井壁[ 2 ] 。 总的来说 ， 控压钻井节流阀阀芯轮廓曲线应符 合线 性调 节特 性方 程 、 几 何关 系方 程 和 流量 特 性 方 程 3 个 条件 。 1 ． 1 阀芯 曲线应 满足 的调节 特性 控 压节 流 阀是 一种 开度一 压 差节 流 阀 ， 即 阀芯 轮廓应满足 一 K c 1 z a p Lm a 式 中 K、 C为 常数 ； A p为 阀 门前后 压差 ； L 为 阀门 最 大开度 。 此公 式表 示 阀门前后 的压差 和 阀 门开 度呈线 性 关系， 这样就保证了进行控压钻井作业时对井筒压 力调节的精确度和良好的操控性。 再 由边界 条件 当 LL 时 ， A p 一0 ； L一0时 ， A p A p ， 得 出 f 0一 K c K c 一 0 l A p m ax K c c 一 1 即 K一 一 1 ， C一1 。 压降与开度关系式为 Ap一 1一 二 。 。 △p⋯ 2 1 ． 2阀芯 曲线应 满足 的几何 条件 阀芯的节流面积如图 1 所示。当阀芯位置给定 时 ， 设 阀芯 与阀座 之间 的最小距 离 为 MN， 则过 流面 积 A， 就是 图 中锥 环面 MNN M1 的侧面 积_ 4 ] 。 _ A l N l ． N 1 D 图 1 节流面积示意 锥环 面面积 为 A一 7 c R r t 3 式 中 R、 r 分别为锥环体上下圆半径 ； t 为母线长。 代入 图中几何关系有 z 。 一 Dz c o s 一0 4 式中 D为最大通径 ； 为夹角 ； ．z为阀芯轮廓线上 N 点的横坐标。 1 ． 3 阀芯 曲线 应满足 的流 量特性 条件 节 流阀 流量为 l 4 Q 。 √ 一 s ． 。 。 A ‘ ㈣ A 式 中 Q 为流量 ， m。 ／ h ； A 为最 大过 流面积 ， c m ； 为 阻力系数 ， 一 一1 ； lD 为流体密度 ， g ／ c m。 ； A p为压 差 ， 1 0 0 k Pa 。 1 ． 4阀芯 曲线数学 模型 的推导 根据 以上 3个条件及其对应方程 ， 联立式 3 、 式 5 ， 并用其他参数表示 A ， 则 A 一 其 中 L y xt a nO 将 6 代人式 4 得 z z Dz 丌 6 7 式 8 表示 在某 一 开度 下 ， 以 M 点 为基 准 ， 0在 取值范围内所对应的侧表面积相等的截锥体母线所 形成的曲线 等值面积曲线 。 在等值面曲线上 的点与点 M 构成的过流面积 相等 ， 如 MC 、 MC 、 MC 。 等 如图 2 。 ， c l ～ ● ’ ， l f ． ● - D 图 2任一开度下的等值面曲线 第 4 2卷第 1 1 期 王国荣 ， 等 控 压钻井节流阀阀芯轮廓 曲线设计 令 F z Dz 堂A 9 7 【 则 函数 F一0就表示各开度下等值面积曲线所 组成的等值面积曲线簇 如图 3 。 l J y- ＼ ／ D， 2 图 3 等值面 曲线簇 由于阀芯轮廓线 和所有等值面曲线都相切 ， 所 以有 f F 一0 j O F o ∞ I a 由式 6 ～ 7 、 9 ～ 1 O 得 阀芯轮廓 曲线数学 模 型 为 z Dz 堂A 一0 7 r a z z Dz A， 一 0 0 0 1 1 L xt a n 0 A， ／ 一 √ 5 0 9 。 A 。 1 -- L x Z P m ax Q lD 式 中 Q 为 流 量 ， r lrl 。 ／ h ； D 为 最 大 通 径 ， C I T I ； 0为 夹 角； A为最大过流面积 ， c m ； ．D 为流体密度 ， g ／ c m。 。 2阀芯轮廓 曲线 的求解 和验证 2 ． 1数 学模 型求解 建立 数学 模 型之 后 ， 针 对 5 0 ． 8 mm 2英 寸 阀 芯， 代入已知数据并利用 Ma t l a b解方程_ 7 ] ， 并把 1 ～ 2 7 mm 开度 3 ～9 0 的开度值按 间隔 1 mm 赋给 L， 以此求出节流 阀在 1 ～2 7 mm 开度下 的阀 芯轮廓点， 然后进行拟合。轮廓点数据如表 1 。 表 1轮廓点数据 开霞 L f ．3 2 ， 歼霞 L f z mlT l 坐标 坐标 mm 坐标 坐标 1 1 ．19 8 0 0． 97 6 2 1 5 1 ．6 79 0 1 4． 91 2 8 2 1 ．2 20 0 1 ．97 0 4 1 6 1 ．7 40 0 1 5． 89 2 4 3 1 ．2 43 0 2 ．9 60 6 1 7 1 ．8 09 0 1 6． 87 9 5 4 1 ．2 68 0 3 ．9 82 9 1 8 1 ．8 86 0 1 7． 8 41 8 5 1 ．2 93 0 4 ．9 51 7 1 9 1 ．9 75 0 1 8． 81 4 7 6 1 ．3 21 0 5 ．9 76 8 2 O 2 ． 077 0 1 9 ．77 4 2 7 1 ．3 5 0 0 6 ．9 75 4 2 1 2 ．1 9 5 O 2 O ．71 4 1 8 1 ． 38 0 0 7 ．9 45 4 22 2 ． 33 3 0 2 1 ．61 8 8 9 1 ． 413 0 8 ．9 43 0 23 2 ． 49 8 0 2 2 ．4 60 0 1 0 1 ． 449 0 9 ．9 5 4 7 24 2 ． 68 4 0 2 3 ．1 3O 2 1 1 1 ． 487 0 1 0 ．9 42 6 25 2 ． 88 3 0 2 3 ．5 92 7 1 2 1 ． 52 8 0 1 1 ．9 24 5 26 3 ． 06 4 0 2 3 ．9 29 9 1 3 1 ． 57 4 0 1 2 ．9 32 0 27 3 ． 06 4 0 2 3 ．9 29 9 1 4 1 ． 62 4 0 13 ．9 26 3 由以上数据拟合阀芯轮廓及方程， 如 图 4 。 O O． 5 一1 ． O 1 ． 5 2． O 一2． 5 3 ． 0 0 1 2 3 4 5 6 Y 2 1 7 2x 一2 6 4 9 x 1 3 0 ．2 x 一3 2 6． 8 x 4 2 8 ． 5 x一2 1 8 图 4 拟合阀芯轮廓及方程 再利用 Ma t l a b编程对新型阀芯各百分 比下 的 节流 性能 进 行 计 算 。新 型 阀 芯 有效 行 程 总 长 为 2 7 mI n， 即每 1 mm 约 对应 3 开度 ， 结果 如表 2所 示 。 表 2 验证运算 5 8 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 3年 1 1 月 续 表 2 2 ． 2 新型 阀芯 调节特 性验 证 要验 证 阀芯 调 节 特性 的 正确 性 ， 需 要先 找 到各 个开度下阀芯阀座上所有点之间的两两距离 即截 锥体母线长度 ； 然后利用公式计算每一条母线对 应 的过流 面积 ； 并记 录该最 小过 流面积对 应 的 阀芯 、 阀座坐标 ； 最后验证每组坐标值是否符合数学模 型 算出的理论坐标值 ， 如表 2 。 通 过 比对 ， 根 据 表 中数 据 绘 制开 度一 压 降 曲线 ， 如图 5 。所得数据符合每个开度下数学模型所对应 的坐标值 ， 证明此数学模型是正确的。 图 5 开度一 压降关 系曲线 另外 ， 对于流体来说 ， 节流阀的内部结构和由阀 芯阀座形状变化引起的流体形态变化也会对节流阀 的节流效 果产 生一定 的影 响L 9 ] 。这 类影 响在此 暂 不 讨 论 。 通过理论验证可知 由此数学模 型绘制出的阀 芯轮廓具有 良好的开度一 压降线性关系 ， 可以从理论 上保证 控 压 钻 井 过 程 中 节 流 阀 的 调 节 精 度 和 控 制 精度 。 3 结论 I 根据控压节流阀阀芯轮廓曲线需要满足的 调 节性能 、 几何 关系 和流量 特性 3个条 件 ， 通 过公 式 推导建立了阀芯轮廓 曲线 的数学模 型； 再经过验证 计算 证 明了数 学模 型 的正 确性 。 2 所得 出 的阀芯轮 廓 曲线 理论 上符合 控压 钻 井要求 ， 但如果要投入实际应用 ， 还必须通过仿真优 化 和试验 验证 。 3 推导数学模型的方法以及所得出的阀芯轮 廓线数学模型可以为控压钻井节流阀的阀芯形面设 计 提供 理论 依据 ， 具 有一 定 的工程应 用价 值 。 参考文献 [ 1 ] 伊 明， 陈若铭． 控压 钻井 系统 研究 I- J - 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s c a l e a i r c h a n n e l s f o r e n h a n c i n g h e a t t r a n s f e r a n d r e d u c i n g p r e s s u r e d r o p [ J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f He a t a n d Ma s s T r a n s f e r， 2 0 0 8， 5 1 2 3 3 5 2 3 4 5 ．