控制压力钻井用节流阀的研制.pdf

第 3 5卷 第 2期 2 0 1 3年 3月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LLI NG PR0DUCTI ON TECHNOLOGY Vo 1 ． 3 5 No ． 2 Ma r c h 2 0 1 3 文章编号1 0 0 07 3 9 3 2 0 1 3 0 20 l 1 0 0 3 控 制压 力钻 井用节流 阀的研 制 朱焕 刚 杨德 京 陈 永明 康 波 曹 强 李 建 成 胜利石油管理局钻井工艺研究院 ， 山东东营2 5 7 0 1 7 引用格式朱焕刚， 杨德京， 陈永明， 等 ． 控制压力钻井用节流阀的研制 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 1 3 ， 3 5 2 l 1 0 ． 1 l 2 ． 摘要随着控制压力钻井技术不断推广， 对控制压力钻井用节流阀的性能要求越来越高。文中分析了控制压力钻井用节 流阀的国内外研究现状， 指出了常规节流阀应用于控制压力钻井存在的问题 ， 提出了一种新型的控制压力钻井用节流阀， 并对 新型节流阀进行了流体特性分析， 得到了新型节流阀的流场分布和流量系数曲线。通过对比分析 ， 指出了节流阀的发展方向以 及 新型控制压力钻井用节流阀的广阔应用前景。 关键词 控制压力钻井 ；节流阀； 流量系数；蜗轮蜗杆；节流斜面 中图分类号 T E 9 2 6 文献标识码 B De v e l o pm e nt o f t he c ho k e us e d i n M PD z H U H u a n g a n g ， Y A N G D ej in g ， C H E N Y o n g m in g ， K A N G B o ， C A O Q ia n g ， L I J ia n c h e n g Dr i l l i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u te ， S h e n g l i P e t r o l e u m Ad mi n i s t r a t i o n B u r e a u ， Do n g y i n g 2 5 7 0 1 7 ， C h i n a Ab s t r a c t Ma n a g e d P r e s s u r e Dr i l l i n g M P D t e c h n o l o g y p u t s f o r wa r d h i g h e r r e q u i r e me n t s o n c h o k e p e rfo r ma n c e wi t h t h e e x t e n s i v e a p p l i c a t i o n o f MP D ． T h e p a p e r a n a l y z e d t h e r e s e a r c h s t a t u s o f t h e c h o k e u s e d i n MP D， a n d p o i n t e d o u t t h e p r o b l e m o f c o n v e n - t i o n a l c h o k e a p p l i e d O ll MPD． I t p r o p o s e d a n e w t y p e o f c h o k e f o r MP D， a n a l y z e d t h e fl u i d p r o p e r t i e s for t h e n e w c h o k e ． a n d a c h i e v e d t h e fl o w fi e l d a n d flo w r a t e c o e ffic i e n t ． Th r o u g h c o mp a r a t i v e a n a l y s i s ， i t a l s o p o i n t e d o u t t h e d e v e l o p i n g d i r e c t i o n o f t h e c h o k e a n d t h e b r o a d a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s o f t h e n e w c h o k e ． 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 ； f l o w r a t e c o e ffi c i e n t ； wo r m - a n d g e a r ； c h o k e b e v e l f a c e 控制压力钻井技术在国内外 E t 益得到重视 ， 已成 为钻井热点技术之一。2 0 0 5年， I AD C和 S P E曾专 门 召开欠平衡作业 U B O 和控制压力钻井 MP D 专 题会议进行研讨 ， 并为之做了定义 控制压力钻井技 术是一种能够更加精确地控制井眼环空压力剖面 的 改进钻井程序， 其目的是确定井下压力窗口 并以此为 依据进行环空压力控制 ⋯。控制压力钻井技术利用 闭式钻井循环系统、 专用节流管汇、 监测控制系统、 钻 具止回阀以及其他一些可选装备和技术来精确控制 整个井眼的环空压力剖面， 提高井眼控制能力。 控制压力钻井过程中， 节流阀始终控制井口返 出的钻井液， 把套压值控制在设计范围内， 节流阀是 连续带压工作的。与常规钻井井控作业相比， 其工 作时间更长， 对节流阀的工作可靠性、 使用寿命、 现 场 的可维护性 、 防止岩屑堵塞以及压力控制 的精确 性都提出了更高的要求。因此， 节流阀作为控制压 力钻井最终执行机构， 以及控压钻井的关键设备之 一 ，必须针对控制压力钻井的工作环境 和要求研制 一 种控制压力钻井用节流 阀。 1 国内外研究现状 节流 阀的主要特性取决于 阀芯与 阀座 ， 所 以按 照阀芯与 阀座 的结构分类 ， 主要有针形 、 筒形 、 筛孔 结构 笼式 、 太极 图 孔板式 结构 以及 楔形结 构。 节流阀的执行机构主要有手轮驱动 、 液缸 、 液压马达 配套蜗轮蜗杆 以及电动缸 4 种形式。 1 ． 1 国外研究状况 国外研究和制造控压钻井用节流阀的厂家主要 基金项目国 家 科技重大专项． 薄互 层低渗透油 藏开 发示范工 程 “ 薄五 层低渗 透油藏水平井 优快钻井 技术” 编号 2 0 1 1 Z X 0 5 0 5 1 ． 0 0 2 。 作 者 简 介 朱 焕 刚 ， 1 9 7 8 - _ 。 2 0 0 5 年 毕 业 于 长 江 大 学 ， 硕 士 研 究 生 ，现 从 事 欠 平 衡 钻 井 、 气 体 钻 井 和 控 制 压 力 钻 井 技 术 研 究 工 作 。电 语 1 5 0 6 6 0 0 7 5 6 6 。E - m a i l z h u h u a n g a n g 1 2 6 ． c o m。 朱焕刚等 控制压力钻井用节流阀的研制 有 3家 ， 其产 品特点如下 1 美国 P o we r We l l S e r v i c e s 公司的 P o we r C h o k e S C系列节流阀。阀芯为改进 的筒形结构 ， 其压力平 衡 型结构可 以使得节 流 阀控 制变得更加 平滑 ；气 动液压泵提供 液压源驱动液压马达 或者直接利用 电动马达 经过蜗轮蜗杆传动装置 ， 对节流阀阀芯进 行控制， 在蜗轮蜗杆传动装置上还并联了手动装置； 为了满足节流阀的连续精确控制， 液压马达的额定 起停泵次数可以达到 l 2 0 0 ～ 3 0 0 0 次 ／l l 。 节流阀的压力等级为 3 5 MP a 、 7 0 MP a 、 1 0 5 MP a 和 1 4 0 MP a；节流通径为 5 0 ． 8 i i l m和 7 6 ． 2 mm 。 2 美 国 T 3能源服务有 限公 司的 H XE系列 节 流 阀。专门为极端环境设计的 ， 阀芯为改进筒形结 构 ， 结构设计独特 ， 可实现精细节 流控制 ；阀芯表面 喷涂硬质合金， 可旋转任意角度安装， 延长使用寿 命 ；出 口下游采用硬质合金套 ， 比行业 中其他节流 阀抗冲蚀能力强 3 ～ 4倍 ；入 口及 出口设计为法兰短 节 ， 只需更换短节就可实现由壬或法兰连接。 节流阀的压力等级与 P o w e r C h o k e S C系列相 同， 同一阀体可安装 3 8 ． 1 mm、 5 0 ． 8 m m 和 7 6 ． 2 mm阀芯。 3 美国 M． I S WA C O公 司的 S wa c o S u p e r C h o k e 节流阀。阀芯 阀座是 2个重叠 的硬质合金圆盘 ， 圆 盘厚度 3 1 ． 8 mm， 圆盘上有半月形的通孔。前端圆盘 是 固定 的， 通过旋转后端圆盘来增大或者减小节流 通径， 当2 个圆盘重合时， 节流通径略小于 5 0 ．8 ra m； 气 动液压泵驱动液压油缸， 液压油缸带动齿轮齿条 驱动节 流阀的阀杆旋转。当气源供应不足时 ， 可 以 通过手动泵来提供液压源。当然， 也可以通过杠杠 来手动转动阀杆 J 。 节流 阀的压力等级与 H T X系列相 同， 节流通径 都是 5 0 ． 8mm。 4 美 国 M． I S WAC O公司 的 S w a c o A t u o C h o k e 节流阀。Amo C h o k e与 S u p e r C h o k e 是彻底不 同的节 流阀。A tu o C h o k e 内部具有一个液压驱动的硬质合 金材料 的滑 阀， 滑 阀带动 阀芯上下运动。液压源 的 压力作用在滑 阀的一端 ， 与另一端的井 口压力相平 衡。正常运行过程中利用气动液压泵驱动， 手动泵 是备用泵。 节流阀的压力等级为 7 0 MP a ；节流通径都是 7 6 ． 2 mm 。 1 ． 2 国内研究状况 国内常规钻井节流管汇一般配备的都是筒形节 流阀或者楔形节流阀， 节流阀的执行机构也都是手 动或者液缸驱动。国内对于井控节流阀的特性分析 和失效分析不少， 但是由于对控压钻井的研究起步 较晚， 还没有专门针对控制压力钻井用节流阀的设 计研究和生产 。 2 节流阀的特性分析与比较 节流阀流量系数 C v 值 反映节流阀对流体的 流通能力 J 。针对节流通径为 5 0 mm 的筒形和楔 形节流阀进行了室内试验和流体特性分析， 其流量 系数 C v与 阀位 的关系如 图 1所示 。图中 T 3 H XE 和 P 0 WE R C H OKE S C B两种 5 0 mm节流通径节流 阀的C v 数据都来 自于各自公司的网站。 阀 位 图 1 节流通径为 5 0mm的4种节流阀的流量系数对比 通过对 比图 1中节流阀的流量系数 以及常规筒 形节流 阀和楔形节流阀在 现场 的应用情况 ， 可以得 到以下认识 1 常规 的筒形节流阀和楔形节流阀在全开度时 的流量 系数较小 ， 从而使得同等流量下 ， 节流阀造成 的背压更大， 一方面会使得节流阀的工作条件更加 恶劣， 降低节流阀的寿命；另一方面， 当控制压力钻 井需要井 口背压为零 时 ， 节流阀的所能适应的流量 范围就变小， 降低了节流阀适应性。 2 常规楔形节流阀相对于常规筒形节流阀和进 口节流阀具有较好的线性 即流量不变时改变阀位 ， 节 流阀所形成背压 的变化情况 ；常规楔形节流阀线性 工作区为2 0 ％ 1 0 0 ％， 而常规筒形节流阀为 5 0 ／ 8 0 ％。 3 常规筒形节流阀阀芯是一悬臂梁的结构 ， 在 高压流体冲蚀过程中容易出现振动疲劳导致阀杆断 裂或者固定阀芯的螺栓脱落， 造成憋压。 4 常规 的筒形节流阀和楔形节流阀都是采用液 缸驱动， 液缸内油压的大小和方向的不断改变使得 节流阀的液缸密封提前损坏， 容易导致液压油的跑、 冒、 滴、 漏等环境污染问题；而且液压系统一旦失效 缺少可以应急操作的手动机构。而国外控制压力钻 井用节流阀的执行器都是液压马达驱动蜗轮蜗杆和 手动蜗轮蜗杆的组合 结构 ， 一方 面如果液压系统失 效， 可以利用手动蜗轮蜗杆进行应急操作；另一方 面， 由于液压马达的转速调节范围非常宽， 从而细分 了节流阀的行程， 可以更加精确地进行阀位控制。 ∞ 加 ∞ ∞ ∞ ∞ 加 。 删 1 1 2 石油钻采工艺 2 0 1 3 年 3月 第 3 5卷 第 2期 3 新型控制压力钻井用节流阀的研制 通过分析常规筒 形节流阀、 楔形节流 阀以及进 口节流阀的优缺点， 设计了一种新型的控制压力钻井 用节流阀， 如图 2所示。新型节流阀的阀芯上端呈圆 柱形， 在圆柱形的阀芯下端对称加工 2 个节流斜面， 节流斜面下部对称加工 2 个与阀芯圆柱端轴线平行 的节流竖直面；阀杆与阀芯通过固定销钉连接；阀 盖上安装有针对阀杆的防转销钉；执行器是液压马 达带动蜗轮蜗杆机构、 手动蜗轮蜗杆机构或者两者的 组合机构；阀芯和阀座衬套采用整体硬质合金材料。 通过流体计算软件对新型节流阀进行了流场分析， 其 垂直于入口端的截面的速度矢量分布图如图3 所示， 其流量系数 C v与进 口节流阀的比较如图 4 所示。 图 阀芯侧视 图 A． A 宙 1 ～指示杆； 2 一执行器； 3 一阀盖； 4 一防转销钉； 5 一阀杆； 6 ～阀体 ； 7 一 固定销钉； 8 一 阀芯； 9 一 阀座； I O 一 阀座衬套 l 1 一节流斜面 1 2 一节流竖直面 图 2 新型控 制压 力钻井用节流阀 图 3 新型 井用节流 阀速度 矢量 图 T 3 H XE 节流 阀。 节流通径5 0 mm T 3 H XE 节流 阀， 节流通径7 5 mm z 。 。 f ； 1 6 0 I 新型 节流阀 ， 节流通径7 5 iT l l n I 士 新 型节流 阀， 节流通径6 5 mm ／ 一 1 2 0 8 0 4 0 O 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 阀位／ ％ 图4 新型控制压力钻井用节流阀与进 口节流阀流量系数 对 比图 通过新型控制压力钻井用节流阀的分析可以 看出 1 新型节流阀在全开度时流量系数达到了进 口 节流阀的水平， 流通能力得到提高， 降低了节流阀在 大排量时的背压， 扩大了控制压力钻井节流管汇的 适用范围。 2 新型节流阀调节过程中， 压力和开度 的线性 更好 ， 更加适用于精 细压力控制领域 。 3 新型节流阀的速度矢量分布图可以看出， 流 体经过对称的节流面后相互碰撞， 降低了流体对阀 座衬套的冲蚀磨损；新型节流阀阀芯和阀座衬套采 用整体硬质合金材料增加了节流阀的耐磨性；阀芯 始终贴靠在 阀座上降低了阀芯和阀杆的振动疲劳。 4 新型节流 阀的执行器采用了液压马达和手轮 共 同带动蜗轮蜗杆的复合机构 ， 该机构具有 自锁功 能 、 惯性小 、 无 空行程 ， 阀位 开关迅速有助 于快速和 精确的阀位控制；手动蜗轮蜗杆机构还可以作为液 压系统失效情况下辅助操作手段。 4结 论 1 节流阀的技术发展将会朝着节流特性精确平 滑 、 阀体节流通径大 、 执行机构反应迅速 、 制动性好 而且 自身造成的延时小的方向发展。 2 新型控制压力钻井用节流阀的研制成功提 高了控压钻井的节流控制效果， 解决了钻井中遇到 的复杂问题 ， 为油 田勘探开发做 出了积极 的贡献。 3 新型控制压力钻井用节流阀由于流通能力 、 抗堵塞能力 以及耐 冲蚀性强的优点将会在精 细压力 控制 、 钻井井控以及 油井测试等领域具有广阔的应 用前景。 参考文献 [ 1 ] HANNE GAN D， R I CHAR D J ， e t a 1 ． MP D- u n i q u e l y a p p l i c a b l e t o me t h a n e h y d r a t e d r i l l i n g l R J ． S P E ／ I A DC 9 l 5 6 0 ． [ 2] BI LL Re h m， J E R OME S c h u mb e r t ，e t a 1 ． Ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g[ M ] ． Gu l f P u b l i s h i n g C o mp a n y ， 2 0 0 8 2 3 6 ． 2 4 0 ． [ 3 ] 张建业， 伍藏原， 黄兰， 等 ． 异常高压气井井口节流阀开度 控制方法研究 [ J ] ． 石油钻采工艺， 2 0 1 0 ， 3 S 0 1 1 5 1 1 7 ． 修 改稿收到 日期2 0 1 3 0 1 3 0 [ 编辑薛改珍 ] 一 ＼ ／ 阀 ＼ 一 、 ， 、 一 ～ 一 2 一 埘Ⅷ州堋Ⅷ瑚枷邶枷枷 喾i 一 l】1 1 1 9 7 5 3 l 2 』 ■■■●■■黑神