王 果

(中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院)

控壓鉆井技術(shù)[1-4]是自動(dòng)化鉆井的一個(gè)方面，其通過(guò)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和井口設(shè)備對(duì)井筒壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)安全鉆井。在控壓鉆井系統(tǒng)中，通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流管匯上的節(jié)流閥[4]來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)井口回壓的控制，保持整個(gè)鉆井過(guò)程井口壓力的平衡，是控壓鉆井系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)壓力控制的關(guān)鍵組成部分。

目前國(guó)外高精度節(jié)流閥[2,5-6]有NOV的HXE、Expro的PowerChoke、M-I Swaco的SuperChoke等。其采用液壓馬達(dá)+蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)方式，定位精度高、節(jié)流性能曲線好、控制精度高、易控制使用。國(guó)內(nèi)常用節(jié)流閥[5-11]有針形節(jié)流閥、筒形節(jié)流閥、楔形節(jié)流閥等。節(jié)流壓降與開度非線性變化，小開度下調(diào)節(jié)波動(dòng)大，大開度下調(diào)節(jié)反應(yīng)遲鈍，難以滿足計(jì)算機(jī)精確連續(xù)調(diào)控需求；執(zhí)行機(jī)構(gòu)為液壓缸，無(wú)法快速準(zhǔn)確定位行程；閥芯為懸臂梁結(jié)構(gòu)，不耐沖蝕。

本文針對(duì)現(xiàn)有鉆井節(jié)流閥的缺點(diǎn)，提出了線性節(jié)流閥設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選型分析，通過(guò)性能試驗(yàn)驗(yàn)證了節(jié)流閥的設(shè)計(jì)理論。這種新型節(jié)流閥具有較好的壓降隨開度線性變化特性，結(jié)合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，調(diào)節(jié)過(guò)程控制精度高、可靠性強(qiáng)、反應(yīng)靈敏。線性調(diào)節(jié)節(jié)流閥可為控壓鉆井系統(tǒng)、井控節(jié)流系統(tǒng)提供關(guān)鍵部件，降低調(diào)控難度，提高控制精度，具有重要的理論價(jià)值和工程意義。

一、線性節(jié)流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.閥芯結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

1.1 壓差線性變化目標(biāo)方程

節(jié)流閥調(diào)節(jié)的本質(zhì)是改變閥芯與閥座的間隙(即過(guò)流面積，如圖1所示)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)流壓差的調(diào)節(jié)。設(shè)定節(jié)流閥前后壓差與閥芯開度成線性關(guān)系的目標(biāo)，就可以連續(xù)精確調(diào)控，建立目標(biāo)方程如下：

Δp=a×L+b

(1)

式中：a、b—常數(shù)；

Δp—閥門前后壓差，MPa；

L—閥芯當(dāng)前位移，mm。

當(dāng)節(jié)流閥處于最大和最小開度時(shí)，邊界條件分別為L(zhǎng)=Lmax時(shí)，Δp=0；L=Lmin=0時(shí)，Δp=Δpmax，代入式(1)即可求出常數(shù)a和b。故式(1)可改寫為：

(2)

其中：L=y+xtanθ

式中：x—閥芯輪廓線上N點(diǎn)的橫坐標(biāo)，cm；

y—節(jié)流閥到N點(diǎn)的垂直位移，cm；

Δpmax—節(jié)流閥開度最小時(shí)的最大壓差，MPa；

Lmax—節(jié)流閥最大開度，cm。

圖1 節(jié)流閥過(guò)流面積示意圖

圖2 節(jié)流閥流動(dòng)變化示意圖

1.2 節(jié)流閥流動(dòng)特性方程

節(jié)流閥流體流動(dòng)特性[12-17]變化簡(jiǎn)圖如圖2所示，節(jié)流閥出入口過(guò)流面為A1，節(jié)流閥最小過(guò)流面積為A2，由伯努利方程[12-13]和連續(xù)性方程可得：

(3)

式(3)兩個(gè)方程聯(lián)立消去v2則得：

(4)

式中：A2—錐環(huán)側(cè)面積(過(guò)流面積)，cm2；

A1—最大過(guò)流面積，cm2；

Q—排量，m3/h；

ρ—流體密度，g/cm3；

Δp—閥門前后壓差，MPa。

1.3 最小過(guò)流面積方程

如圖1所示，當(dāng)給定閥芯位置時(shí)，設(shè)閥芯與閥座之間的最小間距為L(zhǎng)MN，則過(guò)流面積[7,18]就是圖中的錐環(huán)面MNN1M1的側(cè)面積，其計(jì)算公式為：

(5)

式中：A2—錐環(huán)側(cè)面積，cm2；

d和D—分別為錐環(huán)上下圓直徑，cm，

d=D-2x；

LMN—閥芯閥座最小間距，cm，LMN=x/cosθ。

將幾何條件代入式(5)則得：

(6)

式中：D—閥座內(nèi)通徑，cm；

θ—MN和M1N1的夾角，°；

x—閥芯輪廓線上N點(diǎn)的橫坐標(biāo)，cm。

1.4 閥芯曲面結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

聯(lián)立式(2)、式(4)、式(6)得閥芯閥座等值面積曲線方程：

(7)

式(7)表示某一開度下，以M點(diǎn)為基準(zhǔn)，θ在取值范圍內(nèi)所對(duì)應(yīng)的側(cè)表面積相等的截錐體母線所形成的曲線(等值面積曲線)。由于閥芯輪廓線和所有等值面曲線都相切，所以閥芯輪廓曲線滿足：

(8)

通過(guò)數(shù)學(xué)方法[18-19]求解式(8)即可得出滿足需求的節(jié)流閥閥芯結(jié)構(gòu)。

2.閥芯結(jié)構(gòu)模型求解

閥芯設(shè)計(jì)參數(shù)為：閥芯直徑38.1 mm，最大節(jié)流壓差10 MPa，工作排量為72 m3/h，流體密度1.7 g/cm3，將設(shè)計(jì)參數(shù)分別代入式(8)，求出節(jié)流閥閥芯輪廓數(shù)據(jù)，繪制出閥芯輪廓曲線圖如圖3所示。圖中閥芯L坐標(biāo)為負(fù)號(hào)表示閥芯是按拔出方向進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3 ?38.1 mm閥芯擬合曲線

采用多項(xiàng)式對(duì)曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得閥芯結(jié)構(gòu)曲線方程如式(9)所示，根據(jù)該方程即可設(shè)計(jì)出符合要求的線性節(jié)流閥閥芯、閥座。

L=0.014x6-0.378x5+4.345x4-26.785x3+94.948x2-187.826x+141.207(1.559≤x≤6.506)

(9)

3. 節(jié)流閥整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)出閥芯閥座的基礎(chǔ)上，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化選型分析，對(duì)節(jié)流閥閥體、閥蓋、閥桿、密封件等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最終形成一套完整的節(jié)流閥結(jié)構(gòu)(見圖4)。該結(jié)構(gòu)包括液壓馬達(dá)、手輪、渦輪蝸桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、快拆導(dǎo)軌總成、閥體、閥蓋、閥桿總成與閥座等組成部分。閥座通過(guò)閥座外套固定在閥體內(nèi)腔流體出口部，閥蓋與閥體之間通過(guò)由壬螺母進(jìn)行固定連接；閥芯通過(guò)螺栓與閥桿連接，閥芯整體采用硬質(zhì)合金材料；閥桿總成上端通過(guò)圓柱銷與渦輪蝸桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的絲桿總成相連接；液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器帶動(dòng)蝸輪蝸桿[2,9-11]轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)閥桿總成的上下移動(dòng)；快拆導(dǎo)軌總成卡箍從兩端夾持連接法蘭，托架通過(guò)導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)節(jié)流閥快速裝卸。

圖4 線性節(jié)流閥整體結(jié)構(gòu)部件圖

1手輪 2手輪壓緊螺母 3手輪連接螺母 4閥桿 5閥芯 6閥芯連接螺栓 7閥體 8渦輪蝸桿執(zhí)行機(jī)構(gòu) 9連接法蘭 10閥蓋由壬 11盤根壓帽 12密封組合 13閥蓋 14閥座 15注脂口堵頭 16液壓馬達(dá) 17快拆導(dǎo)軌

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：①閥芯結(jié)構(gòu)采用理論模型方法并結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，大大縮減設(shè)計(jì)周期，提高節(jié)流精度；②閥體中設(shè)計(jì)長(zhǎng)閥蓋結(jié)構(gòu)，縮小懸臂長(zhǎng)度，大大降低閥芯沖蝕斷裂的幾率；③根據(jù)線性節(jié)流閥的精確控制需求，線性節(jié)流閥采用液動(dòng)馬達(dá)+蝸輪蝸桿的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其響應(yīng)速度快，定位精準(zhǔn)，所需扭矩小；④快拆導(dǎo)軌總成是快速拆裝閥芯、閥座而設(shè)計(jì)的輔助機(jī)械，便于現(xiàn)場(chǎng)維修保養(yǎng)。

二、節(jié)流閥性能試驗(yàn)

1.試驗(yàn)原理方案

試驗(yàn)原理方案如圖5所示，通過(guò)使用高壓柱塞泵、流量計(jì)、壓力傳感器、位移傳感器及液壓站等設(shè)備，以及試驗(yàn)管路，對(duì)節(jié)流閥的節(jié)流性能進(jìn)行模擬試驗(yàn)。開泵后，針對(duì)閥芯開度，通過(guò)液壓控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)閥芯開度的精確控制，并記錄下閥芯開度數(shù)顯儀的讀數(shù)；同時(shí)，通過(guò)分組記錄流量計(jì)和壓力傳感器的讀數(shù)，檢驗(yàn)各個(gè)開度下閥門的前后壓差，繪制節(jié)流閥性能曲線。

圖5 節(jié)流閥性能實(shí)驗(yàn)原理圖

主要試驗(yàn)參數(shù)為：3NB-800三缸柱塞泵，最大排量115 m3/h；LSYB-2088壓力傳感器，精度0.5%，量程0～20 MPa；電磁流量計(jì)精度0.5，最大量程900 m3/h；位移傳感器精度0.08%，最大量程100 mm；液壓排量10.58 L/min；節(jié)流閥通徑50.8 mm，閥芯有效行程30 mm，閥芯尺寸38.1 mm。

2.試驗(yàn)結(jié)果分析

為保證試驗(yàn)有效性，在對(duì)線性節(jié)流閥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，先進(jìn)行了針形閥芯的節(jié)流閥性能實(shí)驗(yàn)(見圖6)。從圖6中可以看出，針形閥芯節(jié)流閥的壓降曲線與調(diào)研資料相符，說(shuō)明本次試驗(yàn)條件設(shè)置、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理方式準(zhǔn)確有效。在同樣的條件下進(jìn)行線性節(jié)流閥的性能試驗(yàn)可以滿足驗(yàn)證對(duì)比的需求。

從圖6中可以看出，在25%～85%開度范圍內(nèi)節(jié)流閥試驗(yàn)壓降隨開度線性變化，并且其與理論設(shè)計(jì)壓降曲線吻合度非常好。在壓降線性變化的開度范圍之外，節(jié)流閥的試驗(yàn)壓降與理論設(shè)計(jì)壓降出現(xiàn)較大偏差，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)的閥芯閥座配合關(guān)系在開度的兩端(最大和最小開度)調(diào)節(jié)時(shí)其受節(jié)流閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響較大。這種兩端逐漸偏離理論設(shè)計(jì)的現(xiàn)象只能通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行改善，但無(wú)法完全消除。

圖6 線性節(jié)流閥壓降性能曲線圖

通過(guò)圖6對(duì)比可知，使用傳統(tǒng)針型節(jié)流閥進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)時(shí)存在較大的弊端，在小開度范圍內(nèi)壓力變化過(guò)快，調(diào)節(jié)時(shí)壓力波動(dòng)大；在大開度范圍內(nèi)壓力變化慢，調(diào)節(jié)時(shí)反應(yīng)遲鈍。研發(fā)的線性調(diào)節(jié)節(jié)流閥可以在較大的開度范圍內(nèi)(25%～85%)實(shí)現(xiàn)壓降隨開度線性變化，滿足連續(xù)精確調(diào)控的需求。

三、結(jié)論

(1)線性節(jié)流閥可實(shí)現(xiàn)在25%～85%開度范圍內(nèi)壓降隨開度線性變化。依據(jù)壓降隨開度線性變化的目標(biāo)方程、幾何關(guān)系、節(jié)流閥特性方程，通過(guò)數(shù)學(xué)處理推導(dǎo)建立了線性節(jié)流閥閥芯閥座結(jié)構(gòu)模型。

(2)通過(guò)整體結(jié)構(gòu)零部件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了完整的節(jié)流閥，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)精度高，響應(yīng)時(shí)間快，開度定位準(zhǔn)，方便現(xiàn)場(chǎng)拆裝維修，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

(3)研制的線性調(diào)節(jié)節(jié)流閥，其調(diào)節(jié)性能得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)與傳統(tǒng)針型節(jié)流閥對(duì)比分析，論證了這種新型節(jié)流閥在連續(xù)精確調(diào)控方面所具有的優(yōu)勢(shì)。

(4)節(jié)流閥的沖蝕機(jī)理和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步進(jìn)行研究，從結(jié)構(gòu)上提升耐沖蝕能力。同時(shí)還需要研發(fā)一套適應(yīng)能力強(qiáng)的控制軟件，實(shí)現(xiàn)該節(jié)流閥的自動(dòng)精細(xì)控制。

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