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 257017）

控制压力钻井技术在国内外日益得到重视，已成为钻井热点技术之一。2005 年，IADC 和SPE 曾专门召开欠平衡作业（UBO）和控制压力钻井（MPD）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［1］。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有3 家，其产品特点如下：

（1）美国Power Well Services 公司的Power Choke SC 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1 200～3 000 次/h。

节流阀的压力等级为35 MPa、70 MPa、105 MPa和140 MPa ；节流通径为50.8 mm 和76.2 mm［2］。

（2） 美国T3 能源服务有限公司的HXE 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Power Choke SC 系列相同，同一阀体可安装38.1 mm、50.8 mm 和76.2 mm 阀芯。

（3）美国M-I SWACO 公司的Swaco SuperChoke节流阀。阀芯阀座是2 个重叠的硬质合金圆盘，圆盘厚度31.8 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50.8 mm；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［2］。

节流阀的压力等级与HTX 系列相同，节流通径都是50.8 mm。

（4）美国M-I SWACO 公司的Swaco AtuoChoke节流阀。AtuoChoke 与SuperChoke 是彻底不同的节流阀。AtuoChoke 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70 MPa；节流通径都是76.2 mm［2］。

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（Cv 值）反映节流阀对流体的流通能力［3］。针对节流通径为50 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Cv 与阀位的关系如图1 所示。图中T3 HXE和POWERCHOKE SCB 两种50 mm 节流通径节流阀的Cv 数据都来自于各自公司的网站。

图1 节流通径为50 mm 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20%～100%，而常规筒形节流阀为50%～80%。

（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。

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Cv 与进口节流阀的比较如图4 所示。

图2 新型控制压力钻井用节流阀

图3 新型控制压力钻井用节流阀速度矢量图

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。

［1］ HANNEGAN D, RICHARD J, et al. MPD-uniquely applicable to methane hydrate drilling ［R］ . SPE/IADC 91560.

［2］ BILL Rehm, JEROME Schumbert, et al. Managed pressure drilling ［M］. Gulf Publishing Company, 2008∶ 236-240.

［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，2010，32（S0）：115-117.