大排量工况下控压钻井节流阀节流特性研究

任伟

（川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，四川 广汉 618300）

随着国内各个油田勘探开发工作的深入，深井钻井工作量增加了。为满足多层井身结构需要，大尺寸井眼变得越来越多。但大尺寸井眼技术存在裸眼段长、压力系统多、钻井液排量大、岩屑产生量多、易发生井漏、溢漏同存等井下复杂问题。控压钻井技术能够有效解决井下复杂问题。

控压钻井技术具备对井筒压力精细控制的能力，能显著增加钻井过程的可控性、降低事故发生概率、克服窄密度窗口等钻井难题。其工艺原理是在钻井过程中通过回压泵、节流阀精细控制或调整环空压力体系，确保环空液柱压力微大于井底压力，且不压漏地层，从而在“窄压力窗口”层段实现安全、快速钻进。节流管汇是控压钻井系统中重要的井控设备，节流阀是节流管汇中最核心装置。节流阀通过调整阀芯和阀座位置可以改变节流阀的开度，继而控制管道单位时间内流过的流体流量，使井下生产保持较为理想的压力环境。

当前的控压钻井系统的节流管汇设计最大使用排量大多在30L/s 以下，难以满足大尺寸井眼控压钻井作业的需要。对于钻井液排量达到30L/s 以上工况条件下的节流阀节流特性研究尚属空白，制约了精细控压钻井系统在大尺寸井眼钻井作业中的应用。因此，需开展大排量工况条件下的节流阀节流特性研究，为精细控压钻井工艺在大尺寸井眼钻井作业中的应用提供理论指导。

1 节流阀仿真模型

目前，国内外控压钻井系统为充分考虑节流阀的线性度，设计的阀芯曲线复杂，制造困难，造价昂贵。为降低成本，川庆钻探工程公司研制了JLKT103-35 筒形节流阀，其几何模型如图1（a）所示，几何参数如表1所示。对几何模型进行网格划分，如图1（b）所示，阀芯与阀座之间缝隙间的网格进行加密处理。经网格无关性验证后，其网格数目确定为48 万。对节流阀内雷诺数进行估算为湍流，其仿真所用的湍流模型为RNG k-ε模型，该模型具有对高速流动的高准确性和对涡旋流动的高精度。

表1 节流阀模型几何参数

图1 节流阀几何模型及网格划分

节流阀入口边界设置为质量流量边界，初始压力为0Pa，初始温度为300K。出口边界为压力出口边界，初始压力为0Pa，初始温度为300K。

2 仿真模拟结果分析

节流阀内的压力分布云图（以开度50%与100%）如图2 所示。钻井液通过阀芯后，存在明显压降。

图2 节流阀压力分布云图

为了深入分析节流阀压降特性，将仿真所得压降结果绘制成压降曲线，如图3 所示。从图3 中可知，随着钻井液排量的增加，其压降越大，且增加的幅度也明显增加。20%开度时，压降从10L/s 时的0.30MPa 大幅增加到65L 时的12.83MPa；50%及100%开度时，对应的压降从也分别从0.08MPa 增加到3.53MPa 以及从0.01MPa 增加到0.45MPa。即各种开度工况下，排量从10L/s 增加到65L/s 时，通过节流阀的压降均增加了40 倍以上。

图3 不同排量开度-压降图

此外，开度对压降的影响也很大。在20%～100%开度内，压降随开度的增加而减小。从开度为20%增大到50%时，压降减小的幅度非常明显，而从开度为50%增大到100%时，压降减小的幅度相对较小。

取其中一条压降曲线（40L/s）进行线性相关性分析如图4（a）所示，该节流阀的总体线性相关系数为0.8349，线性度一般。然而，从图4 中可发现，曲线在50%开度处出现了明显的压降拐点。因此，以50%为界，可分段进行线性相关分析如图4（b）所示。在20%～50%范围内节流阀的线性相关系数为0.9917，在50%～100%范围内节流阀的线性相关系数为0.9731，两段曲线的线性度均很好。

图4 40L/s 排量下开度-压降线性相关图

3 开度-压降计算方法

根据阀门设计手册，对于任意阀门，总满足：

式中，P0为节流阀节流压降，Pa；Q 为钻井液排量，L/s；ρ 为钻井液密度，kg/m³；Cv为阀门流量系数，无量纲，仅与阀门设计和开关状态有关。

利用公式（1），代入压降数据和钻井液排量及密度，计算获得流量系数，得到开度-流量系数曲线如图5 所示，流量系数值越大，说明流体流过阀门时的压力损失越小，该流量系数曲线未表现出明显的线性区间。

图5 开度-流量系数图

对流量系数数据进行数学回归，可得到在该节流阀流量系数与开度之间的经验公式，回归系数R2＞0.97，可以认为回归的经验公式可靠，所得经验公式如式（2）所示：

式中，Cv为阀门流量系数，无量纲，仅与阀门设计和开关状态有关；k 为节流阀开度，%。

将目标压降以及钻井液排量及钻井液密度代入公式（1）可获得目标压力下的流量系数，再将其代入公式（2），进而可获得该目标压降条件下所对应的开度。

以蓬深某井为例，对该节流阀在100%开度下所形成的排量-压降计算方法开展了现场试验。计算值与现场实测值的对比如图6 所示。

图6 蓬深7 井计算结果与实测结果对比图

从图6 可知，利用该方法计算的节流压降与实测结果基本吻合，精度超过90%，因此，本文所形成的压降计算方法对现场控压钻井操作具有很好的指导意义。

4 结语

（1）当钻井液排量在10 ～65L/s，随着钻井液排量的增加，节流阀的压降越大，且压降增加的幅度明显增加。

（2）该节流阀整体线性度一般，但可划分为20%～50%和50%～100%两个不同线性特征的线性区间，其线性相关系数分别为0.9917 和0.9731。

（3）本文所建立的开度-流量系数经验公式及开度-压降计算方法与现场作业实际情况相符，精度＞90%，对现场控压钻井操作具有很好的指导意义。