并联节流管汇压力调节特性及实验研究

项 凯

（中海油田服务股份有限公司，河北廊坊 065201）

0 引言

节流管汇是控制压力钻井技术中的关键装备，利用节流管汇上阀门水头损失产生的井口回压，通过控制井口回压值，从而间接控制井底压力[1-6]。目前节流管汇广泛使用的是一个节流阀。对于只含有一个节流阀的节流管汇，节流阀两端压差与节流阀开度之间存在很强的非线性，难以实现在全开度范围内的精确调节[7-8]。利用特殊工艺加工定制的节流阀虽然在精度上满足要求，但价格昂贵，增加了控压钻井的作业成本，限制控压技术的广泛应用。随着石油钻井作业的地层环境越来越复杂，压力窗口逐渐变窄，对精确控制井口回压提出了更高的要求，地面节流早已不再是处理高压差，而是为提高井口回压的控制精度（井口回压控制精度在0.3 MPa以内）。针对目前节流管汇压力特性曲线差，对阀门硬件要求高等问题，提出通过节流阀并联方式实现多级精细节流的管汇系统。

并联节流管汇由多个节流阀支路并联组成，支路分为主调节支路和副调节支路。利用主调节支路对井口回压进行精细调节，利用副调节支路限制最高压力，多条支路对钻井液分流，减少了钻井液对节流阀的冲击。因此，并联节流管汇具有控制效果好、工作安全、节流阀使用寿命长等优点。

1 传统节流管汇压力特性分析

传统节流管汇主要包含一个节流阀，节流阀前后管路内径一致，分别在节流阀前后管路上取a、b两截面分析。

通过水力计算，得到节流阀压差计算公式[9]：

式中：ΔP为节流阀前后管路的压力差，Δ=Pa-Pb，Pa；Q为管路中流体流量，m3/s；ξ为阀门阻力系数，无因次，当雷诺数足够大时，阻力系数为阀门开度K的函数；Ab为节流阀下游b点管路的内截面积，m2；ρ为流体密度，kg/m3。

通过式（1）可以看出，节流阀前压力（Pa）与通过节流阀的流体流量（Q）、流道面积（Ab）和形状（由反映）、阀后压力（Pb）及流体密度（ρ）有关。

假设节流阀在开度100%时的阻力系数为ξ100，则节流阀在任意开度的阻力系数ξ与ξ100存在如下函数关系：

函数f（K）由阀座和阀芯形式决定，一般分为抛物线特性、直线特性、快开特性、等百分比特性[10-12]。

将式（2）代入式（1），得到节流阀前后压差与阀门开度的关系公式：

定义节流阀两端无因次压力差为：

以直线特性节流阀为例进行分析，将开度由0逐渐增大到100%，根据式（4）绘制节流阀压力调节特性曲线（图1）。

图1中，对于使用单个节流阀的节流管汇，其压力特性曲线包含3个区间，A区间为超调区间，在此区间节流阀开度的微小变化将引起压力的剧烈变化，节流阀前压力不可控。A区间位于节流阀小开度区间。C区间为无效区间，此区间节流阀开度的变化对回压值的影响较小，对压力控制不灵敏。B区间相对A、C区间有较好的线性度，节流管汇工作时应尽量使节流阀开度保持在B区间。

图1 节流阀压力调节特性曲线

节流阀的阀芯形状不同，压力特性曲线线性度也不相同。单节流阀的压力特性曲线都包括A、B、C三个区间，只是不同节流阀3个区间所占比例不同。

2 并联节流管汇压力调节特性

并联节流管汇是由两条或多条支路并联组成的节流管汇，每条支路有一个节流阀。以两条支路的并联节流管汇为例（图2），其由主、副两条完全相同的调节支路构成。图2中F1为主调节支路的节流阀，F2为副支路节流阀。

图2 并联节流管汇简图

多级并联节流管汇中每个支路较短，水力学计算时忽略沿程与接头处的局部水头损失，只考虑节流阀处的局部水头损失。基于以上建设条件，可知各个支路节流阀前压力相等，同样各个支路节流阀后的压力也相等。由于管内流体远小于音速，视为不可压缩流体。

根据并联管路的两个特点[9，13]：

（1）并联管路各条支路阻力相等：hf1=…=hfi=…=hfn

（2）并联管路总流量等于各个支路流量之和：Q=Q1+…+Qi+…+Qn结合连续性方程得到各个支路中流体流量计算公式：

式中，hfi为第i条支路的阻力，N；Qi为第i条支路的流量，m3/s；ξi、ξj分别为第i、j条支路节流阀的阻力系数，无因次；n为总支路条数。

根据式（3）和式（4）可以计算并联节流管汇中节流阀两端无因次压力差：

由此可见，在通过并联节流管汇的总流量Q保持不变情况下，通过主调节支路的流量同时与调节支路节流阀F1和F2开度均相关。因此，虽然通过并联节流管汇的总流量保持不变，但在节流阀F1的开度减小的过程中，通过主调节支路的流量也随之减小。图3为不同流量时单节流阀压力特性曲线以及并联节流管汇固定F2开度，在调节节流阀F1开度时，获得的不同状态下压力特性曲线。

图3 并联节流管汇压力特性曲线

在图3中，通过对比并联节流管汇与不同流量下单节流阀的压力特性曲线看出，并联节流管汇压力特性曲线有较好的线性度。此外，应用并联节流管汇完全可以消除主节流阀F1的超调区间，减小无效区间，可以在0～100%开度区间工作，使控制效果得到提高。

在并联节流管汇工作时，主调节支路与副调节支路的发挥的作用不同。主调节支路是精准调节支路，工作时可以任意调节节流阀F1的开度；副调节支路是分流支路，工作时通过调节节流阀F2的开度来控制并联节流管汇压力特性曲线。F2不同开度对压力特性曲线的影响见图4。

图4 副支路节流阀开度对压力特性的影响

在图4中，副支路节流阀F2的开度对节流管汇压力特性影响较大。F2全关时，压力特性曲线非线性程度表现最强，可控最高压力最高；当F2依次调节为20%、30%、40%的开度时，最高可控压力呈现逐渐降低，非线性程度也逐渐变弱。由此可以得出，通过控制副支路节流阀开度可以有效控制节流管汇压力特性曲线的线性度和最高可控压力。

此外，由式（5）可计算通过并联节流管汇两条支路中的流量。将F2置于一定开度（非全开、全关状态）保持不变，F1开度由0逐渐增大至100%，通过两条支路的流量如图5所示。

由图5所知，在钻井液总排量不变时，并联节流管汇每条支路中的流量比总流量低，减少了钻井液对节流阀的冲击。

图5 并联节流管汇支路流量分配

3 实验验证

为了验证并联节流管汇压力调节能力，针对单节流阀节流管汇与并联节流管汇进行水力学实验分析。实验装置如图6所示。

图6 并联节流管汇实验装置

实验中使用的节流管汇为四支路并联节流管汇，每条支路中含有一个节流阀，四条支路阀门编号分别为F1、F2、F3、F4。实验中使用F1、F2，关闭F3、F4。此外，为了保证实验中排量恒定，实验系统中泵为柱塞泵。

实验1：测试单节流阀压力特性。关闭阀门F2，只用支路1。调节节流阀F1，从最大开度逐渐减小开度，记录压力值与对应节流阀F1开度。

实验2：测试并联节流管汇压力特性。首先暂时关闭F1，从最大开度逐渐减小F2的开度，当压力值升高到一定高度时（实验1的最高压力），固定F2的开度，再将F1的开度由最小值逐渐增大到最大值，记录压力值与对应的F1开度。增大F2的开度到一定值，再次重复实验2。实验结果如图7所示。

图7 并联节流管汇压力特性曲线对比

由图7可知，副支路全关时（即只使用F1），压力上升速度快，当主节流阀的开度由100%减小到78%时，回压值即达到1.4 MPa。而副节流阀F2有开度时，随着主节流阀F1的开度由大到小，回压值缓慢平稳上升。而改变副节流阀F2的开度，主节流阀F1即有一条不同的压力调节曲线。图7中测量曲线与图4中理论推导曲线有相同的变化趋势，因此证明理论分析正确无误。图7中节流阀开度为100%时，单节流阀压力特性曲线与并联节流管汇压力特性曲线有一定的差值，这是由于受管路中接头处的局部阻力影响，但不影响理论分析结果。

实验结果表明，并联节流管汇与单节流阀节流管汇相比可以任意改变可控压力区间，扩大节流阀工作区间，改善压力特性曲线线性度。

4 结论

通过理论推导及实验验证得到如下结论：

（1）相同工况条件下，并联节流管汇与单节流阀节流管汇相比，节流阀超调区间消除，无效区间减小、压力特性曲线线性度得到优化，控制效果得到提升。

（2）并联节流管汇针对回压值通过副支路节流阀动态调节可控压力范围，使主节流阀始终工作在最优区间，使控制效果达到最优。