屈俊波;闫铁;孙晓峰;陈烨;曲晶瑀;张克博
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【摘 要】指出了流体通过阀门最小过流面积的位置并计算了最小面积,推导得到了阀芯行程与阀门两端节流压降的解析关系式.结合钻井现场数据具体计算,分析得到了楔形节流阀的有效调节区间约为0.49,压降调节范围0.29～14.71MPa,在有效区间内阀门关度与节流压降函数呈现指数关系,既能对井口回压进行精细调节,又能快速改变压降,具有良好的适用性能.对精确计算不同阀门开度下的节流压降以及其他非标准结构的阀门设计和优化都具有十分重要的意义. 【期刊名称】《化工机械》
【年(卷),期】2018(045)003
【总页数】5页(P328-332)
【关键词】立云购物商城楔形节流阀;最小过流面积;节流压降;控压钻井;井口回压
【作 者】屈俊波;闫铁;孙晓峰;陈烨;曲晶瑀;张克博
【作者单位】东北石油大学石油工程学院;辽宁石油化工大学石油天然气工程学院;东北石油大学石油工程学院;东北石油大学石油工程学院;东北石油大学石油工程学院;东北石油大学石油工程学院;东北石油大学石油工程学院
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ055.8+1
控压钻井中，地面节流管汇系统为井控装置的核心设备，而节流阀又是地面节流管汇的核心部件，对控制井筒压力起着十分重要的作用[1]。控压钻井采用柱塞泵作为钻井液循环的动力源，在阀门调节过程中保持流量恒定，由于控压钻井楔形节流阀为自主设计的阀芯型面，不属于标准阀门，计算过流面积无现成公式。由于阀门的节流压降应该依据流体通过阀门的最小过流面积处的最大流速来计算[2，3]，因而，只有出这个位置并正确计算出最小过流面积才能准确计算阀门的节流压降[4]，这对精确推导阀门开度(阀芯行程)-节流压降，以及其他非标准结构的阀门设计和优化具有十分重要的意义。为此，笔者详细推导了不同楔形节流阀开度(阀芯行程)下流体的最小过流面积和节流压降。
1 楔形节流阀压降计算模型
1.1 最小过流面积公式推导
以钻井现场常用楔形节流阀为研究对象，钻井液通过节流阀的过流区域如图1所示。
图1 节流阀流体通过区域示意图
阀芯与阀座装配后剖面的结构尺寸如图2所示，其中阀芯和阀孔直径均为D，阀芯前半部分半圆台AB长度为L1，整体阀芯(包括半圆台和斜劈体)长度为L，BG所在斜面相对于中心轴线OO′的倾斜角度为θ，阀芯行程h(0≤h≤L)。
图2 楔形节流阀剖面尺寸示意图
当0<h≤L1时，阀芯前部分半圆台起节流作用，此时过流面积为阀孔通道面积的一半，即当L1<h<L时，在某一开度h下，最小过流面积并不是阀座前端面CD构成的圆环面积，而是沿阀座剖面端点D做一条垂直于斜面剖面线BG的垂线DEH，绕中心轴OO′旋转一周形成的正圆锥体被斜平面切除后剩余的斜劈部分(体积较小的实体)的侧面积。
各线段的长度可根据图2中所给出尺寸推导得出：
AF=L,AB=L1,OA=h
BF=AF-AB=L-L1
以O为坐标原点，以OD所在直线为X轴，OF所在直线为Z轴，建立直角坐标系OXZ，则阀芯的斜平面在OXZ平面的投影BG所在直线方程为：樱桃采摘机
楔形阀的最小过流面积实际上是以OD为底边，OH为轴旋转形成的正圆锥体，被楔形阀的斜平面所截得的小楔形体(CDE部分)的侧面积，设正圆锥体的底面半径为R，高为H，斜线方程为其中
于是，得到圆锥方程和直线方程分别为：
0≤z≤H)
消除z，得到阀芯的斜平面和圆锥体的交线在圆锥体底面(平面OXY)上的投影方程：
斜线与圆锥体底面(平面OXY)的交线
当时，代入方程交线在底面上投影方程得到：
由圆锥体方程得：
可得：
根据交线在圆锥体底面的投影方程得到：
根据曲面积分的定义可知，小楔形体(CDE部分)的侧面积S侧面积：桥梁应力检测
其中，
1.2 楔形节流阀的节流压降公式
当流体通过楔形节流阀时，由于阀芯和阀座之间的流体的过流面积减小，以及流体流道的变化，从而形成局部阻力[5，6]。在不考虑阀门结构对流动的影响，理想不可压缩流体定常流动下的楔形节流阀的流量方程为[7～9]：
式中 A ——阀座孔道面积，cm2；
水泥灌浆料Ar——流体的过流面积，cm2；
Δp——楔形节流阀进出口前后两端的节流压降，100kPa；
Q——流量，m3/h；
ρ——流体密度，g/cm3。
由此得到楔形节流阀进出口前后两端的节流压降方程为：
2 算例与分析
2.1 实例计算
选用控压钻井现场最常用的楔形节流阀尺寸和实际工况作为本算例的数据来源，阀芯和阀孔直径均为D=50mm，半圆台长度L1=10mm，整体阀芯长度为L=60mm，阀芯行程h(0≤h≤60mm)为可调节变量，钻井液排量Q=20L/s，密度ρ=1 800kg/m3。当阀芯行程h=30mm时，得：
Ar=456.91mm2
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由以上计算过程可知，当阀芯行程为30mm，即阀门50%关度(相对于阀门开度指阀门的开启程度而言，阀门关度指阀门关闭程度，阀门全开时为0，全关时为1)时，利用文中模型计算得到楔形节流阀的最小过流面积为451.91mm2，阀门的节流压降为1.631 8MPa。
2.2 阀门关度与最小过流面积关系分析
阀门关度τ与过流面积关系如图3所示，当阀门关度逐渐增大时，阀芯与阀座通道之间的面积逐渐减小，过流面积也逐渐减小，流体的流速增加，在阀门前后进出口产生节流压降也随之增大。由于阀芯前半部分为长度为L1=10mm的半圆凸台，为均匀结构体，因而在阀芯行程h=0～10mm(阀门关度0%～16.7%)范围内，过流面积都保持阀座通道面积的一半；当阀芯行程h>10mm(阀门关度16.7%～100%)范围内，真正起到节流作用的是阀芯的斜平面。在有效关度区间内，计算得到的过流面积随着阀门开度增加约呈现直线减小的趋势，在超调关度区间内，减小的幅度减缓。
图3 阀门关度与过流面积的关系
2.3 阀门关度与通过阀门流体的最大速度关系分析
图4为阀门关度与通过阀门流体的最大速度关系，可以看出，计算得到的最大流体速度呈现出以阀门关度左右为横坐标轴的半只抛物线趋势。阀芯的半圆凸台设计能直接将过流面积减半，流体速度增大一倍。随着阀门关度的进一步增大，流体速度也变得非常大，对阀门的冲蚀作用十分剧烈，很容易将阀芯折断，比较锥型阀的全锥形设计而言，楔形阀的半圆台半斜劈面型面设计能有效保护阀芯。
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