朱萬勝,張作龍,李繼志

(中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東東營(yíng) 257061)

鉆井液提升閥流量系數(shù)的測(cè)定

朱萬勝,張作龍,李繼志

(中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東東營(yíng) 257061)

以鉆井液作為介質(zhì),對(duì)錐閥、球閥、板閥 3種閥芯 4種不同結(jié)構(gòu)的閥座形式在不同開度下的流量、壓力進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算,得出了各種條件下鉆井液提升閥閥口流量系數(shù)及其規(guī)律,并與水壓閥閥口流量系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明:閥座倒角角度和倒角長(zhǎng)度對(duì)錐閥及球閥閥口流量系數(shù)有較大影響,對(duì)板閥影響較小;背壓存在與否對(duì)板閥流量系數(shù)變化規(guī)律影響較大;與水壓閥相比,鉆井液提升閥閥口流量系數(shù)略高。

鉆井液;冪律流體;提升閥;流量系數(shù)

目前,在導(dǎo)向鉆井、隨鉆測(cè)量等油氣田開發(fā)系統(tǒng)中,廣泛采用液壓閥對(duì)鉆井液進(jìn)行控制[1-3]。液壓閥口一般采用錐閥、球閥、板閥等座閥形式。由于與水或液壓油的性質(zhì)不同,因此在對(duì)以鉆井液作為介質(zhì)的閥類元件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),一些重要的柔性參數(shù)如流量系數(shù)不能按照水壓或者油壓傳動(dòng)的理論或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇。國(guó)內(nèi)外的研究者針對(duì)以礦物油或純水為介質(zhì)的液壓提升閥閥口處的流量系數(shù)以及壓力流量特性進(jìn)行了大量的理論及實(shí)驗(yàn)研究[4-8]。但是,與礦物油及水相比,鉆井液具有不同的理化性能,而國(guó)內(nèi)外在這方面的研究較少。筆者對(duì)鉆井液錐閥、球閥、板閥 3種閥芯在不同結(jié)構(gòu)閥座形式下的流量系數(shù)及流動(dòng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,從而找出不同條件下鉆井液提升閥閥口流量系數(shù)變化規(guī)律及其影響因素。

1 實(shí)驗(yàn)原理及裝置

無論是錐閥、球閥、板閥或其他閥口形式,通過閥口的流量都可統(tǒng)一表示為

式中,q為通過閥口的液體流量,m3/s;A(x)為閥口過流面積,m2;Δp為閥口兩端壓差,Pa;ρ為流體密度,kg/m3;Cd為流量系數(shù)。

因此,通過測(cè)量不同形式閥口的流量和閥口前后的壓差以及閥口開度,可以得到不同條件下各閥口的流量系數(shù)。

圖 1為實(shí)驗(yàn)中所采用的模型閥體。閥進(jìn)出口壓力由系統(tǒng)調(diào)定,并分別由壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量。通過閥口的流量用流量計(jì)測(cè)定,利用調(diào)節(jié)手柄改變閥口開度,通過更換閥芯和閥座,可對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的閥口流量系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

圖1 實(shí)驗(yàn)閥裝配體示意圖Fig.1 Schematic diagram of assembly of exper imental valve

實(shí)驗(yàn)中所采用的閥芯結(jié)構(gòu)有錐閥 (半錐角45°)、球閥和板閥 3種。閥座結(jié)構(gòu)分為 4種,其結(jié)構(gòu)形式及尺寸見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)閥座結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of exper imental valve seats

所采用介質(zhì)為勝利油田某井場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用鉆井液,具體參數(shù)如下:密度ρ=1200 kg/m3,表觀黏度μAV=24 MPa·s,塑性黏度μPV=15 MPa·s,靜剪切力τ=9 Pa。

冪律流體雷諾數(shù)計(jì)算公式為

式中,Re為雷諾數(shù);v為鉆井液流速,m/s;D為閥口直徑,m;μe為等效黏度,Pa·s;ρ為鉆井液密度,kg/ m3;K為稠度系數(shù),Pa·sn;n為冪指數(shù)。

經(jīng)計(jì)算可得,實(shí)驗(yàn)中所采用鉆井液稠度系數(shù)K=1.61 Pa·sn,冪指數(shù)n=0.49。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 錐閥流量系數(shù)

圖 2為閥芯為錐閥,試件 A,B,C,D在不同開度,閥出口無背壓條件下的流量與雷諾數(shù)曲線。由圖 2可以看出:

(1)存在一個(gè)臨界雷諾數(shù)Rec,不同開度、不同結(jié)構(gòu)尺寸下,其臨界雷諾數(shù)不同,通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得:Rec=3 500～4 500。當(dāng)Re≤Rec時(shí),流量系數(shù)隨雷諾數(shù)增加而增加,且增加趨勢(shì)明顯;當(dāng)Re＞Rec時(shí),隨雷諾數(shù)增加,流量系數(shù)趨于穩(wěn)定。

圖 2 不同閥口開度、無背壓時(shí)錐閥的流量系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線Fig.2 Relation of flow coefficient of cone valve and Reynolds number without back pressure at different valve port aperture

(2)在任意開度下,試件 B和試件 D的流量系數(shù)都略小于其他兩試件,而且與試件B相比,試件D的流量系數(shù)更小。這是由于試件 B和試件 D的倒角角度與閥芯半錐角角度相同,閥芯與閥座間為面接觸,當(dāng)閥芯開度較小時(shí),與閥座之間間隙較小,倒角處充滿高速鉆井液,液流的射流收縮截面位于閥口下游,閥口處壓力恢復(fù)不夠,使得流量系數(shù)減小,并且隨著閥座倒角長(zhǎng)度的增加,該處壓力恢復(fù)越小,甚至無壓力恢復(fù)作用,從而使得流量系數(shù)更小。

(3)試件A閥口處倒角角度較小,閥座與閥芯接觸形式類似于銳緣閥座。在小開度下 (x≤0.3 mm),隨著雷諾數(shù)的增加,流量系數(shù)增大并趨于穩(wěn)定。但隨著閥口開度的增加,流量系數(shù)有減小的趨勢(shì)。閥口開度為 0.1 mm時(shí),閥口處流量系數(shù)為0.90～0.95;閥口開度為 0.3 mm時(shí),流量系數(shù)為0.80～0.86。當(dāng)閥口開度較大時(shí) (x≥0.5 mm),閥口流量系數(shù)基本不隨雷諾數(shù)變化而變化,其值為0.78～0.91。

(4)試件 C在所有開度下流量系數(shù)都較高,并且較穩(wěn)定,在高雷諾數(shù)下,流量系數(shù)穩(wěn)定在 0.86～ 0.96。這是由于試件 C的閥座倒角角度大于閥芯半錐角角度,閥芯與閥座接觸線位于閥芯錐角前端,高速鉆井液通過閥口后易于附壁,壓力恢復(fù)較快所致。

2.2 球閥流量系數(shù)

圖 3為球閥芯在 4種試件,出口無背壓條件下的雷諾數(shù)——流量系數(shù)曲線圖。由圖 3可知:

(1)當(dāng)閥芯為球閥時(shí),在所有開度下,試件 B和試件D的流量系數(shù)都要略高于其他兩種試件,這與閥芯為錐閥時(shí)的情況相反。這是由于試件 A與球閥芯的接觸線位于閥座倒角大徑處,其接觸方式類似于銳緣閥座,鉆井液通過閥口后,不易附壁;而試件 C與球閥芯的接觸線雖然位于倒角小徑處,但是其倒角角度為 60°,大于試件B和試件D的角度,所以壓力恢復(fù)效果低于上述兩個(gè)試件。倒角長(zhǎng)度越大,流體越容易附壁,壓力恢復(fù)越快,從而導(dǎo)致流量系數(shù)增加。因此,幾乎在所有開度條件下,試件 B和試件D的流量系數(shù)都較高,且試件D的流量系數(shù)大于試件B的值。

圖 3 不同閥口開度、無背壓時(shí)球閥的流量系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線Fig.3 Relation of flow coefficient and Reynolds number of ball valve without back pressure at different valve port aperture

(2)在開度一定的條件下,試件 A的流量系數(shù)隨雷諾數(shù)的增大而增大,最終達(dá)到一個(gè)較穩(wěn)定的數(shù)值。在所有開度下,流量系數(shù)相差不大,為 0.90～0.98。

(3)試件 C在所有開度下的流量系數(shù)都比較小,并且隨著閥口開度增大,在相同的雷諾數(shù)下,流量系數(shù)逐漸減小。閥口開度x=0.1 mm時(shí),流量系數(shù)最大,為 0.90～1;x=0.3 mm時(shí),流量系數(shù)為0.78～0.85;x=0.5 mm時(shí),流量系數(shù)最小,為 0.65～0.70。通過分析可知,閥口開度較小時(shí),鉆井液流體黏附于閥座之上,壓力恢復(fù)較大,使流量系數(shù)較大。隨著開度的增加,流體不再附壁,壓力恢復(fù)作用逐漸減弱,從而使流量系數(shù)減小。另外,在開度一定的情況下,隨著雷諾數(shù)的增加,流量系數(shù)下降并趨于穩(wěn)定,這是由于高速鉆井液通過閥口后的射流收縮作用使得流體附壁現(xiàn)象逐漸減弱甚至消失,同時(shí)由于流速的增大,液流收縮截面也逐漸向閥口下游移動(dòng),壓力恢復(fù)不夠所致。

2.3 板閥流量系數(shù)

閥芯為板閥時(shí),各試件在不同開度下的流量系數(shù)變化規(guī)律相似。圖 4為閥口開度x=0.3 mm時(shí)板閥的流量系數(shù)與Re的關(guān)系曲線。由圖 4(a)可以看出,在閥出口無背壓的情況下:

(1)當(dāng)雷諾數(shù)Re為 2 500～3 000時(shí),流量系數(shù)達(dá)到最大值,為 0.85～1.1,此值與板閥直徑和閥口孔徑之比有關(guān),流量系數(shù)Cqmax≈ 1.15-0.065eD/(2d)。

(2)在Re≤4 000時(shí),隨雷諾數(shù)增加,流量系數(shù)先增大后減小,Cd與Re接近二次關(guān)系,即Cdmax=-k(Re-Rem)2+Cdmax,其中Rem是Cdmax所對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù),k≈10-8～10-7。

(3)當(dāng)Re＞4 000時(shí),隨著雷諾數(shù)的增加,板閥閥口流量系數(shù)逐漸減小并趨于穩(wěn)定,最終位于 0.65～0.75。在所有開度下,試件 A流量系數(shù)最大,而試件D流量系數(shù)最小,由此可以看出,閥座孔徑對(duì)于板閥流量系數(shù)影響較大,孔徑越大,流量系數(shù)越大。

與出口無背壓的情況不同,當(dāng)板閥出口存在背壓時(shí),閥口處的流量系數(shù)不再隨雷諾數(shù)的增加而減小(圖 4(b)),板閥流量系數(shù)的最終穩(wěn)定值高于無背壓時(shí)的數(shù)值。這是由于閥口下游增加背壓后,提高了閥出口處的靜壓值,避免了負(fù)壓的存在,使得氣穴現(xiàn)象不易發(fā)生,從而保證了流量系數(shù)具有較高的穩(wěn)定值。另外,在不同開度下,背壓是否存在對(duì)于流量系數(shù)的影響不同。當(dāng)閥口開度較大時(shí),閥口下游無背壓與有背壓兩種情況下的流量系數(shù)相差不大,說明閥口開度越大,流量系數(shù)受到氣穴現(xiàn)象的影響越小。

通過實(shí)驗(yàn)可以看出,在閥出口處增加背壓有利于抑制氣穴現(xiàn)象的出現(xiàn),提高閥口的抗氣蝕能力,因此為了增大閥口的流量系數(shù),在閥出口加一定的背 壓是有必要的。

圖 4 閥口開度 x=0.3 mm,有、無背壓時(shí)板閥的流量系數(shù)曲線Fig.4 Flow coefficient curve of plate valve whenxis 0.3 mm with and without back pressure

2.4 不同介質(zhì)流量系數(shù)對(duì)比

為了比較鉆井液與純水在閥口處流量系數(shù)的區(qū)別,以水為介質(zhì),對(duì)閥芯為錐閥,不同類型閥座下的流量系數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。圖 5為鉆井液與水兩種介質(zhì)在試件A,閥口開度x=0.5 mm條件下的雷諾數(shù)與流量系數(shù)的關(guān)系曲線。由圖 5可以看出,鉆井液在錐閥閥口處的流量系數(shù)略高于水的流量系數(shù),介質(zhì)為水時(shí),流量系數(shù)為 0.75～0.85,介質(zhì)為鉆井液時(shí),流量系數(shù)為 0.78～0.91。隨著雷諾數(shù)增加,二者之間的差距逐漸減小,這一現(xiàn)象同樣也出現(xiàn)在閥芯為錐閥的其他試件中。這是由于鉆井液的黏度略高于水的黏度,通過閥口后,由于液體的黏滯性使得射流收縮減小,同時(shí)由于鉆井液中固相顆粒的影響,使液流流動(dòng)過程中,流束方向較之純水不易改變,因此鉆井液的收縮系數(shù)高于介質(zhì)為水時(shí)的數(shù)值,從而導(dǎo)致流量系數(shù)略高。

圖5 兩種介質(zhì)、閥口開度 x=0.5 mm、無背壓時(shí)錐閥的流量系數(shù)曲線Fig.5 Flow coefficient curve of cone valve whenxis 0.5 mm without back pressure us ing two differentmedia

另外,由于鉆井液具有剪切變稀的特性,流體運(yùn)動(dòng)速度越高,其黏度越小,與水的黏度值之間的差別越小。因此在高雷諾數(shù)時(shí),鉆井液與水通過閥口時(shí)的流量系數(shù)相差不大。

3 結(jié) 論

(1)閥座倒角的角度和長(zhǎng)度對(duì)于鉆井液錐閥的流量系數(shù)有較大影響,閥座倒角與閥芯半錐角相同時(shí),閥口處流量系數(shù)值較小,倒角長(zhǎng)度越長(zhǎng),流量系數(shù)越小。閥座倒角略大于閥芯半錐角時(shí),閥口處流量系數(shù)較大。

(2)當(dāng)球閥閥芯與閥座倒角接觸線位于倒角中部時(shí),流量系數(shù)最大,且倒角長(zhǎng)度越長(zhǎng),流量系數(shù)越高,但穩(wěn)定性較差。

(3)板閥流量系數(shù)受倒角影響較小,但受閥口孔徑影響較大,孔徑越大,板閥流量系數(shù)越大。另外,背壓的存在與否對(duì)板閥流量系數(shù)有一定影響,背壓的存在有利于抑制氣穴的產(chǎn)生,提高流量系數(shù)。

(4)鉆井液在閥口處的流量系數(shù)略高于介質(zhì)為水時(shí)的數(shù)值,隨著雷諾數(shù)的增加,二者之間的差值減小。

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Measurement of flow coefficient of poppet valve for drilling fluid

ZHU Wan-sheng,ZHANG Zuo-long,LIJi-zhi

(College of Mechanical and Electronic Engineering in China University of Petroleum,Dongying257061,China)

Experimental investigationswere made on the flow coefficient of cone valve,ball valve and plate valve taking drilling fluid as the workingmedia.The data and law of flow coefficientof poppet valve for drilling fluid were obtained in various situations bymeasuring flow and pressure at different opening of four structures of valve seats.The flow coefficientwas compared with thatofwater valve.Results show that the angle and length of seat′s chamfer have a significant effecton flow coefficient of cone valve and ball valve,and relatively slight influence on plate valve.The back pressure has an obvious influence on plate valve′s flow coefficient.The flow coefficient of poppet valve for drilling fluid is larger than that ofwater valve.

drilling fluid;power-law fluid;poppet valve;flow coefficient

TE 927

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.02.025

1673-5005(2010)02-0125-05

2009-10-23

國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2008AA09Z311)

朱萬勝(1977-),男(漢族),山東曹縣人,博士研究生,研究方向?yàn)槭蜋C(jī)械及流體工程設(shè)備設(shè)計(jì)。

(編輯 沈玉英)