张晓昕
浙江永盛科技股份有限公司 浙江省 杭州市 310000
摘要：目前，我国的经济在快速发展，社会在不断进步，流量特性是控制阀重要的性能指标，好的调节曲线可以使控制阀的开度更加合理，能够大幅延长控制阀的使用寿命。通过分析控制阀各种流量特性曲线的优缺点，得出每条流量曲线的最佳应用范围，进而设计出了结合各条流量曲线优点的新型改良曲线。实际应用表明：该改量曲线既扩大了控制阀的调节范围，改善了开度的合理性，又降低了控制阀的成本，从而扩大了普通控制阀的调节和使用范围，使控制阀的选型更加容易。改进后的流量调节曲线在实际应用中得到了很好的验证。
关键词：流量特性；开度；控制阀；改良曲线
引言
水平井的开发方式大幅提高了油井泄油面积和开发效率，但同时也伴随着许多问题，例如储层非均质性、流体黏度差异等导致的底水锥进，水平井沿程阻力损失导致的跟趾效应等因素引起的油层出水现象，严重影响着水平井的高效开采。自适应流量控制阀作为油气田稳油控水的一项新技术，已在国内外不同的油气藏开展了广泛的现场应用，一定程度上延缓了水平井见水时间及含水上升速度，起到了良好的增产效果。但是，水平井控水具有井筒结构多样、流体性质复杂、生产制度差异大等技术难点，需针对特定工况开展合理化的装置优化设计，最大程度提高装置使用效果。开展水平井流量控制阀优化设计对延长水平井低含水采油期、均衡产液剖面、提高控水增油效果和提高油田采收率有着重要意义。
1概述
双对数坐标斜线图、列线图和平滑线散点图是控制阀常用的流量特性曲线图，分析对比各自的特点和性质，有助于流量特性曲线图表的选择、绘制和读取，更好的应用于控制阀的流量调节。
2控制阀流量特性改进及选用
2.1井下流量控制阀金属密封组件结构
为了隔离油套管环空与油管之间的原油流动，在ＩＣＶ壳体和滑套之间采用金属密封组件和组合密封。金属密封组件和滑套之间具有一定的初始过盈量。该金属密封组件由金属密封件和非金属密封件组成。介质压差通过非金属密封件传递给金属密封件。当滑套向下运动时，滑套外表面会依次与非金属密封件和金属密封件的唇部相接触，此时金属密封面上发生弹性变形，当接触应力足够大时就能够实现油套管环空与油管之间的密封。当滑套向上运动时，滑套外表面会依次与金属密封件和非金属密封件的唇部脱离接触，产层的原油将通过节流孔进入油管。
2.2理想曲线
由于加工工艺和介质特性等多项因素的影响，每一个控制阀对应于开度的递增量或倍数不是恒定的，因此现实中的工作流量曲线不会是一条纯直线，而只能是一条保持直线趋势的锯齿线。所以流量曲线图中呈现一族平行的斜置直线，表明该流量曲线显示的不是控制阀的实际流量特性，而是理想计算特性曲线，表达的是某一组测量值的平均修正值，或是按某一压差下(例如100kPa)测量的流量值推算的，其可提供的确切产品信息仅限于该批控制阀的最大流量值和存在较大偏差的粗略导向。
2.3大可调比流量曲线的设计特征
从以上对标准曲线以及改良曲线的分析可以看出，改良后的流量曲线提高了控制阀的流通能力和可调比，扩大了普通控制阀的使用范围，满足了大部分的实际应用场合，提高了小流量的开度和大流量下的调节稳定性，并且减少了对控制阀额定流量系数值的要求，大幅提高了控制阀的使用性能，降低了控制阀成本且延长了控制阀的使用寿命和动作可靠性。但是，如果控制阀的ｈ在１０％～９０％，最大实际可调比仅能达到２８．６。
如果Ｒａ大于该值时，控制阀将很难实现调节，此时若降低开度限制要求，如最小相对行程达５％，最大相对行程达９５％，但在该开度范围内长期工作，对于控制阀是非常危险的，而且容易产生介质的乱流振动和冲刷严重问题。如果一味提高控制阀的实际行程，以提高小开度下的行程，则也会大幅增加控制阀的成本。因此研究Ｒａ＞３０以上的控制阀至关重要。对于Ｒａ很大的场合，一般被称为大可调比调节场合，很多设计院和阀门厂家都会选择２台控制阀进行分程控制，小流量时采用小控制阀，大流量采用大控制阀，该方案一方面会带来投资成本的增加，另一方面２台控制阀共同调节时，大小控制阀的切换也是很大的问题。由于生产厂家很难做到大小控制阀流量曲线的无缝对接，实际调节时可能会出现小阀芯全开时，大阀芯开启瞬间会产生较大的流量的问题，因此很难精确调节拐点处的流量。因此，无锡市亚迪流体控制技术有限公司设计了１台内部具有１个小阀芯和１个大阀芯的控制阀，虽然双阀芯结构与分程控制的原理相同，但是由于在１台控制阀内部实现，大、小阀芯的流量匹配性高，流量可以做到无缝对接，大幅提高了Ｒａ的范围，最大可以达到１５０，实现了精细调节。
2.4密封面的椭圆长轴重合时接触应力与初始过盈量关系
为了研究金属密封副两椭圆截面的长轴重合时，接触应力与初始过盈量的关系，假设金属密封圈和滑套的结构参数保持不变，而初始过盈量δ在０．０５～０．２５ｍｍ之间变化，增量为０．０５ｍｍ。各条“Ｗ”型曲线随着初始过盈量的增加而变得更加平缓。随着初始过盈量的增加，各条“Ｗ”型曲线的波峰和波谷处接触应力的最值和密封面上的平均接触应力均增加。当初始过盈量由０．０５ｍｍ增加到０．２５ｍｍ时，“Ｗ”型曲线波峰接触应力的最大值分别为３７６．９、５５２．９６、６１２．３８、７１０．２４、１ ２０３ＭＰａ。说明初始过盈量不能太大，否则金属密封将发生塑性变形。
2.5入口直径
当入口直径较大时，流体大部处于层流状态，油与水的流动过程中，内摩擦损耗降低，油水流动粘滞阻力差别变小，同压差下油水流量比值变小；当入口直径较小时，入口的减压作用增强，实际作用到浮盘上的压力变小，浮盘的作用减弱，同压差下油水流量比值变小。仿真中分别设置入口直径为５～１０ｍｍ，计算压力为３ＭＰａ，流体分别为２００ｍＰａ·ｓ油和水的条件下的过流排量，求解不同入口尺寸、同压差下油水流量比。
结语
通过分析各种标准流量曲线以及改进后的流量曲线，尤其是改进后的流量曲线可以大幅扩大控制阀的使用范围，实际选型时，应根据实际工况条件选择不同的流量曲线，比如锅炉启动汽包液位控制阀，小流量时压差很高，大流量时压差又很小，因此要求阀门设计时需要很大的可调比，此时标准的流量曲线就无法满足实际要求，应选择改良曲线或大可调比结构的曲线。如果实际工况中流量调节变化不大，且压差恒定，此时选择标准曲线就可以满足要求。该公司研制的改良流量曲线以及大可调比结构曲线，已经被广泛应用到实际使用中，取得了很好的使用效果，大幅降低了用户的投资成本，同时也获得了国家发明专利，并获得国家创新基金的支持。
参考文献
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