节流管汇及节流阀功能与应用

1.功能

（1）节流控压：溢流发生后，通过节流阀的节流作用实施压井作业，替换出井里被污染的钻井液同时控制井口套管压力与立管压力，恢复钻井液液柱对井底的压力控制。

（2）压力监测：可以在远程和近程对套压和立压随时监测。

（3）井内流体的分流：通过管汇的分流作用达到了钻井液进入分离器进行分离和回收利用，并通过放喷管线进行泄流作用。

图2-7-1　节流管汇

2.节流阀

节流阀的功能是在实施油气井压力控制技术时，借助它的开启和关闭维持一定的套压，将井底压力变化稳定在一定窄小的范围内。节流阀是节流管汇核心部件，即液体经由狭小通道时，形成较大的局部阻力，使流阻加大而造成回压。通孔越小，回压越大；通孔越大，回压越小。

节流阀有固定式和可调式。可调式可以用气压遥控或液压遥控，也可手动调试。

（1）固定式节流器

这种固定式节流器的流量是固定不变的，可根据需要更换不同尺寸的节流嘴而得到不同的排量，见图2-7-2。固定式节流器与可调节流阀配合使用，通常先使用可调节流阀，当井涌量大时才用固定式节流器配合。

图2-7-2　固定式节流器

（2）可调节流阀

该阀通过手轮或液压调节阀芯与阀座的相对位置，来改变液流截面积的大小以达到节流目的。

①液动节流阀

该阀可以遥控。其阀芯为筒形，为整体硬质合金；阀座内圈镶硬质合金；阀盖与介质接触端堆焊有硬质合金，使之具有良好的耐磨性和抗腐蚀性。在阀的出口通道上嵌有尼龙的耐磨衬套，以保护阀体不受磨损，见图2-7-3。

图2-7-3　液动节流阀

阀盖的尾部是液缸及活塞，靠液压油推动活塞带动阀杆，再带动阀芯前后推进，使阀芯与阀座之间的流道面积改变达到节流目的。

为使操作控制台的人员能知道节流阀的开启度，故在阀盖的液缸外端装有阀位变送器。

该阀具有如下特点：

a.它具有较好的抗腐蚀性，耐冲刷性能；

b.筒形阀芯和阀座内圈为硬质合金，且能颠倒使用，增长了使用寿命；

c.较大的阀体腔和筒形阀体结构，较之通常的针形节流阀，它具有较大的流量；采用侧进正出的流向，其筒形阀板周围的导筒减少了节流时的振动，减少了噪声；

d.阀位变送器能借助气压讯号，将节流阀阀芯的实际开关位置输送到控制台上显示出来；

e.操作者通过控制台能远程控制节流阀的开关；

图2-7-4　手动节流阀

f.筒形节流阀只作节流用，不能作为截止阀。

②手动节流阀

手动节流阀即用手动操纵机构代替了液缸及活塞，通过手轮转动带动阀芯上下移动改变阀芯与阀座间的相对位置，改变过流面积大小达到节流，结构见图2-7-4。与液动节流阀相比，仅不能遥控及不知阀的开关程度。

2.平板阀

平板阀由阀体、阀盖、阀杆、阀板、阀座、尾杆、手轮及密封圈等组成，见图2-7-5。

图2-7-5　平板阀

平板阀是指关闭件（闸板）沿介质通道中心线的垂直方向运动的阀门。平板阀在管道中担负着开启和截断管道介质并控制高压介质按照人为的需要流向指定地方的任务。钻采工艺要求阀门具有操作轻便、密封可靠、通道圆整、流阻小、寿命长、结构简单紧凑、制造工艺性好，成本低等特点。

平板阀除能较好的满足这些要求外，还可满足介质双向流动，并在全开或全关状态时，关闭件受介质的冲蚀作用小，因此，在高压下能保证可靠的工作。由于它具有上述优点，因而得到广泛的应用。

（1）平板阀的原理及特点

平板阀是一个沿顺流方向金属阀板对金属阀座密封的两通阀，由手轮（或液缸）操纵。它是通过润滑导向板由阀腔得到润滑的阀门。该阀的阀板两密封面平形，阀板与阀座之间采用浮动密封，即阀板与阀座在压力作用下均能作微小的轴向位移。若波形弹簧产生足够的预压力就可将前阀座后移，使进口端阀座和阀板的前部紧密贴合造成密封，介质压力作用到进口端阀座的后方，又促成了它们之间的密封。此时，介质被阀板阻隔在阀体的前端、阀腔内不会承受压力，把此种情况叫作阀前密封或进口端密封，见图2-7-6；若波形弹簧不能产生足够的预压力，或者阀座采用矩形密封圈时，前阀座不能后移与阀板贴合，当介质压力来时，介质压力推动阀板后移，使阀板的后平面与后阀座密封，这种情况叫作阀后密封或出口端密封，此时介质通过前阀座与阀板间的间隙进入阀腔，见图2-7-7。

平板阀的阀腔内要注满密封润滑脂，使阀板与阀座间有一层薄薄的密封润滑脂膜，协助密封，且减轻操作力矩。由于在开关过程中，油膜易被介质冲走一部分，故在使用一段时间后，要定时向阀腔补注密封润滑脂。

该阀的阀杆密封处或尾杆密封处设计有二次密封装置，其作用主要是加注密封润滑用。

图2-7-6　进口端密封

图2-7-7　出口端密封

平板阀有的设有回座密封（又叫倒密封），在阀杆密封失效后，即可进行带压换盘根。在阀盖的下方阀杆通过设有一45°斜面与阀盖45°斜面吻合造成金属对金属密封。若当阀处于压力管线上，而阀杆盘根漏失，用二次密封仍不能解决时，则需采用回座密封。其步骤是：

①用手轮全关阀板；

②卸松轴承套3～4圈，顺时针转动手轮，使阀杆与阀盖45°斜面吻合达到密封后。观察回座密封已起作用后（即漏失处不再往外渗液）；

③卸掉手轮、轴承套，阀杆螺母和轴承等；

④松掉盘根压帽、换密封盘根；

⑤重新装入新密封盘根；

⑥装上手轮，轴承套，阀杆螺母和轴承，装上固定螺钉等，更换阀杆密封盘根完成，回座密封是平板阀的一大优点，在高压下作业时，操作时应特别小心；明杆带尾杆的平板阀应在尾座上加一螺柱顶住尾杆，以免阀杆与阀盖45°斜面吻合面离开。

（2）平板阀的分类

①暗杆平板阀

该阀的阀杆螺母在阀体内与介质直接接触，开关阀板时旋转阀杆来实现。有显示机构的，其开关状态明显；无显示机构的，开关状态不明显。

该阀的高度总保持不变，安装空间小，适合于大口径或安装空间有限制的环境。

②明杆平板阀

该阀的阀杆螺母在轴承套支架上，开关阀板时，用旋转阀杆螺母来实现阀杆带动阀板的升降实现阀开关。故阀开关明显。

a.明杆带尾杆的平板阀

该阀在阀体的尾部加一尾座，其中有一尾杆与阀板的尾部相接。尾杆的作用是使阀在开关的全过程中阀腔的容积保持不变，可采用进、出口端密封。

b.明杆不带尾杆的平板阀

此阀阀体同暗杆阀阀体一样。由于在开关过程中阀杆要上升或下降，故阀腔的容积要改变。(www.xing528.com)

楔型阀、暗杆平板阀、明杆带尾杆及明杆不带尾杆的平板阀外形上的区别见图2-7-8。

图2-7-8　闸阀外形识别

综上所述，平板阀是一种截止阀，只能处于全开或全关的位置，决不能处于半开半关位置，关到位后要回转圈，使板阀处于浮动状态。注意；决不能作节流阀使用。

3.阀门的密封

阀门的密封是阀门性能的最重要指标之一，对高压抗硫闸阀愈显突出。闸阀的密封是一个比较复杂且与使用条件和工作环境紧密相关的问题，它受着多种因素的综合影响。我们就结构、材质等几方面与密封密切相关的因素，给以充分的讨论。

井口用阀门大多数采用接触密封。即依靠两接合面紧密贴合，并在密封面形成具有阻止或限制介质通过的能力。

（1）阀座与闸板间密封

阀座与闸板密封副承受高压介质作用，单位面积上受力大，工作条件恶劣，在具有腐蚀性的介质中工作必须给予可靠密封，杜绝内漏。

根据介质静压力与介质密封力的不同关系，阀座与闸板间的密封可分为以下三种形式：

①自动密封

这种形式的密封是在介质进口端闸板与阀座密封面之间具有间隙，而密封性由介质压力作用于介质出口端来加以保证。因此，只有在介质静压力大于密封力的情况下才有可能采用这种密封形式。

②单面强制密封

这种形式的密封在介质进口端闸板与阀座密封面之间是不密封的。因此，不存在比压或仅有比密封比压小的比压；在介质出口一端闸板与阀座密封是由阀杆轴向力来强制地加以保证的。当没有介质时，密封面上的比压力不得小于密封比压。这是在介质静压力小于密封力时所必须采用的强制密封的一种，也是通常采用的一种。

③双面强制密封

这种形式的密封无论在介质的进口端或出口端，闸板与阀座都是密封的。密封性是由阀杆轴向力来强制地加以保证。当没有介质时，密封面之间的正压力不得小于介质静压力与密封力之和。设计中只有在遇到特殊情况时才采用。

根据产生密封比压方式的不同，阀座与闸板之间的密封又可以分以下几形式：

①借助于非弹性变形的两个金属件的密封—带非弹性的金属对金属型

刚性楔式闸阀就是采用这种密形式。它是通过旋转手轮，带动闸板移动，关闭时使闸板和阀座密封面形成一定的密封比压来实现密封的。这种结构要求零件有很高的制造精度，闸阀零件发生擦伤和破坏的可能性较大。由于接触面比压大（这对于造成可靠的密封是必须的），它将产生相当大的阻碍闸板运动的摩擦力和粘附力，加剧磨损。

②借助于弹性变形的两个金属零件的密封—带弹性变形的金属对金属密封型

楔式闸阀中的弹性闸板或弹性阀座就是这种密封型。这种结构具有微小的变形补偿作用，以保证密封面的紧密贴合。在高温高压下可长期保持密封。制造相对简单，闸板、阀座密封面擦伤破坏倾向减小，具有较高的抗磨性。借助于填料、密封脂和高粘度润滑材料密封闸阀可提高密封性能，降低加工精度。

③借助于金属表面对弹性材料的密封—金属对弹性元件的密封型

这种结构能保证阀在允许的压力范围内实现可靠的密封。低压时可借助于弹性材料的过盈量来保证密封。高强度耐磨弹性材料可以减小摩擦力，也可使密封副加工精度相对降低。但这种结构受弹性材料的限制。像美国有些公司只用来生产35MPa以下的闸阀。

④采用密封脂和高粘度润滑材料的两个金属表面密封

这种结构的闸阀具有良好的液气密封性能，它使阀板密封面工作时擦伤和破坏倾向最小。

3.气动抗震压力变送器

该压力变送器由阀体、阀盖、胶塞、导杆、锥阀芯、球阀等组成，见图2-7-9。

图2-7-9　气动抗震压力变送器

其工作原理：

当钻井液无压力时，胶塞处于下部位置，膜片也处于常位，锥阀打开，球阀关闭，输出压力通大气。

当钻井液有压力时，压力→推胶塞→推导杆→推膜片，膜片的锥阀座与阀芯吻合，推阀芯向上，打开球阀。气源通过球阀进入输出腔，此气压通过膜片产生一个压力与钻井液压力平衡，此时的气压为输出气压。

钻井液压力与输出气压之比为200∶1，即当钻井液压力为20MPa时，输出气压为0.1MPa。故其接收压力表为二次压力表，即压力表为低的气压表，仅按比例在表盘上显示高的液压。

其气源压力为0.35MPa，安装时气源管线在较高的地方，而输出压力接在较低的位置，故管线连接为“高进低出”。

由于单边受压会影响膜片的测量性能，故在钻井液来路上应装有一截止阀。当无气源时，关掉截止阀，使胶塞下无钻井液压力。

4.气动阀位变送器——阀位开度表

气动阀位变送器由推杆、套筒、锁紧螺母、阀座、阀杆、弹簧及膜片等组成，见图2-7-10。其工作原理是：当压力为0.35MPa的气源进入仪表后分为两路，一路进入A室，在A室弹簧将阀杆压在阀座上，关闭A室和B室的通路；另一路经恒流孔进入D室，再经喷嘴、E室和C室排入大气。

推杆和阀的活塞杆移动时，弹簧受到压缩使膜片组2向下移动，推动挡板盖向喷嘴，使背压室D的压力增大。D室压力增大到一定数后，将克服压差弹簧2的张力，于是膜片组1下移，推动阀杆。这时气源从A室进入B室，B室压力即为仪表的输出值。此气压也进入E室中，实现负反馈作用，使膜片2向上移动，带动挡板离开喷嘴，直到反馈压力在膜片组2上产生的作用力与弹簧3的力相平衡为止，则输出压力稳定在某一值，表所示即为阀的开度。

图2-7-10　气动阀位变送器

该变送器的接收表为阀位开度表，此表是一种特殊压力表，其安装如图2-7-11所示，所入表示的数字是液动节流阀由关开的位置，将液动节流阀的为行程分为8份；如等，该阀的行程为56mm。

图2-7-11　气动阀位变送器

仪表调整零点：让液动节流阀处于全关的位置，若指针未对准，松开阀位变送器阀体固定螺钉，使变送器前后移动，当指针对准关时，固牢阀体固定螺钉。若有偏差，则松开套筒锁紧螺母，将套筒正旋或反旋至指针对准关为止，锁紧套筒，上好压块螺钉。这样，将阀至全开位置时，指针就能对准开位。

安装气源管线和输出管线时应对号入座，接对了，在阀开关过程中是有间断的排气声，若接错了，会有连续的排气声。

5.节流管汇控制箱

节流管汇控制箱的能源是由气动泵液压泵制备的，气动液压泵为柱塞泵，由气缸、左右活塞、左右油缸和左右柱塞组成。

（1）气动液压泵的换向结构

①无气体信号时，二位三通先导阀处于右位，二位四通气控换向阀处于上部位置，无动力源，气动液压泵无法工作；

②气源接通，压缩空气通过二位三通先导阀进入二位四通气缸，接通二位四通气控换向阀的上部位置，使气体进入气动液压泵的右缸，推动活塞向左行，右油缸吸油，右气缸的余气经二位四通气控换向阀排入大气；

③当右缸活塞被推到左极限位置时，暴露了右气缸到二位三通先导阀的通道，则气体进入二位三通先导阀，使其换向到右边，打开了气源进入二位四通气控换向阀的通路使其换向到下部位置，让压缩空气进入气动液压缸的左气缸，迫使活塞向右行，左油缸吸油、右气缸中气体经二位四通气控换向阀排入大气，右油缸排油；

④当左缸活塞被推到右极限位置时，暴露了左气缸到二位三通先导阀的通道，则气体进入二位三通先导阀使其换向到左边，接通了压缩空气进入二位四通气控换向阀气缸的通路，使气控换向阀换向到上部位置，压缩空气进入气动液压泵的右缸，推动活塞向右行。这样就使气动液压泵在有气源的情况下，气缸中的活塞左右移动，带动柱塞运动，使左右油缸交替吸、排油，满足对动力源的要求。泵前有一气源调压阀，它可调节气泵进气压力，以便控制油泵达到预定后压力停泵。

（2）控制系统原理

当钻机气源进入控制箱后，一路进入气源压力表，一路进入空气滤清器，进入空气滤清器的气又分为两路。一路经减压阀后到二位三通先导阀和二位四通气控换向阀，由二位四通气控换向阀的控制使压缩空气轮换进入气动液压泵的左、右缸，使活塞左、右移动，带动柱塞泵油，高压油（无压缩空气时，可采用手动液压泵）经溢流阀进入蓄能器贮存，一旦需要，则可搬动手动三位五通换向阀（中位各进出口均不通）使其换向，让高压油从蓄能器（或直接由油泵来）出来，经速度调节阀（控制流量的针阀）到手动三位五通换向阀，经该阀进入液动节流阀的开启和关闭腔，使节流阀阀芯上下推进，以达到平衡钻井工艺的要求。

进入空气滤清器的另一路，又经一空气滤清器，进入空气减压阀，减压后的空气（小于0.35Pa）经输气管进入立管压力变送器，管汇压力变送器、阀位变送器，经比较变送后的压缩空气返回控制箱到立管压力表、管汇压力表和阀位开度表，让操作人员在控制箱上就能见到压力及阀的开启度以便按平衡钻井工艺的要求适时的操作节流阀。重建井内压力平衡。

6.型号表示方法

如JG—S2—35为最大工作压力35MPa的有两个手动节流阀的节流管汇。

阀的型号标注：

表2-7-1　

在发生溢流时，根据井控工艺的需要，用控制箱的三位五通换向阀的换向控制节流阀的启闭，以便控制井内回压。