一種新型井下防漏失板閥研制

閆 偉，陳立偉，尹永晶，陳 杰，魏愛拴

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津300452；2.浙江科技學(xué)院 機械與能源工程學(xué)院，杭州 310000)

渤海某自營油田屬于疏松砂巖油藏，隨著開發(fā)時間的延長，地層壓力呈現(xiàn)出不同程度的降低[1]。地層壓力下降后，在進行洗井、修井等作業(yè)過程中，工作液會漏失[2-4]，造成油井返排時間長，并污染油層。新疆塔河油田因裂縫、溶洞等地質(zhì)因素，完井期間出現(xiàn)工作液大量浪費，并污染儲層，延長了投產(chǎn)時間。因此，在油田開發(fā)過程中，保護儲層不被污染是非常重要的。

閥板式防漏失閥是利用機械方法進行儲層保護，國內(nèi)已做了相關(guān)研究，并取得了一定的應(yīng)用[5-8]。隨著油田開發(fā)及工況的需要，筆者發(fā)現(xiàn)以前的閥板式防漏失閥有諸多不足之處。例如，文章中提到的防漏失閥的開關(guān)對載荷的依賴性高，閥板的打開是依靠機構(gòu)壓閥板的2個閥耳，促使閥板打開，這對閥耳的強度設(shè)計要求較高，尤其是在固相含量較高的油田井中。針對以上問題，筆者研制了一種新型板閥式防漏失閥。

1 設(shè)計原則

1.1 開關(guān)機構(gòu)

開關(guān)機構(gòu)與專用工具配合，實現(xiàn)板閥的開關(guān)。在板閥打開或關(guān)閉后，專用工具要依靠結(jié)構(gòu)實現(xiàn)脫手，便于后續(xù)作業(yè)。對于固相含量較高的油井，開關(guān)機構(gòu)要具有抗碎屑干擾功能，便于開關(guān)順利、可靠。閥板在關(guān)閉狀態(tài)下，井筒內(nèi)液體作用在閥板上，使閥板和閥座向下運動，閥板向上打開。為了避免此情況發(fā)生，開關(guān)機構(gòu)必須具有關(guān)閉狀態(tài)下的鎖定功能。

1.2 閥板機構(gòu)

傳統(tǒng)閥板打開依靠力作用在閥耳上，使閥板繞軸旋轉(zhuǎn)打開。這種方式對閥耳的強度要求較高，且當(dāng)固相沉積于閥板上時不易打開。本文采取的閥板被作用力從閥板下端面向上頂開，增強了閥板打開能力和可靠性。

1.3 密封機構(gòu)

本工具采用橡膠和金屬兩種形式密封?？紤]到橡膠的密封組件容易被井下碎屑沖擊而損壞[9]，閥板和閥座之間采用金屬密封。

2 結(jié)構(gòu)原理

新型防漏失板閥主要由開關(guān)機構(gòu)和閥板機構(gòu)組成，如圖1所示。開關(guān)機構(gòu)由打開套、關(guān)閉套、鎖定爪、鎖定套等組成。閥板機構(gòu)由開關(guān)套、閥板、閥座、支撐套等組成。當(dāng)專用開關(guān)工具與打開套嚙合后，繼續(xù)下行，活塞套壓縮彈簧下移，鎖定爪被解除約束而受壓彎曲，進入到鎖定筒內(nèi)表面。與此同時，帶動開關(guān)套下行，直至與限位爪接觸，觸發(fā)閥座沿支撐套向下運動，閥板被支撐套從下端面向上頂開，直到閥板完全打開。當(dāng)專用開關(guān)工具與關(guān)閉套嚙合后上行，活塞套壓縮彈簧上移，鎖定爪解除約束后彎曲，進入到鎖定筒內(nèi)，繼續(xù)上行。相應(yīng)地，開關(guān)套上行，其內(nèi)部臺階與閥座的外臺階相配合，推動閥座和閥板沿支撐套上行。由于沒有支撐套的約束，閥板繞軸向下翻轉(zhuǎn)，最終與閥座貼合，閥板關(guān)閉。鎖定爪進入到鎖定筒的凹槽內(nèi)，活塞套在彈簧力的作用下，其外臺階面與鎖定爪的內(nèi)臺階面配合，鎖死開關(guān)機構(gòu)，防止閥板誤打開。

1—上接頭；2—鎖定筒；3—關(guān)閉套；4—鎖定爪；5—活塞套；6—中間套；7—彈簧；8—打開套；9—連接筒；10—中間筒；11—延長筒；12—開關(guān)套；13—閥板；14—閥座；15—支撐套；16—限位爪；17—下接頭。

3 技術(shù)參數(shù)

最大外徑 165 mm

最小內(nèi)徑 65 mm

工具總長 3 268 mm

額定工作溫度 204 ℃

工具本體額定工作壓力 68.94 MPa(10 000 psi)

關(guān)閉狀態(tài)下，閥板承壓 35 MPa(5 075 psi)

4 閥板與閥座金屬密封分析

防漏失板閥的關(guān)鍵之處在于閥板與閥座之間的密封。在板閥式防漏失閥中，閥板與閥座之間既有橡膠密封，又有金屬密封。一般在簡易板閥中采用橡膠密封，在多次開關(guān)板閥中采用金屬密封。本文采取金屬密封形式實現(xiàn)板閥的防漏失功能，如圖2所示。為確保金屬密封的可行性，本文利用ABAQUS軟件分析閥板與閥座的錐面金屬密封。

4.1 有限元模型

為了控制計算規(guī)模，建立有限元模型時對閥座的通徑部分進行了簡化，簡化的幾何模型如圖3。為了達(dá)到準(zhǔn)確的計算結(jié)果，有限元網(wǎng)格單元尺寸為0.5 mm，最大為5 mm，對所有重點區(qū)域進行了網(wǎng)格細(xì)化，以消除網(wǎng)格敏感性。有限元模型如圖4。

圖2 閥板與閥座結(jié)構(gòu)

圖3 簡化幾何模型

根據(jù)閥板的實際工作情形，LS-DYNA中分別在閥板與閥座之間、銷軸與閥板之間、銷軸與閥座之間建立非線性的面-面接觸，如圖5所示。設(shè)部件材料均為4145H，最大許用應(yīng)力為847.98 MPa。閥座固定，分別在閥板上端面加載5.0、17.5、35.0 MPa，提取接觸面上的CPRESS(Contact Pressure)接觸壓力，可以根據(jù)接觸壓力的大小判斷接觸面是否被壓潰。

圖4 有限元模型

圖5 接觸定義

4.2 結(jié)果分析

圖6為閥板在3個載荷作用下，閥板與閥座之間的接觸壓力云圖。

1) 圖6a。在5 MPa液體壓力作用下，接觸面的接觸壓力最大值為59.8 MPa，平均接觸壓力約為6.3 MPa，大于閥板兩端面的壓差5 MPa，且均勻分布于閥座接觸面的下側(cè)。

2) 圖6b。在17.5 MPa液體壓力作用下，接觸面的接觸壓力最大值為521 MPa，平均接觸壓力約為263 MPa，大于閥板兩端面的壓差17.5 MPa，且均勻分布于閥座接觸面的中間。

3) 圖6c。在35 MPa液體壓力作用下，接觸面的接觸壓力最大值為800 MPa，平均接觸壓力約為400 MPa，大于閥板兩端面的壓差35 MPa，且均勻分布于閥座接觸面的中間。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，所加載載荷均大于接觸面的壓力，說明閥板和閥座達(dá)到密封。隨著載荷的增加，接觸面間壓力越來越大且接觸寬度逐步增大，說明在高壓載荷下，密封效果更好。通過對閥板與閥座的有限元分析，證明了閥板與閥座金屬密封結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和可行性。

a 5 MPa

b 17.5 MPa

c 35 MPa

5 室內(nèi)試驗

為了進一步驗證閥板與閥座金屬密封的可行性，進行了如圖7所示試驗。組裝好的測試工裝與加壓接頭連接，并坐落于井筒內(nèi)，鎖死。利用終端控制軟件依次對管線內(nèi)進行5.0、17.5、35.0 MPa液體加壓，每個階段保持15 min。觀察是否有泄漏，并記錄壓降數(shù)據(jù)。

利用測試工裝分別進行了常溫油介質(zhì)測試、高溫油介質(zhì)測試，得到壓力曲線如圖8～11所示。

圖7 閥板密封試驗情況

從圖8～10可以看出，在5 MPa×15 min、17.5 MPa×15 min、35 MPa×15 min的情況下，密封試驗無壓降，滿足作業(yè)設(shè)計要求。圖11測試曲線顯示，在204 ℃下，閥板與閥座金屬密封測試無壓降，密封達(dá)到作業(yè)要求。

圖8 常溫下5 MPa壓力測試曲線

圖9 常溫下17.5 MPa壓力測試曲線

圖10 常溫下35 MPa壓力測試曲線

圖11 204 ℃高溫下壓力測試曲線

6 結(jié)論

1) 為了解決油井作業(yè)液漏失問題，設(shè)計了一種將閥板從下向上打開，且開關(guān)動作對開關(guān)力不敏感的新型防漏失板閥。介紹了該板閥的設(shè)計原則及結(jié)構(gòu)原理。

2) 建立閥板與閥座的金屬密封有限元模型，分析不同載荷下接觸面壓力的分布情況。結(jié)果表明，閥板與閥座的金屬密封結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。

3) 在柴油介質(zhì)下，分別對閥板密封進行了常溫和高溫測試，驗證了閥板金屬密封的可靠性。

4) 針對深井，建議利用氮氣彈簧原理，設(shè)計遠(yuǎn)程打開模塊，降低深井作業(yè)費用。