針型閥式可調堵塞器的研制

譚德銘

[摘? ? 要 ]針對測調聯(lián)動技術應用的活塞式可調堵塞器受應用過程中呈現(xiàn)的出水孔易壞的實際，通過分析對比轉動式可調堵塞器、改良活塞式可調堵塞器和針型閥式可調堵塞器的生產價格及使用壽命等指標，研制了針型閥式可調堵塞器。該堵塞器使井下高壓注水水流通過堵塞器時減小阻力，出水孔，使井下高壓射流減緩，同時下部材質改為高強度合金鋼，在設計及材質上提高了堵塞器的使用壽命。

[關鍵詞]測調聯(lián)動;可調堵塞器;使用壽命

[中圖分類號]TM63 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）04–00–03

[Abstract]In view of the fact that the outlet hole of the piston type adjustable plug used in the measurement and adjustment linkage technology is easy to be damaged in the application process， the needle valve type adjustable plug is developed by analyzing and comparing the production price and service life of the rotary adjustable plug， the improved piston type adjustable plug and the needle valve adjustable plug.The plug reduces the resistance when the high-pressure water injection flow through the plug， and the water outlet slows down the high-pressure jet.At the same time， the lower material is changed to high-strength alloy steel， which improves the service life of the plug in design and material.

[Keywords]test and adjustment linkage; adjustable plug; service life

1 項目研制的意義

高效測調綜合了機電一體化技術、計算機控制技術、通信技術、傳感器技術、精密機械傳動等技術，由地面控制儀、井下測調儀、可調節(jié)高壓注水閥及配套設備等部分組成。采用邊測邊調的方式進行流量測量與調配。井下儀器通過電纜下入井中至需要調配的層段，打開井下儀器調節(jié)臂并與可調節(jié)高壓注水閥對接;同時通過地面儀器監(jiān)視流量曲線，根據(jù)實時監(jiān)測到的流量與予設配注量的偏差自動調整注水閥水嘴大小，直到達到予設流量。該層調配完成后，收起調節(jié)臂下放/上提至另一需要調配的層段進行測試和調配，直至所有層段測調完畢，然后根據(jù)需要進行復測并對個別層段注入量進行微調，完成全井各層段的測調。最后采用上提/下放方式對全井調配結果進行統(tǒng)一檢測。目前喇嘛甸油田正在應用的高效測調力求實現(xiàn)“壓力同步錄取、流量實時監(jiān)測、水嘴連續(xù)可調”的功能，達到提高測試效率、縮短測調時間、提高測試資料準確率的目的。所應用的可調堵塞器為活塞式，通過傳動軸開閉陶瓷芯，進而控制水量的大小。在近些年的應用推廣中，分層注水井下入活塞式可調堵塞器1850多支，在8個月后仍能應用的只有395支，完好率僅為21.3%?？烧{堵塞器壽命的長短直接影響到注水開發(fā)的好壞及成本。因此，堵塞器使用壽命的研究顯得尤為重要。

2 方案提出及確定

2.1 延長使用壽命可調堵塞器的研制方案

根據(jù)可調堵塞器的物理特性，研制方案包括轉動式可調堵塞器、改良活塞式可調堵塞器和針型閥式可調堵塞器，這三種堵塞器需滿足以下三方面要求。

（1）使井下高壓注水水流通過堵塞器時減減小阻力，并且改變水流方向。

（2）將堵塞器出水孔由原來的單孔改為三個孔，減小出水孔水流阻力，使井下下高壓射流減緩，保障堵塞器出水孔不被刺壞。

（3）將堵塞器下部材質改為高強度合金鋼，同時增加出水孔處鋼體壁厚，增加堵塞器下部強度。

2.2 適應性可調堵塞器的研制方案優(yōu)選

通過對以上三種方案進行分析，選定適應性可調堵塞器的研究方案。

方案一：轉動式可調堵塞器。通過閥芯轉動的角度來控制出水量的大小。不用改變電機的轉向，出口為一個，并且為側向開口，可以減少水流對水嘴的沖擊。

方案二：改良活塞式可調堵塞器。根據(jù)活塞式堵塞器損壞的位置，對活塞式可調堵塞器進行改良，包括通徑、出水孔數(shù)、耐壓性能、動閥運動形式等。

方案三：研制針型閥可調堵塞器。將入水位置由活塞式改為針型閥式，通過傳動軸帶動針型閥的開閉，調節(jié)水量的大小。同時，出水孔改為四個。

從滿足生產、價格、入水位置及出水孔損壞難易程度因素進行對比，確定方案三為最終采用方案。表1為三種方案各項對比指標。

3 設計過程

3.1 結構設計

根據(jù)油田對注水量的要求結合經驗，可調堵塞器出水口面積在0～35 mm2即可滿足使用要求，為了避免應力集中，保證不易堵，閥芯、出水口的設計應該保證流量變化基本線性，因此閥芯選用120°形式既能保證基本線性，而且又能保證在流量最小時不易堵。因此，在設計上主要考慮到以下兩個方面：一是入水位置設計成針型閥式，可將受力面積增大，有效的避免了單一受力;二是出水孔設計為四個，注入水能夠分散流出，避免出水孔受力過大，同時增加出水孔位置的鋼體厚度。此外，針型閥可調堵塞器仍然保留了無級調節(jié)的特點，就是出水孔開度等效直徑0～10 mm無級差任意調節(jié)，而常規(guī)水嘴級差為0.2 mm，相當于常規(guī)水嘴的數(shù)量為41個?？烧{水嘴特殊的防沙設計，可以保證水嘴在井下工作期間調節(jié)螺桿的傳動部分不會發(fā)生因沙卡而堵轉事件。

3.2 針型閥式堵塞器的選材

對適合做針型閥材料進行了篩選，確定了三種材質。對三種材質的性能做了對比評價，如表2所示。

從表2看出，鑄鐵雖然價格便宜，但性能較差，尤其是抗銹蝕性，在注入水的作用下易結銹，導致孔隙產生新的堵塞物，所以不選用鑄鐵做為主體材料。合金鋼相比之下性能好又有價格上的優(yōu)勢，可滿足設計需要。

4 室內試驗論證

室內流量漂移實驗系統(tǒng)主要包括：高壓循環(huán)水回路、B10M15K高壓注水柱塞泵、電磁流量計、遠傳壓力表、調壓閥以及實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中調壓閥用來調節(jié)堵塞器的前端壓力，也就是注水時的注入壓力。如圖1所示。

把堵塞器調到任一位置（本試驗大約調到一半流量處）放入測試腔，調節(jié)注水壓力至某一壓力值（20 MPa），實時監(jiān)測其流量24小時，每小時記錄一次流量，根據(jù)數(shù)據(jù)繪圖如圖2所示。

從圖2可以看出，針型閥式可調堵塞器測后自鎖性能良好，通過計算可得其誤差為1%，在工程允許誤差范圍（±20%）內保持不變，即其密封性以及測后自鎖性均良好。

5 操作說明

5.1 閥體構成

針型閥式可調堵塞器是由多方打撈頭、接頭、回位彈簧、主體、卡片、針型閥、濾網(wǎng)等組成，其核心部分為針型閥。如圖3所示。

5.2 操作使用

多方打撈頭的上部套有回位彈簧并插裝在接頭內，回位彈簧位于接頭內腔中，多方打撈頭下部中間開有多棱柱體形的凹槽;在多方打撈頭的凹槽底部置入調節(jié)彈簧;傳動軸的上端頭為多棱柱體，且與多方打撈頭的多棱柱體形凹槽相匹配，傳動軸的上端鑲嵌在多方打撈頭的凹槽內，傳動軸的下部車有擋臺，傳動軸的末端車有螺紋;支撐座套裝在傳動軸上，并頂在傳動軸的擋臺處;螺母與調節(jié)柱塞上端焊接固定，螺母與傳動軸螺紋連接;主體的管壁上開有條形孔和過水孔;主體上端與接頭下端以螺紋連接;卡片通過主體上的條形孔將下端鑲嵌在支撐座與主體之間，與主體過盈配合;調節(jié)柱塞下段車有擋臺，擋臺位于過水孔上方，針型閥置入主體腔體內并套裝在調節(jié)柱塞外，針型閥上的水咀孔與過水孔相對應且連通，可控水咀位于限位套上;限位套座在主體下端內壁上;濾網(wǎng)與主體的下端螺紋連接;調節(jié)柱塞由主體內的穩(wěn)釘頂住導向;各處皆用“O”型密封圈密封。

6 效果檢查

針型閥式可調堵塞器研制成功，現(xiàn)場試驗后規(guī)模應用。共試驗30口井203個堵塞器。為了檢驗試驗效果，在第一個測試周期（四個月）后，打撈出52個堵塞器進行驗證，均正常。在第二個測試周期打撈出83個堵塞器進行驗證，發(fā)現(xiàn)11個由于砂卡嚴重損壞，其他均正常，堵塞器出水孔全部正常，8個月抽檢完好率到達到86.7%。

7 結論與認識

（1）高效測調力求實現(xiàn)“壓力同步錄取、流量實時監(jiān)測、水嘴連續(xù)可調”的功能，達到提高測試效率、縮短測調時間、提高測試資料準確率的目的。

（2）將堵塞器下部活塞式改為針型閥式，使井下高壓注水水流通過堵塞器時減小阻力，并且改變水流方向。

（3）將堵塞器出水孔由原來的一個孔改為三個孔，減小出水孔水流阻力，使井下高壓射流減緩，保障堵塞器出水孔不被刺壞。

（4）將堵塞器下部材質改為高強度合金鋼，增加堵塞器下部強度，同時增加厚度。

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