測壓式方鉆桿旋塞閥的設計

劉淑英

摘 要：方鉆桿旋塞閥作為一種重要的鉆具內防噴工具、在鉆修井中已成為必備的井控工具。在鉆進作業時，旋塞閥處于開啟，一旦發生溢流或者井涌，為了阻止鉆井液沿鉆具水眼上竄，高壓危及水龍帶和立管管線安全，就必須立即關閉旋塞閥，以防止井噴。旋塞閥關閉，下側承壓，上側沒有平衡壓力要想打開旋塞閥很困難；同時由于立管通路被阻斷，不能進行立管壓力的準確測量，影響鉆井井控安全。研制新型測壓式方鉆桿旋塞閥精確測量鉆具內壓力，實現壓力平衡。該測壓式旋塞閥既可以實現常規旋塞閥功能，還可以進行測壓，旋塞閥開啟難的問題也可以解決，更好的滿足鉆井井控要求。

關鍵詞：方鉆桿旋塞閥；井控；立管壓力；測壓。

1、設計背景

方鉆桿旋塞閥作為一種重要的鉆具內防噴工具、在鉆修井中已成為必備的井控工具。方鉆桿旋塞閥分為上旋塞和下旋塞，方鉆桿上旋塞裝在水龍頭和方鉆桿之間，下旋塞裝在方鉆桿與鉆桿之間，是一種防止鉆井液噴濺、改善鉆工工作條件、阻止井噴事故發生的鉆柱內防噴工具，在工程實踐中得到廣泛應用。但是普通方鉆桿旋塞閥在有壓力條件下操作是非常困難和極易發生問題的。

旋塞閥關閉，下側承壓，上側沒有平衡壓力的情況下要想打開旋塞閥很困難。又由于旋塞閥關閉，立管通路已被阻斷，不能進行立管壓力的準確測量，勢必又會帶來如下技術難題：無法通過分析壓力變化規律，判斷溢流類型、確定壓井液密度、制定壓井方案；無法根據測量值，利用壓力平衡的方法在零壓差條件下快速打開旋塞閥。

本文分析了方鉆桿旋塞閥的現有結構，提出了方鉆桿旋塞閥改進方案。

2、常規方鉆桿旋塞閥的結構及特點

2.1 結構

目前常用的整體式浮動旋塞閥的結構基本相似，主要由閥本體、上下閥座、球體、旋鈕、擋圈、彈簧等組成，如圖1所示。閥的本體都采用整體式結構，側面開有旋鈕孔。

2.2 特點

旋塞閥閥體通常為整體式結構，與球閥的結構特點相同：

（1）啟閉迅速方便，只要使用扳手轉動球體90°就可快速完成啟閉。

（2）結構簡單緊湊。

（3）體積小，質量較輕，密封性能較好。

由于旋塞閥的工作環境特殊，除具有一般球閥的特點外，還要求具有如下特點：

（1）通常為整體結構設計，沒有中間接頭。

（2）球與閥座之間采用金屬對金屬的密封。從頂部來的壓力在下閥座與浮球之間形成密封；從井下來的壓力在上閥座與浮球之間以及下閥座與浮球之間形成密封，這種多重密封保證了密封的可靠性。

（3）可在閥上部增加壓力，自動平衡較高的油氣井壓力，使閥能在額定工作壓力下順利打開。

（4）為防止轉動手柄時使浮球旋轉越過90°，該閥設計了手柄正向旋轉停止點，這就保證了閥在關閉時能完全關閉，開啟時能完全打開，使閥有一個平滑暢通的流道。

（5）方鉆桿旋塞閥的通孔應盡量和方鉆桿水眼相同，旋塞閥的工作壓力必須大于防噴器的工作壓力。

（6）方鉆桿旋塞閥需要用專用的扳手來操縱。

3、測壓式方鉆桿旋塞閥的結構、優勢及工作原理

3.1 測壓旋塞閥的結構及優勢

測壓式方鉆桿旋塞閥，由方鉆桿旋塞閥、小逆止閥、頂開裝置和壓力表或壓力傳感器構成，小逆止閥安裝在方鉆桿旋塞閥下端管壁上。壓力表安裝在頂開裝置上。在正常狀態下，頂開裝置和壓力表與方鉆桿旋塞閥是分開的，不影響鉆井工況。在需要測量立管壓力時，將頂開裝置接在小逆止閥位置上，通過頂桿把小逆止閥頂開實現立管壓力的準確測量。測量完成后，卸掉頂開裝置即可恢復到正常狀態。

測壓式方鉆桿旋塞閥設計簡單緊湊、不改變旋塞閥的外形、操作方便簡單。測壓式旋塞閥的優勢體現在：

（1）在方鉆桿旋塞閥下端增加測壓孔，測壓孔不影響旋塞閥的正常開啟與關閉。

（2）在方鉆桿旋塞閥測壓孔內裝小逆止閥，小逆止閥長度不超過旋塞閥管壁厚度，安裝后不改變方鉆桿旋塞閥的外徑和內徑尺寸。小逆止閥可以保證旋塞閥正常使用不受到影響。

（3）在正常狀態下，頂開裝置和壓力表或壓力傳感器不在旋塞閥上，不影響旋塞閥正常使用。

（4）在需要測定立管壓力時，通過頂開裝置打開小逆止閥，然后壓力表或壓力傳感器連接到頂開裝置上，從而方便的讀出立管壓力數值，實現立管壓力的準確測量。測壓完成后卸掉頂開裝置和壓力表或壓力傳感器。

3.2 工作原理

在進行壓井作業時，這時旋塞閥關閉，通過準確測量鉆柱內壓力值，在旋塞閥上端施加等值壓力建立壓力平衡，在零壓差條件下，轉動軸調節球形閥芯，快速打開旋塞。其工作步驟如下：

（1）旋塞閥關閉狀態下連接頂開裝置，頂開裝置打開小逆止閥，然后壓力表連接到頂開裝置上，待壓力穩定后，準確測量旋塞閥下端的壓力值。

（2）經方鉆桿緩慢注入鉆井液，使旋塞閥上端壓力增加、壓差減少，直至達到壓差為零。

（3）在零壓差條件下，通過旋轉轉動軸轉動球形閥芯，快

速打開旋塞閥。

（4）卸掉頂開裝置與壓力表，恢復到正常狀態。

4、結論與認識

測壓式方鉆桿旋塞閥在壓力環境下通過準確測量壓力值，配合有效的注平衡壓措施，能夠較好的實現快速開啟，同時能很好的滿足井控安全的需要，既省力又提高了工作效率，給壓井贏得更多的作業時間。

（1）分析了方鉆桿旋塞閥在高壓下打不開的原因，即球形閥芯下部的后閥腔內的高壓與上部的前閥腔的低壓之間形成很大壓差，使球形閥芯與前閥座之間產生很大壓力，當轉動轉軸時，由于巨大的壓力產生的摩擦力很大，很難轉動球形閥芯，致使方鉆桿旋塞閥無法打開。

（2）注平衡壓是快速開啟方鉆桿旋塞閥的有效措施，關鍵是盡可能保證兩端壓力平衡，消除壓差。通過小逆止閥裝上頂開裝置便能在方鉆桿旋塞閥關閉條件下準確測量立管壓力值，從而保證兩端壓力平衡。

（3）測壓式方鉆桿旋塞閥具備常規方鉆桿下旋塞閥的內防噴功能和外形尺寸，在鉆井作業過程中可作為常規方鉆桿下旋塞閥使用；頂開裝置和壓力表能隨時安裝或拆卸，不影響鉆井工況。

（4）測壓式方鉆桿旋塞閥還需要改進設計，進行更多的實驗研究，如改用傳感器連接時的數據模塊優化、密封承壓能力試驗以及旋塞閥體強度實驗等。