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.中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津300452；2.浙江科技學院 機械與能源工程學院，杭州 310000)

渤海某自營油田屬于疏松砂巖油藏，隨著開發時間的延長，地層壓力呈現出不同程度的降低[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、溶洞等地質因素，完井期間出現工作液大量浪費，并污染儲層，延長了投產時間。因此，在油田開發過程中，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，國內已做了相關研究，并取得了一定的應用[5-8]。隨著油田開發及工況的需要，筆者發現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對載荷的依賴性高，閥板的打開是依靠機構壓閥板的2個閥耳，促使閥板打開，這對閥耳的強度設計要求較高，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 設計原則

1.1 開關機構

開關機構與專用工具配合，實現板閥的開關。在板閥打開或關閉后，專用工具要依靠結構實現脫手，便于后續作業。對于固相含量較高的油井，開關機構要具有抗碎屑干擾功能，便于開關順利、可靠。閥板在關閉狀態下，井筒內液體作用在閥板上，使閥板和閥座向下運動，閥板向上打開。為了避免此情況發生，開關機構必須具有關閉狀態下的鎖定功能。

1.2 閥板機構

傳統閥板打開依靠力作用在閥耳上，使閥板繞軸旋轉打開。這種方式對閥耳的強度要求較高，且當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

本工具采用橡膠和金屬兩種形式密封。考慮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 結構原理

新型防漏失板閥主要由開關機構和閥板機構組成，如圖1所示。開關機構由打開套、關閉套、鎖定爪、鎖定套等組成。閥板機構由開關套、閥板、閥座、支撐套等組成。當專用開關工具與打開套嚙合后，繼續下行，活塞套壓縮彈簧下移，鎖定爪被解除約束而受壓彎曲，進入到鎖定筒內表面。與此同時，帶動開關套下行，直至與限位爪接觸，觸發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。當專用開關工具與關閉套嚙合后上行，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，繼續上行。相應地，開關套上行，其內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，最終與閥座貼合，閥板關閉。鎖定爪進入到鎖定筒的凹槽內，活塞套在彈簧力的作用下，其外臺階面與鎖定爪的內臺階面配合，鎖死開關機構，防止閥板誤打開。

1—上接頭；2—鎖定筒；3—關閉套；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—開關套；13—閥板；14—閥座；15—支撐套；16—限位爪；17—下接頭。

3 技術參數

最大外徑 165 mm

最小內徑 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)

關閉狀態下，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，在多次開關板閥中采用金屬密封。本文采取金屬密封形式實現板閥的防漏失功能，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。為了達到準確的計算結果，有限元網格單元尺寸為0.5 mm，最大為5 mm，對所有重點區域進行了網格細化，以消除網格敏感性。有限元模型如圖4。

圖2 閥板與閥座結構

圖3 簡化幾何模型

根據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。設部件材料均為4145H，最大許用應力為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。

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。

通過以上分析發現，所加載載荷均大于接觸面的壓力，說明閥板和閥座達到密封。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構設計的合理性和可行性。

a 5 MPa

b 17.5 MPa

c 35 MPa

5 室內試驗

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，鎖死。利用終端控制軟件依次對管線內進行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，并記錄壓降數據。

利用測試工裝分別進行了常溫油介質測試、高溫油介質測試，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，滿足作業設計要求。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，密封達到作業要求。

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 結論

1) 為了解決油井作業液漏失問題，設計了一種將閥板從下向上打開，且開關動作對開關力不敏感的新型防漏失板閥。介紹了該板閥的設計原則及結構原理。

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。結果表明，閥板與閥座的金屬密封結構滿足設計要求。

3) 在柴油介質下，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，設計遠程打開模塊，降低深井作業費用。