一種送入回收一體化的背壓閥研制

李 偉

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

0 引言

在石油天然氣勘探開發過程中，井口作業區作為安全重點監控區，又是作業種類密集聚集區域，各種涉及油氣生產相關的設備、儀器儀表和安全檢測裝置也大部分匯聚于此，而且由于某種原因需要臨時封井時，就需要在油管內部設置安裝控制油氣運移工具，因此油管做掛工具內需要安裝背壓閥。背壓閥又稱單向閥，單向閥是流體只能沿進水口流動，出水口介質卻無法回流，俗稱單向閥。單向閥又稱止回閥或逆止閥。用于液壓系統中防止油流反向流動，或者用于氣動系統中防止壓縮空氣逆向流動。以隔絕井筒內外壓力。當背壓閥送入時，作業過程中需用到專門的送入工具；當背壓閥回收時，作業過程中需用到專門的回收工具；2個作業過程，各需要1套工具，這樣造成現場工具十分雜亂。尤其當新人操作時，送入和回收工具容易混淆。同時，在現場作業過程中，存在背壓閥無法回收的現象，針對這些問題，設計了1種送入/回收工具一體化的背壓閥。

1 送入/回收一體化的背壓閥結構及原理

背壓閥又稱單向閥，單向閥是流體只能沿進水口流動，出水口介質卻無法回流，俗稱單向閥。單向閥又稱止回閥或逆止閥。止回閥是依靠介質本身流動而自動開、閉閥瓣，用來防止介質倒流的閥門。止回閥的作用主要有防止介質倒流、防止泵及驅動電動機反轉等，以及容器介質的泄放。石油工業中大量用于液壓系統中防止油流反向流動，或者用于氣動系統中防止壓縮空氣逆向流動。該文主要介紹的是應用于油氣井井口內部，隔絕井筒內流體向井口流動的流動控制裝置的1種，由于油氣井井口有不同的配有手柄的手動閥門，當這類閥門由于人為誤操作或其他不可抗力原因打開或損壞時，放置于井口下部中心位置的單流閥可以起到臨時屏蔽井筒的作用。常規的背壓閥在送人和取出的不同作業時，需要操作工程師使用兩種不同的服務作業工具，而且使用的備件同樣也是送人和取出2套，并且每次作業完成后，還需要對不同的服務作業工具進行維護保養，當背壓閥送入時，在作業過程中需要用到專門的送入工具；當背壓閥回收時，作業過程中需用到專門的回收工具；2個作業過程各需要1套工具，這樣導致現場工具十分雜亂。尤其當新人操作時，送入和回收工具容易混淆。給物料準備、工具維護、作業服務培訓都帶來了較大的壓力，如何解決以上問題，能否將作業程序，作業工藝，作業工具進行優化。根據作業服務工具的使用特點，構造原理，解決常規背壓閥送入工具和回收工具容易混淆現象和常規背壓閥存在無法回收現象的難題所采取的結構及原理如下[2]。

送入/回收工具一體化的背壓閥，主要由J型槽、閥體、O型圈、螺紋、閥座、彈簧、推桿、定位銷及筋板等組成，分別如圖1和圖2所示，所述閥體設置J型槽用于連接送入/回收工具，實現背壓閥送入/回收工具一體化；所述O型圈主要用于密封；閥體上設置的螺紋用于背壓閥和油管掛連接；所述彈簧用于使閥座復位。當送入作業時，送入/回收工具一體化背壓閥與送入/回收一體化工具連接，送入/回收工具一體化背壓閥下入位，先下壓送入/回收一體化工具1 t～2 t，順時針旋轉，直至螺紋擰緊，然后逆時針旋轉，上提鉆桿1 t～2 t，無法拉動送入/回收工具一體化背壓閥，說明其已安裝成功，反之，需要重新安裝。當回收作業時，送入/回收工具一體化背壓閥送入/回收工具下入油管掛內，逆時針旋轉，上提鉆桿1 t～2 t，接著繼續逆時針旋轉，當扭矩突然消失后，說明送入/回收工具一體化背壓閥已回收成功，注意操作時按壓推桿閥帽泄壓，將可能存在的密閉圈閉高壓介質釋放，如圖2所示[1]。

圖1 送入/回收工具一體化的背壓閥結構示意圖

2 現場應用

2.1 前期準備

選擇適合作業的井口，從油氣井工作狀態可以分為在生產井，關停井。從油氣井開采產出物狀態可以分為油井、氣井和水井。根據井口壓力可以分為常壓井、高壓井以及異常高壓井等。鑒于該次作為送入/回收一體化的背壓閥該型工具的實驗驗證性測試使用，在選擇實驗測試的作業環境時，需要考慮在實驗測試時可能會出現的由于送入/回收一體化的背壓閥造成的突發情況而出現的一些不必要的不可預見的風險，例如井筒流通通道的堵塞，送入/回收一體化的背壓閥工具的掉落丟失等事故直接影響正常的安全生產。以及由于正常的安全生產制度的調整，帶來臨時突發的關井，造成送入/回收一體化的背壓閥工具的實驗驗證性能測試滯后，造成工時超期，甚至整個作業實驗延誤取消。

圖2 送入/回收工具一體化的背壓閥A-A剖視圖

因此需要選擇關停井、低壓井以及水井。在出現復雜的情況時，可以及時采取措施，并將造成的損失，減少到可以接受的范圍。在工具實驗測試前，應該召開實驗方與井口所有方在實驗作業期間技術工作方案交底溝通會，目的是讓井口所有方充分了解該次送入/回收一體化的背壓閥實驗測試的目的，實驗作業流程以及可能的風險提示。同時，在現場組織該項實驗測試作業測試的領隊工程師，需要具有豐富的實際現場鉆完井作業經驗，能夠處理一些簡單的技術類問題，協調一些與生產作業相關的組織管理問題，并且能夠將現場出現的技術以及溝通協調問題清楚地向基地反饋，并提出解決問題的建議與意見，并盡快組織現場回復實驗測試，保證實驗順利安全高效地進行。而且還要根據實驗測試反應出的井下情況，分析產生的原因，組織技術人員提出改進方案，對送入/回收一體化的背壓閥工具的功能進行完善。

2.2 實驗測試現場作業準備程序

由于該次作業為實驗測試作業，要求嚴格按照以下步驟操作。1） 鋼絲作業的設備應該在坡道上就位。鉆臺正對鋼絲作業絞車方向上應留有足夠的空間，以便于安裝固定滑輪，滑輪需用由專人固定崗位全程記錄檢測，保證現場測試數據準確。同時保證鋼絲作業絞車操作臺了望鉆臺井口時的視線不受影響。2） 在作業前，需要向現場的作業安全負責監督申請取得作業許可證，并組織人員進行作業前的安全風險分析（JSA），與作業相關的人員進行技術交底，同時隔離相關區域和廣播通知全船人員，在經過高壓區域內的通道，過人空間等醒目位置設立警示帶，提示非相關人員不要靠近，以免造成人身安全及財產損失。3） 在工作甲板上停止其他工作，清理場地。將鋼絲作業的輔助設施及工具在工作甲板就位。4） 作業服務設備及工具連接完畢后進行試壓作業。

為了保證實驗測試數據準確，減少系統干擾因素，要求執行如下15個步驟：1） 地面管線通水并確認地面管線的容積，直至通水干凈。2） 連接地面高壓測試硬管，管線使用安全鋼絲繩進行固定。3） 升高立管通水，確認升高立管的內容積，直至通水干凈。4） 根據工作需要，在鉆臺確認泵壓與泵速的關系。5） 連接防噴器和注入器到井口。6） 保持防噴盒（STRIPPER）打開狀態，慢慢通水（保持泵壓≤500 psi）至防噴盒有水流出。7） 關閉防噴盒，試壓500 psix 5 min，檢查地面管線及升高立管設備有無泄露。8） 繼續試壓至5000 psix 5 min（根據工作需要確定試壓壓力），檢查地面管線及升高立管設備有無泄露；如果有任何泄露，停泵，鉆臺放壓至0，維修后重新按照步驟5）～7）進行操作。9） 鉆臺放壓至0。10） 保持防噴盒打開狀態，慢慢通水（保持泵壓≤500 psi）至防噴盒有水流出。11） 關閉放噴器（TBGRAMS）。12） 防噴器試壓500 psix 5 min，檢查地面管線及升高立管設備有無泄露。13） 繼續試壓至5000 psix 5 min（根據工作需要確定試壓壓力），檢查地面管線及升高立管設備有無泄露；如果有任何泄露，停泵，鉆臺放壓至0，維修后重新按照步驟10）～12）操作。14） 鉆臺放壓至0。15）試壓結束，準備下入作業服務工具。

2.3 注意事項

鑒于存在高壓液體以及含油污水，可能會給作業技術人員及作業環境帶來安全隱患和污染，應該注意以下12點：1） 相關的區域用隔離帶隔離，無關人員應遠離鋼絲，不能影響鋼絲作業。2） 鋼絲作業開始后，在鋼絲作業設備附近或上方嚴禁吊裝作業。3） 儀器在井內上提或下放時應有人在井口區域巡視觀察，有異常情況應及時報告。4） 遇到8級以上大風或暴雨、雷電以及大霧等惡劣天氣時應暫停作業。5） 有時為了拔出堵頭或塞子等井下工具，要使勁向上提，此時所有人員必須確保處于安全位置后，再進行操作，避免鋼絲斷掉飛出傷人。6） 在卸壓時，可能會有原油或混油液體，應該對其收集并處理掉。7） 如用鋼絲作業進行井眼打撈落物，應注意井控問題，用計量灌進行井眼監控，配備鋼絲剪刀，以備緊急情況時使用。8） 任何時候都不要試圖從固井泵放壓，因為背壓閥帶有單流閥，以免壓扁油管。9） 如果發現任何泄露，不要試圖維修，通知作業服務主操或現場監督，確認鉆臺放壓為0后，才可以維修。10）鉆臺及升高立管的一切工作由作業服務主操負責指揮。11） 注意安全。工作人員必須穿工服、工鞋、安全帽以及戴防護眼鏡。12） 高空作業人員必須系安全帶。13） 在試壓作業時無關人員嚴禁進入作業區域。

2.4 作業程序

該次作業為實驗測試作業，要求嚴格執行如下14條作業實驗措施及步驟，如圖3所示。1）根據作業要求，將鋼絲作業的升高立管連接在采油樹的頂端或將油管懸掛器送入工具對接在油管懸掛器上。2）協助組裝鋼絲作業的防噴管并將鋼絲穿好，接好送入工具。3）按作業要求協助組合鋼絲作業的防噴器組，用氣動絞車吊起防噴器組安裝在鋼絲作業的升高管或油管懸掛器送入工具的頂端，安裝固定滑輪。4）將防噴管吊起，協助組合鋼絲作業的井下工具，并與送入工具連接好，組合工具串。1-7/8"繩帽+1-7/8"x3"套栓加重桿+3.813"GR+送入/回收工具一體化背壓閥。5）繼續將防噴管吊起大致與防噴器組同高，對零。6）協助將防噴管與防噴器組連接在一起并上緊，連接防噴管（3根8"的防噴管）+三通+鋼絲防噴器。連接從固井到三通的試壓管線，對整個防噴系統試壓3000 psi。7）連接2"高壓閥和高壓軟管在防噴器組的三通上。8）關上防噴閥，在防噴管內灌滿水，按作業要求對防噴管進行試壓。9）試壓合格，打開防噴閥以及以下的相關閥門。10）送入作業，送入/回收工具一體化背壓閥與送入/回收一體化工具連接，送入/回收工具一體化背壓閥下入到指定位置，按設計程序完成相關的作業：先下壓送入/回收一體化工具1 t～2 t，順時針旋轉，直至螺紋擰緊，然后逆時針旋轉，上提鉆桿1 t～2 t，無法拉動送入/回收工具一體化背壓閥，說明其已經安裝成功，反之，需要重新安裝。當回收作業時，送入/回收工具一體化背壓閥送入/回收工具下入到油管掛內，逆時針旋轉，上提鉆桿1 t～2 t，然后繼續逆時針旋轉，當扭矩突然消失后，說明送入/回收工具一體化背壓閥已回收成功。在下井過程中要注意下放速度，注意上提下放懸重，并做好記錄，在工具快到位時，多測幾次上提下放懸重，確保作業安全。工具到位后，向下輕微震擊。測上提懸重，從懸重上判斷是否已經到位。此處要注意，尤其針對長時間關井的作業，禁止在沒有探壓推桿頂帽的嘗試動作前，直接起出背壓閥工具。11）起出工具到防噴管內，關掉防噴閥以下的相關閥門。打開防噴管上的卸壓閥，卸掉防噴管內的壓力。12）卸掉防噴管、防噴器組以及升高管等。13）移走鋼絲作業設備。清理鉆臺，準備下一步作業。14）關閉作業許可證，解除隔離。

圖3 送入/回收工具一體化的背壓閥送入取出作業示意圖

2.5 預案分析

如果現場作業出現以下情況，應該嚴格按照所訴流程進行操作，并取得完整、準確的實驗數據。1）如果服務工具已經抓住送入/回收工具一體化背壓閥，等待15 min～20 min，等待送入/回收工具一體化背壓閥上下壓力平衡，如果壓力一直沒有平衡，就更需要耐心等待，否則會發生鋼絲事故。如果不能一次成功回收送入/回收工具一體化背壓閥，就多次重復回收作業動作步驟，將向上震擊力控制在0.6 t以內，如果多次震擊仍無法回收送入/回收工具一體化背壓閥，作業服務工程師應及時報告現場作業負責人，并同步向基地匯報情況。2）送入/回收工具一體化背壓閥投送阻卡，則連接井下安全閥至手壓泵，打壓至4500 psi，井口安全閥戴背帽，井口閥門掛禁止操作警示牌。3）送入/回收工具一體化背壓閥投送過程懸重波動，連接2.2"通徑規，下入通井工具串，在下入過程中每5 m測一次上提拉力，通井至油管掛處。在通井時，如果發現上提拉力達到鋼絲抗拉強度的80%，停止下放，起出鋼絲工具串。

3 結語

對送入/回收一體化的背壓閥現場使用情況進行分析，在石油開采鉆完井這項高風險、高投入、各項專業高度復合集成的行業里，送入/回收一體化的背壓閥的出現，為減少作業時間，提高作業效率，避免作業風險等方面做出了積極貢獻?，F場作業程序較以往沒有明顯的變化，作業工程師在沒有額外專門培訓的前提下，完全勝任并安全地將現場操作執行完畢。同時，作業的效率明顯提高，對作業工程師工作量減負減低明顯，不需要作業工程師重復更換服務工具。維護保養檢查2套工具帶來的重復、煩瑣及不可預見的風險，都顯著降低了。同時達到設計參數目標，并通過后續優化調整能夠滿足現場作業技術要求。常規背壓閥送入工具和回收工具容易混淆的現象和常規背壓閥無法回收的問題不僅得到了解決，而且這種送入/回收一體化的背壓閥工具還具有以下3個優點：1） 背壓閥工具結構簡單，加工方便。2） J型槽可以實現送入/回收工具一體化，減少工具數量，降低生產成本。3） 通用性強，適應性廣。從而提高作業效率，降低修井作業成本。