8型套管阀井下封井阀芯的研制.pdf

2 0 1 0年 第 3 9 卷 第 8期第 6 8页 石油矿 ol L FI ELD 场 机械 EQUI P MENT 文 章 编 号 1 0 01 3 48 2 2 01 0 08 0 06 8 03 D Q 一 9 ％型套管 阀井下封 井阀芯 的研制 谢从辉 ， 姜佰顺 ， 白晓捷 大庆油 田钻探 工程公 司 钻井工程技术研究院 ， 黑龙江 大庆 1 6 3 4 1 3 摘 要 为 满足全过 程 欠平衡 钻 井作 业 的 需要 ， 研 制 了 D Q 一 9 型 井 下套 管 阀， 其核 心 部 件 是封 井 阀 芯。参考 国际同类阀的各项技术优点 ， 引用锥面密封理念 ， 并采用三维 c A D／ C AE ／ c AM 软件进行 了优化设计。室内试验结果表明， 该阀的各项性能参数能够满足全过程欠平衡钻井作业的要求。 关键 词 套管 阀 ； 全过 程欠 平衡 ； 封 井 阀芯 ； 锥 面 密封 中图分类 号 TE 9 2 1 ． 5 文献标 识码 B De v e l o p me n t o f Ca p p i n g o f S p o o l o f DQ- 9 Ca s i n g S h u t Of f Va l v e XI E C o n g h u i ， J I ANG Ba i s h u n， BAI Xi a o j i e Dr i l l i n g En gi n e e r i n g Te c h n o l o g y Re s e a r c h I n s t i t u t e． Da q i n g Dr i l l i n g Ex pl o r a t i o n En gi ne e r i n g Co mpan y， CNPC， Da qi n g 1 6 3 41 3， Chi na Ab s t r a c t Th e DQ一 9 ％d o wn h o l e c a s i n g s h u t o f f v a l v e i s d e s i g n e d f o r ma i n t a i n i n g u n d e r b a l a n c e d c o nd i t i o ns f r o m dr i l l i ng i nt o t h e r e s e r v o i r t o c o mpl e t i o n， t he c o r e o f whi c h i s t he c a pp i ng o f t h e s p o o1 ． Re f e r r i ng t o a l l s t t o n g po i n t s o f t h e s a m e t e c h no l o gy a r o un d t he wo r l d， we pa r t i c ul a r l y a p p l y t h e t e c h n o l o g y o f 1 4 。 p y r a mi d a l f a c e p r e s s u r i z e ， a n d o p t i mi z e t h e d e s i g n wi t h t h e CAD／ CAE／ CAM s of t wa r e ． M or e o ve r， m a n y t e s t s wh i c h h a v e b e e n c o mpl e t e d i n l a b or a t o r y i nd i c a t e t h a t a l l t he pe r f o r ma nc e pa r a m e t e r s c a n me e t t he d e s i gn r e q u i r e me n t s ． Ke y wo r d s c a s i n g s hut o f f v a l v e； wh o l e c o u r s e u n de r b a l a n c e d dr i l l i n g； c a pp i n g o f t he s p o ol ； p yr a m i d a l f a c e p r e s s ur i z e 欠平衡钻井技术 以其有效保护油气储层、 提高 钻速 、 克服钻 井液 漏失 、 避 免压 差卡 钻等显 著优 点 已 经被 广 泛 应 用 于 当 今 世 界 石 油 天 然 气 开 发 工 程 中 。井下 隔离法 是 当 前最 实 用 、 最 安全 的一 项 欠 平 衡技 术 ， 井 下套 管 阀 的各 项技 术 性 能 都 能很 好 地 态 ， 诊断出压缩机的故障。 参 考文献 [ 1 ] 江恒 ， 王友钊． 旋转机械在线状态监测与故障诊断 系 统开发研究E J 2 ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 5 ， 3 4 3 6 8 7 0 ． E 2 2 张来斌 ， 于朝晖 ， 张喜延 ， 等． 机械设备故障诊断技术及 满足相关要求 ， 能极大地 降低带压强行起下钻作业 风 险 。本文 主要 介绍 了套 管阀井下 封井 阀芯 的基本 组成 和工作 原理 ， 重点介 绍 了该设 备室 内试 验情 况 ， 并通 过归 纳试验 数 据 ， 证 明 了套 管 阀井 下 封井 阀芯 设计 的可靠 性 。 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 方法[ M] ． 北京 石油 工业 出版社 2 0 0 0 1 7 3 0 ． 张建 中． 旋转机 械常见典 型故 障机 理与特 征分析 [ J ] ． 广西轻工业 ， 2 0 0 8 7 3 2 3 3 ． 于晓红 ， 张来斌 ， 王朝 晖． 基 于振动频谱 分析 的注气压 缩机故障诊断_ J ] ． 石油矿场机 械， 2 0 0 5 ， 3 4 5 1 9 2 3 ． 谢 龙汉 ， 单 岩 ， 周超 明． 旋 转 机械 中的 不平 衡 故 障 [ M] ． 北京 清华大学 出版社 ， 2 0 0 5 ． 收稿 日期 2 0 1 0 0 1 ～ 】 2 作者简介 谢从 辉 1 9 8 3 一 ， 男， 湖北洪湖人 ， 2 0 0 5年毕业于西 安石油 大学石油工 程专业 ， 现从 事欠 平衡钻 井技术 研究 ， E ma i l x i e c o n g h u i c n p c ． c o rn． c n 。 第 3 9卷 第 8期 谢 从辉 ， 等 D O - 9 型套 管阀井下封井阀芯的研制 l 井下封井 阀芯 的设计要 求和结构 井下 套 管 阀是 一 种 安 装 在套 管 的 截 止 阀 ， 可作 为技术 套管 的组 成 部 分 下 入并 固在 井 下 ， 在 阀瓣 关 闭状 态能够 隔 离井 下 的 油 气 和压 力 ， 保 证 井 口作 业 安 全 ； 在开 启状 态 允 许 钻 具 组 合 通 过[ 2 j 。在 实 际 应 用 中 ， 当 阀芯打 开后 ， 可 以顺 利 通 过 各 种 复 杂 管 串 ， 套 管 阀能够 长期 处于 待命 状态 ， 并 完成 正 常开关 ； 当 阀芯关闭后 ， 不会 出现任何渗漏 ， 满足欠平衡快速、 安 全起 下管 串作业 的要求 。该设 计 方案 依 照常规 阀 门理论分 析 ， 属 于“ 机 械压 紧式 零 渗 漏 密 封 ” ， 因 此 ， 阀瓣 的形 状设 计较 为 关 键 ， 既要 在 关 闭状 态 下 实 现 完 全密封 ， 又 要 在 打 开 状 态 下 允 许 各 种 管 串通 过 。 应用 三维 C AD ／ C AE ／ C AM 软件 完成 了该 阀的结 构 优化 设计 ， 封 井 阀瓣 总 成 的结 构 如 图 1 。 1 一 阀座 ； 2 一 阀瓣 ； 3 一 阀座合 页 ； 4 阀瓣 合页 ； 5 轴螺钉 ； 6 一轴 螺母 ； 7 ～弹簧 固定柱 ； 8 --拉伸弹簧 ； 9 一弹簧 固定套 ； 1 O ～0型密封圈 ； 1 1 ～挡 圈 ； 1 2 ～0型密封圈 ； 1 3 ～ 固定 螺栓 图 1 封 井阀瓣总成结构 2 工作 原 理 在现场作业 中， 先将井 下封井 阀芯与套 管 阀体连 接 ， 随套 管共 同 下入 预定 井 深 ， 当阀 芯处 于 开启 状 态 时 ， 可 以为 整个 管 串提 供 全 井 眼 通 道 。在起 钻 过 程 中， 当钻头起至套管阀以上时， 通过液压控制站关闭 阀芯 ， 泄掉套 管 阀以上 套 压 ， 使 其保 持 稳 定 的关 闭 状 态 ， 然后 以常规 的 起 钻 速 度 从 井 中起 出 钻具 j 。因 此 ， 通过安装井 下套管 阀 ， 能够减 少起 下钻 时间 ， 提 高 地面操作 的安全 性 ， 保 持 井 底 的欠 平衡 状 态 。反之 ， 在下 钻过程 中 ， 当钻头 临近套管 阀上部 时 ， 开启 阀芯 ， 当套管 阀上下压 力相 当时则保 持稳 定 的开启状 态 ， 可 以继续 下入钻柱 ， 顺利 开展下 一步 的钻 井作业l 4 j 。 井 下 封井 阀芯 最 关键 的部 分 是 密封 面的 设 计 ， 而 密封结 构形 式 为 金 属一 金 属 的 1 4 。 锥 面 配 合 阀 座 内侧 翻 转 棱 角 为 密 封 线 ， 阀瓣 表 面 1 4 。 翻 转 曲 面 为 密封 面 ， 密 封面 为空 间 翻转 的一条 闭合 曲 面 。阀芯 自带 6根拉 伸 弹簧 ， 提供 8 0 0 N 拉 力 。阀芯 关闭后 ， 密封 曲面在弹簧及背部压力的作用下将转化为一条 密封窄带 ， 在现场试验 中， 该密封窄带的防流体渗漏 能 力 始 终 远 大 于 流 体 的挤 出 能 力 ， 因 此 可 达 到 3 5 MP a 压 力等 级 的 零 渗 漏 密 封 标 准 。 图 2为 井 下 封 井 阀芯防 渗漏 理论 曲线 。 目前 已掌握 密封 面 的结构 尺寸 和加工 工 艺 ， 可 以很 好 地 解 决 套 管 阀金 属 密封 难题 ， 也可满足其他管内密封工具的密封需求。 基 图 2井下封井 阀芯 防渗漏理论 曲线 3性能参数 如表 1 表 l 9 Q - 9 ％型套管阀性能参数 项 日 参数 备注 封 井 压 差 o ～3 5 MP 8 l,K K ,-ta 无 等 缓 慢 ， 额 定 耐 温 一 4 0 ～ 1 5 o℃ 承 压 关 次 数 下 羹 百 次 ；井 打 开 压 差 3 ～ 5 MP a 02 33 m m 打开通径 0 ． O27， O 在 3 5 MP a压 差 下 阀芯无 塑性 变形 井 压 超 过 8 MP a 后 ， 实现零渗漏 在 该温 度 范 围内 ， 各项功 能保持稳定 视 磨 损 或 锈 蚀 情 况 判 定 打 开压 差 过 大 将 』 J u 速密封面磨损 打 丌 后 对 制 动 器 无摩擦阻力 4 特 点 a 密 封 良好 本 部 件 通 过 使 用 C AD ／ CA E ／ 9 o 0 ， 7 一 一 r 三一 、 、 、 专 兰 一 、 、 、、 、 石油 矿 场机 械 C AM 系统加工， 很好地满足了锥面密封 的要求， 确 保 密封 面具 有精密 的结 构 ， 并 经手 工 测试 确 保 阀瓣 与 阀座 拟 合 度 达 到 1 0 0 。通 过 多 次 室 内检 验 证 明 ， 该井 下封 井 阀芯 能达 到各级 压力 下 的密 封要求 ， 能 完全 实现金 属一 金属 的零渗漏 密封 。 b 稳定耐用 为了提高井下封井 阀芯在各 种恶劣环境下的耐蚀性 、 耐磨性 、 耐高压性 ， 密封面 采 用表 面堆焊 硬金 属工艺 ， 通过 室 内试 验表 明 该 工 艺 能极 大地提 高整 体耐用性 。阀芯还 具备 自动 纠正 的能力 ， 如果 阀瓣与 阀座之 间未 吻合 到位 ， 在 弹簧 的 拉 力下 ， 阀瓣微 量偏 移达到 与 阀座完全 贴合 ， 因而具 备 较高 的稳定性 。 c 价格 较低 通 过研 究 和试 验 ， 该 封井 阀 芯 性能与国外同类设备水平相 当， 并且全部元器件均 优 选 国产 件 ， 综 合服 务费用 大大 降低 。 5 室 内试验 室 内试 验 系统流 程如 图 4 ， 介质 为清水 。 1 一试压泵 ； 2 一 _ 一 通 ； 3 一球 阀 ； 4 -压力表升关 ； 5 一 压力 表； 6 ～清水试压胶管 7 试压接头； 8 一控制胶管 9 一液压站 ； 1 0 一活塞机 ； 】 1 套管 阀本体 图 3 井下封井 阀芯室 内模拟检测原理 5 ． 1开关试 验 通过使样机处于平放或斜 吊、 环境高温或低温、 静水锈蚀 、 承受高内压或高外部震动等不同条件下， 分别进行套管阀井下封井阀芯 的开关试验 ， 以验证 其开关动作的稳定性。试验数据 累计开关 4 5次； 开关打 开压差 0 ． 5 MP a ； 结 果 显 示 开关 动 作 平 稳 、 无挂卡 现象 。 5 ． 2 静 水密 封试 验 首先使阀芯安装于套管阀阀体内， 在阀体两侧 安装试验接头， 通过试压泵将 阀瓣下方灌满清水后 关 闭球 阀 ， 在 施加 0 ． 1 MP a左 右 的压力 后 观察 其 渗 漏情 况 ， 1 2 h无 渗漏 。 5 ． 3金属 密封 面锈 蚀性 试验 在 稳压试 验 、 承压试 验期 间 ， 通过 统计 阀芯 累计 灌满清 水 的时间 ， 来 观察 发 生锈 蚀 后 套 管 阀井 下封 井阀芯的各项性能。试验数据 清水介质 ， 累计浸泡 4 5 h ， 阀芯密 封面存 在微 量锈蚀 。 5 ． 4金属密 封稳 压试验 首 先 使 阀芯 安装 于套 管 阀阀体 内， 在 阀体 两侧 安装试验接头 ， 并且在阀体 内灌满清水 ， 排出内部气 体后关闭套管 阀。同时， 在瓣 阀总成一侧连接试压 泵， 加压至 1 2 MP a ， 通过手动降压进行不 同压力条 件 的 稳 压 试 验 。试 验 结 果 清 水 介 质 ， 1 2 、 6 、 4 、 2 MP a无压 降 。 5 ． 5金属密 封承压 试验 首先将 阀芯安装于套管阀阀体内， 在阀体两侧 安装试验接头 ， 向阀体内灌满清水 ， 排出内部气体后 关闭套管阀， 同时， 在瓣 阀总成一侧连接试压泵 ， 逐 渐 加 压 。 试 验 数 据 加 压 至 3 5 MP a ， 1 0 rai n无 压 降 。 6 结论 1 室 内试 验 表 明 ， 研 制 的井 下套 管 阀 能够 实 现压力密封功能， 阀板动作灵活 可靠 ， 能满足设计 要求 。 2 地 面综 合模 拟 试 验证 明 ， 该 井 下 封井 阀芯 在稳 压性 能及耐 锈蚀 性 能 2方 面具 有 独特 的优 势 ， 能够 满 足现场复 杂条件 的实 际要求 。 3 下一 步需 要进 行 现 场试 验 ， 进 一 步 完善 套 管阀阀芯设计 ， 提高压力等级 。 参 考 文 献 [ 1 ] 童征 ． 郑立 臣， 李涛， 等． 全过程欠平衡作业用井下 控制阀研制[ J ] ． 石油矿场机械， 2 0 0 9 ， 3 8 1 7 8 8 1 ． [ 2 ] 李建成 ， 宋林松 ， 王岩鹏 ， 等． 井下套管阀研究及室 内试 验[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 6 ， 3 5 2 5 - 8 ． [ 3 ] 王辉 ， 李俊儒． 欠平衡钻井井下套管 阀的研 制[ J ] ． 断 块 油 气 田 ， 2 0 0 6 ， 0 4 5 2 - 5 4 ． E 4 ] 李静 ， 赵小祥． 欠平衡钻井技术及其应 用与发展[ J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 0 2 ， 0 6 2 4 2 5 ． [ 5 ] 代锋 ， 孙凯 ， 厉爽， 等． 欠平衡钻井井筒多相流技 术研究[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 1 5 - 8 ．