自衡式单流阀研制与应用.pdf

２０１５年第４４卷第９期第８２页石油矿场机械犗犐犔犉犐犈犔犇犈犙犝犐犘犕犈犖犜２０１５，４４（９）８２  ８５文章编号１００１  ３４８２（２０１５）０９  ００８２  ０４自衡式单流阀研制与应用王甲昌１，单锋１，张日兴２，文国华１，肖志高３（１．塔里木油田公司塔中勘探开发项目经理部，新疆库尔勒８４１０００；２．德州农工大学ＨａｒｏｌｄＶａｎｃｅ石油工程学院，ＵＳＡＴｅｘａｓ７７８４３  ３１１６；３．湖南罡拓能源科技有限公司，新疆库尔勒８４１０００）摘要钻完井作业使用的浮阀存在寿命短、失效率较高等问题。研制了自衡式单流阀，采用滑套与凸轮驱动连接、阀片向滑套内壁贴合、氟胶和软金属组合密封的设计。减少了密封面冲刷失效的几率；解决了低、高压状态下密封的稳定性与抗高温性。室内模拟试验及现场应用结果表明该单流阀开、关及时，密封良好，性能稳定，在井下各种倾角状态下可以置于完井管柱的任何位置，满足碳酸盐岩超深水平井完井管柱配置、压裂、酸化等的施工要求。关键词碳酸盐岩；浮阀；自衡式单流阀中图分类号ＴＥ９２１．５文献标识码Ｂ犱狅犻１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１  ３４８２．２０１５．０９．０２１犇犲狏犲犾狅狆犿犲狀狋犪狀犱犃狆狆犾犻犮犪狋犻狅狀狅犳犛犲犾犳  犲狇狌犻犾犻犫狉犪狋犻狀犵犆犺犲犮犽犞犪犾狏犲ＷＡＮＧＪｉａｃｈａｎｇ１，ＳＨＡＮＦｅｎｇ１，ＺＨＡＮＧＲｉｘｉｎｇ２，ＷＥＮＧｕｏｈｕａ１，ＸＩＡＯＺｈｉｇａｏ檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪３３）优化喷油嘴偶件，喷油压力提高了２．４ＭＰａ，使进入气缸燃烧室内的油气混合速度得到了进一步提高，柴油机滞燃期内形成的可燃混合气量增加，燃油燃烧速率和压力升高率进一步上升，柴油机的碳烟排放量得到了进一步控制，也进一步提高了喷油器的使用寿命。３现场试验及应用２０１３  ０３，新型１９０系列柴油机喷油器试验合格后，首先安装在胜利油田胜利动力机械集团有限公司大修柴油机上试用，通过出厂测试，柴油机的排放指标均达到了出厂技术要求［４］，有效燃油消耗率由原来的２９９．４ｇ／（ｋＷｈ）降为１９９．４ｇ／（ｋＷｈ）。随后又陆续安装在８台新机和两台大修柴油机上进行现场推广应用，截止目前，渤海钻井４５６９２钻井队２号柴油机已累计运转了５５００ｈ，中间进行了２次测试，喷油压力和雾化质量均达到了设计要求，喷油器的使用寿命提高了１０多倍。４结论１）喷油器在高温、高压、高速工况下连续工作，通过合理的改进、设计，提高了喷油器可靠性和使用寿命，减少了喷油器的故障率。２）喷油器的性能对发动机的经济性及排放指标起着重要作用，通过合理的工艺和参数的优化，使发动机的寿命和整机性能得到了显著提高。３）新型１９０系列柴油机喷油器结构简单、使用维护方便、寿命长，降低了操作人员的维护使用劳动强度，具有良好的推广应用价值。参考文献［１］济南柴油机厂．１９０柴油机使用与维护［Ｍ］．北京机械工业出版社，１９９１．［２］中国石油天然气集团公司人事部服务中心．钻井柴油机工（下册）［Ｍ］．东营石油大学出版社，２００４．［３］ＧＢ／Ｔ５７７２２０１０，柴油机喷油嘴技术条件［Ｓ］．［４］ＧＢ２０８９１２００７，非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法［Ｓ］．  收稿日期２０１５  ０３  ３０基金项目中石油股份公司科技重大专项“ 塔中超深碳酸岩凝析气藏勘探开发关键技术” （２０１４Ｅ  ２１０６）作者简介王甲昌（１９８９ ），男，河南南阳人，助理工程师，现从事试油完井工作，Ｅ  ｍａｉｌｗａｎｇｌｏｎｇｈｕａ０７１６＠１２６．ｃｏｍ。（１．犜犪狕犺狅狀犵犈狓狆犾狅狉犪狋犻狅狀犪狀犱犇犲狏犲犾狅狆犿犲狀狋犕犪狀犪犵犲犿犲狀狋犇犲狆犪狉狋犿犲狀狋，犓狅狉犾犪８４１０００，犆犺犻狀犪；２．犎犪狉狅犾犱犞犪狀犮犲犇犲狆犪狉狋犿犲狀狋狅犳犘犲狋狉狅犾犲狌犿犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犜犲狓犪狊犃牔犕犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔３１１６犜犃犕犝犆狅犾犾犲犵犲犛狋犪狋犻狅狀，犜犡７７８４３３１１６，犝犛犃；３．犎狌狀犪狀犌犪狀犵狋狌狅犈狀犲狉犵狔犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔犆狅．，犔狋犱，犓狅狉犾犪８４１０００，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋Ｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｆｌｏａｔｉｎｇｖａｌｖｅｓｕｓｅｄｉｎｗｅｌｌ  ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎｏｐｅｒａｔｉｏｎｈａｖｅｓｏｍｅｄｒａｗｂａｃｋｓｓｕｃｈａｓｓｈｏｒｔｌｉｆｅｔｉｍｅ，ｈｉｇｈｆａｉｌｕｒｅｒａｔｅａｎｄｅｔｃ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ａｋｉｎｄｏｆｓｅｌｆ  ｅｑｕｉｌｉｂｒａｔｉｎｇｃｈｅｃｋｖａｌｖｅｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｓｅｌｆ  ｅｑｕｉｌｉｂｒａｔｉｎｇｃｈｅｃｋｖａｌｖｅｉｓｍａｉｎｌｙｃｏｍｐｏｓｅｄｂｙｓｗｉｔｃｈｉｎｇｖａｌｖｅ，ｖａｌｖｅｓｅａｔ，ｆｌａｐｐｅｒａｎｄｓｌｅｅｖｅ．Ｔｈｅｕｎｉｑｕｅｄｅｓｉｇｎａｒｅｆｅａｔｕｒｅｄｂｙｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｏｆｓｌｉｄｉｎｇｓｌｅｅｖｅａｎｄｃａｍｄｒｉｖｉｎｇｇｅａｒ，ｆｌａｐｐｅｒｊｏｉｎｔｉｎｇｔｏｗａｒｄｓｉｎｎｅｒｗａｌｌｏｆｓｌｅｅｖｅ，ａｎｄｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｆｌｕｏｒｏｒｕｂｂｅｒｓｅａｌａｎｄｓｏｆｔｍｅｔａｌｓｅａｌ．Ｔｈｅｎｅｗｄｅｓｉｇｎｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｓｅａｌｆａｉｌｕｒｅｃａｕｓｅｄｂｙｗａｓｈ  ｉｎｇ，ｓｏｌｖｅｄｓｅａｌｉｎｇｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｎｂｏｔｈｌｏｗａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｈｉｇｈ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｐｒｏｂ  ｌｅｍｓ．Ｔｈｅｌａｂｏｒａｔｏｒｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔａｎｄｆｉｅｌｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｉｓｎｅｗｃｈｅｃｋｖａｌｖｅｃａｎｓｗｉｔｃｈｗｉｔｈｏｕｔｄｅｌａｙ，ｓｅａｌｗｅｌｌ，ｍｏｒｅｓｔａｂｌｅｔｈａｎｔｈａｔｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｃｈｅｃｋｖａｌｖｅ，ｗｏｒｋｗｅｌｌｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｎｇｌｅｉｎｄｏｗｎｈｏｌｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｎｄｃｏｕｌｄｂｅｉｎｓｔａｌｌｅｄａｔａｎｙｐｏｓｉｔｉｏｎｏｎｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎｓｔｒｉｎｇ．Ｔｈｉｓｎｅｗｃｈｅｃｋｖａｌｖｅｓａｔｉｓｆｉｅｄｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｆｏｒｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎｓｔｒｉｎｇｄｅｓｉｇｎ，ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ，ａｃｉｄｉｚｉｎｇａｎｄｏｔｈｅｒｒｅｌｅｖａｎｔｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｉｎｄｅｅｐｃａｒｂｏｎａｔｅｒｅｓｅｒｖｏｉｒ．犓犲狔狑狅狉犱狊ｃａｒｂｏｎａｔｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｆｌｏａｔｉｎｇｖａｌｖｅ；ｓｅｌｆ  ｅｑｕｉｌｉｂｒａｔｉｎｇｃｈｅｃｋｖａｌｖｅ内防喷工具在现代钻完井井控体系中一直占据重要位置，其中浮阀（包括箭形止回阀，球形阀，板式浮阀等）由于流体冲刷、弹簧疲劳、电化腐蚀、材质差别等多种因素影响，使用寿命普遍较短，失效率较高。浮阀在材料选择和结构设计方面的改进一直是相关领域的研究重点［１  ７］。塔里木油田碳酸盐岩储层以缝洞系统为主，油气藏存在压力窗口窄、易漏易喷、高含Ｈ２Ｓ，部分井井漏后形成较高的圈闭压力；该区块油气井井控风险高、作业难度大［８  １０］。常规浮阀不能适用塔里木油田井下高密度流体、高温、高压环境下的完井作业，成为制约碳酸盐岩水平井分段改造完井工艺的重要因素。浮阀失效不仅给施工带来巨大风险，还直接增加作业周期与完井成本。１结构及原理１．１结构自衡式单流阀的结构如图１所示，主要由开关阀、阀座、阀片、滑套等组成。１上接头；２外连通通道；３压簧；４外筒；５滑套；６延伸通道；７内连通通道；８内筒；９阀座；１０阀片；１１下接头。图１全通径自衡式单流阀结构滑套处于内筒与外筒之间，可以在二者之间限位滑动，并与上接头、外筒、及内筒分别围成与管内空间相通的内压腔，以及与管外环空相通的外压腔。外压腔内置有弹簧，弹簧上、下分别与上接头及滑套相接。内筒底端为阀座，一侧转轴上设有蝶形阀片和凸轮。滑套通过自身的调节开口与凸轮驱动连接。１．２工作原理自然状态下弹簧推动滑套驱动凸轮，关闭蝶形阀片，确保单流阀的初始关闭状态。单流阀随管柱入井后，其内压腔和外压腔分别受管柱内压力与环空压力。当顶通或循环时，管柱内压力大于环空压力，滑套上行驱动凸轮打开阀片，当管柱垫轻质泥浆或井下溢流时，环空压力大于管柱压力，滑套下行驱动凸轮关闭阀片。１．３技术参数自衡式单流阀技术参数如表１。主要应用于１６８．２８ｍｍ或１７１．４５ｍｍ井眼中。表１自衡式单流阀主要技术参数规格型号ＧＴＺＱＤＦ  １５０  ００Ｘ接头扣型（ＢＰ）／ｍｍｍｍ８８．９ＥＵＥＢ８８．９ＥＵＥＰ尺寸规格（ＯＤＬ）／ｍｍｍｍ１５０１３４５最小内径／ｍｍ７０最大承压能力／ＭＰａ７０工作温度／℃ ２００３８第４４卷第９期王甲昌，等自衡式单流阀研制与应用  １．４主要特点自衡式单流阀以独特的设计避免了传统单流阀的失效因素，同时结合井下安全阀，密封机构的特点［１１  １２］，使工具的阀板密封机构更加可靠［１３  １５］。１）采用内外双腔设计方式，滑套根据管柱内外压力变化自动驱动阀片的开关，避免了常规箭形或球形止回阀的密封面冲刷失封问题。２）外压腔中的压簧处于空间受限状态，可以保持在几何中心线上工作，不受偏心载荷，因此安全应力不会减弱。阀片一旦打开，弹簧便不受流体冲击力，也就不存在交变载荷，因此与常规浮阀压簧相比，其疲劳失效的概率可大幅降低。３）阀片下表面为弧形表面结构，并且在设计上能与滑套内壁相贴合，因此在阀片完全打开时，上表面与工具中轴线平行，密封面不会受到管柱内流体的角度冲刷，与传统浮阀相比，冲刷失封的几率大幅降低。４）滑套在压差作用下滑动至上、下限位机构，调节开口上、下边沿与阀片凸轮均达到面接触，驱动阀片完全打开和关闭。面接触方式使阀片具有良好的定位能力，同时也降低了阀片由于受力不均产生变形的可能性，提高阀片的耐用性。５）蝶形阀片的密封面上硫化有抗高温的氟胶（抗高温２００℃），对应阀座上设置有软金属或者软合金涂层，阀片关闭时在反向高压下能够部分嵌入软金属中，压力助封，反向压差越大，密封效果越好。采用非金属金属组合密封，来确保工具在低压和高压状态下密封的稳定性，这与井下安全阀的密封结构类似。６）在井下各种倾角状态下密封效果不会减弱，可以置于完井管柱的任何位置。７）设置在转轴上的阀片可拆卸，当阀片损坏或者失效时，能够及时对阀片进行更换。２试验２．１地面承压试验地面承压试验主要目的是测试该工具的反向承压能力，初步验证其密封机构分别在高、低压状态下的密封效果。试验方法将该型单流阀反向接水泥车管线，利用水泥车泵清水反向加压，记录３０ｍｉｎ内各压力下压降（如表２）。表２全通径自平衡单流阀室内试验记录工具低压试验高压试验压力／ＭＰａ时间／ｍｉｎ压降／ＭＰａ压力／ＭＰａ时间／ｍｉｎ压降／ＭＰａ结论样品１５３００７０３００．４无渗漏５３００７０３００．５合格样品２５３００７０３００．５无渗漏５３００７０３００．６合格样品３５３００７０３００．３无渗漏５３００７０３００．６合格试验结论自衡式单流阀在地面状态下，多次开关，密封机构效果良好，反向承压高、低压能力良好，最高反向承压可达７０ＭＰａ。２．２地面反复开关试验地面开关试验目的在于验证单流阀随内外压差变化开关的能力，验证单流阀反复开关的承受能力。试验过程工具上连接水泥车管线，正加压泵入清水，压力在１ＭＰａ左右时阀片打开，泄压后，弹簧推动开关滑套将阀片关闭，如此反复１０次，结果基本相同，拆开工具检查传动机构无明显磨损。试验结论单流阀能够根据内外压差的变化实现开关功能，在１ＭＰａ正压差下可打开阀片，泄压后可自动关闭，并且单流阀具备反复开关的可靠性。２．３井下试验井下试验主要目的是测试该工具在高温状态下的耐冲蚀能力、随内外压差变化开关的能力以及阀片反复开关的密封能力。２．２．１试验过程１）在密度１．１８ｇ／ｃｍ３盐水内将单流阀下入至井深２８００ｍ。２）环空加压试验初始密封性，逐步加压至３０ＭＰａ，水眼无返液。３）接方钻杆，以７２０Ｌ／ｍｉｎ排量正循环洗井２周，泵压５～１０ＭＰａ。４）环空加压验证单流阀密封效果，单次最高加压至３０ＭＰａ后再稳步泄压，全程观察水眼返出情况。５）按步骤４）反复试验５次。６）取出单流阀，检查工具损耗情况，拍照记录，编写试验报告。２．２．２试验结论１）在１．１８ｇ／ｃｍ３盐水中以７２０Ｌ／ｍｉｎ排量循环超过５ｈ，密封面完好，阀体无明显冲蚀痕迹。２）油套压差２～３ＭＰａ时，阀片关闭，但还存４８石油矿场机械２０１５年９月  在轻微渗漏现象，在油套压差大于１０ＭＰａ后，渗漏现象消失。３）阀体密封后泄压水眼没有返液，说明阀片密封后不会因为油套压差降低出现失封。３现场应用自衡式单流阀现主要应用于塔中碳酸盐岩水平井分段改造完井工艺中。该工艺的典型送入管柱配置为钻杆＋伸缩接头＋套管悬挂封隔器＋油管＋（压控式筛管＋油管＋裸眼封隔器）狀段＋油管＋投球式筛管＋单流阀＋浮阀＋油管筛管＋引鞋。该完井工艺在下送入管柱过程中，管柱内要垫轻质泥浆（密度１．０５ｇ／ｃｍ３），管柱到位后，正替轻质泥浆至裸眼段，再坐封封隔器后丢手起送入管柱，因此要求管柱底部自带内防喷工具。前期曾采用两个常规箭形浮阀作内防喷工具，下管柱过程中浮阀保持常闭状态，性能良好，但在替液过程中密封面容易受到冲蚀作用，同时弹簧在高温高压环境下受交变载荷作用会疲劳失效，两个浮阀同时失效几率依然很高，不仅增加了后期施工难度，也增加了作业成本。后期采用单流阀与浮阀配套使用，单流阀对井下环境适应性较好（表３），解决管柱到位替液过程内防喷工具失效的问题。表３自衡式单流阀在塔中各典型井的应用井号下深／ｍ垂深／ｍ井温／ ℃ 替液时间／ｈ反向承压／ＭＰａＸ８２  Ｈ４６８９３．０５５５３．２１２９．０１２．０７．６Ｘ８６２Ｈ７９４１．６６３２０．１１４７．０５．０８．２Ｙ８  ５Ｈ７２３７．１６１２８．５１４７．０３．０７．８Ｙ１３  ３Ｈ７８０４．５６５２４．０１４５．０５．４７．６Ｙ１４  Ｈ４７２９４．９６４００．０１４１．０３．０５．６Ｙ１５  Ｈ１０７３９０．８６２０３．９１３７．０６．０１．２Ｙ２２  ３Ｈ６５６２．２５８４０．７１４５．７４．５１．７Ｙ１５７  Ｈ１７１５０．６６１０５．４１４４．０４．５７．１Ｙ４３１  Ｈ２６７３０．０５４５２．１１１６．０６．０５．３Ｙ５０３  Ｈ２７０９４．３６１５８．０１５４．７３．５１０．８全通径自衡式单流阀在塔中已成功应用２９口井，仅１口井出现失效情况，成功率达９６．５５％，相比原有双浮阀配置成功率大幅提高，成为全通径分段改造完井工艺的典型配置工具。４结论１）自衡式单流阀突破了以前内防喷工具的设计理念，采用滑套与凸轮驱动连接，避免使用扭簧容易失效，同时降低了压簧受交变载荷疲劳失效的几率。其阀片与滑套内壁向贴合，避免受流体角度冲刷，减少了密封面冲刷失效的几率；氟胶和软金属组合密封的密封机构解决了低、高压状态下密封的稳定性与抗高温性。２）自衡式单流阀采用全通径设计，适用井下各种倾角状态，可以置于完井管柱的任何位置，在塔里木碳酸盐岩高温高压环境下性能稳定。３）自衡式单流阀试验效果良好，实际生产应用过程中，开关及时，密封良好，相比传统浮阀性能更加稳定，已成为塔里木碳酸盐岩水平井分段改造完井工艺的典型配置工具。４）现有自衡式单流阀还存在低压渗漏的情况，为密封端面加工精度不够导致，可通过提高密封面加工精度来解决。参考文献［１］张晓东，闫家，汪凯，等．钻柱内防喷止回阀结构及失效原因分析［Ｊ］．石油矿场机械，２０１３，４２（３）７４  ７７．［２］陈浩，王长江，吴震，等．安全钻井钻柱内防喷系统止回阀工作机理及失效分析［Ｊ］．钻井工程，２０１０，２０（６）６９  ７２．［３］唐骏，金伟，严辉荣．一种新型箭型止回阀的结构设计与试验研究［Ｊ］．钻采工艺，２０１４，３７（１）８１  ８３．［４］练章华，李孝军，宋周成，等．新型内防喷工具安放位置分析［Ｊ］．石油机械，２００８，３６（９）２２  ２４．［５］朱和明，吴晋霞，郭朝辉，等．浮箍和浮鞋失效原因分析及预防［Ｊ］．石油矿场机械，２０１３，４２（８）６６  ７１．［６］程心平，张成富，王良杰，等．基于ＣＡＤ／ＣＦＤ技术的注水单流阀阀口优化设计［Ｊ］．石油矿场机械，２０１３，４２（７）３０  ３３．［７］冯永江，张峻，时新东，等．新型油井单流阀的研制与应用［Ｊ］．石油机械，２００８，３６（１１）７５  ７６．［８］杨向同，彭建新，贾海，等．缝洞型含硫碳酸盐岩试油井控技术研究［Ｊ］．油气井测试，２０１３，２２（３）５３  ５５．［９］石希天，肖铁，雷万能，等．塔里木奥陶系碳酸盐岩敏感性储层控压钻井技术应用［Ｊ］．钻采工艺，２０１０，３３（６）１３０  １３１．［１０］闫凯，李峰．塔里木油田井控技术研究［Ｊ］．地球物理学进展，２００８，２３（２）５２２  ５２７．［１１］周大伟，钟功祥，梁政．国内外井下安全阀的技术现状及发展趋势［Ｊ］．石油矿场机械，２００７，３６（３）１４  １６．［１２］宁世品，唐亮，罗煜恒，等．井下安全阀技术的发展与现状［Ｊ］．新疆石油天然气，２００９，５（３）８３  ８６．［１３］高成军，郑军辉，景英华，等．全通径钻具内防喷器研制与应用［Ｊ］．钻采工艺，２０１１，３４（６）６５  ６７．［１４］金双峰，程鹏，姜膺，等．弹簧的失效分析与预防技术［Ｊ］．金属热处理，２０１１，３６（Ｓ１）１４０  １４２．［１５］郑玉贵，姚治铭，柯伟，等．流体力学因素对冲刷腐蚀的影响机制［Ｊ］．腐蚀科学与防护技术，２０００，１２（１）３６  ４０．５８第４４卷第９期王甲昌，等自衡式单流阀研制与应用 

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