膨脹管用井下增壓裝置換向閥改進(jìn)

閆柏瑩

（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠，黑龍江大慶163513）

膨脹管用井下增壓裝置換向閥改進(jìn)

閆柏瑩

（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠，黑龍江大慶163513）

在進(jìn)行膨脹管加固作業(yè)時(shí)，因?yàn)榫略鰤貉b置的液壓換向閥失效，導(dǎo)致膨脹頭卡死，膨脹管未完全膨脹，使施工失敗。分析原因是換向閥閥桿磨損造成的。對(duì)閥桿進(jìn)行陶瓷噴涂處理，提高其耐磨性能。將壓力換向改為增壓活塞運(yùn)動(dòng)位置控制換向。改進(jìn)后的換向閥提高了使用壽命，為井下增壓膨脹管加固技術(shù)的施工安全提供保障。

膨脹管；增壓裝置；換向閥

膨脹管加固技術(shù)［1-2］是一種密封效果較好、加固后通徑較大的密封加固技術(shù)。但是，普通的膨脹管加固技術(shù)存在地面施工壓力較高的問(wèn)題，地面啟動(dòng)壓力高達(dá)42 MPa，正常膨脹壓力也達(dá)到35 MPa以上。如果脹頭遇卡，壓力將更高，在實(shí)際施工中壓力最高達(dá)到50 MPa。因此，開展井下增壓膨脹管加固技術(shù)研究，降低膨脹管加固地面施工壓力，以提高施工的安全性、可靠性。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，井下增壓裝置因液壓換向閥失效，不能持續(xù)增壓，導(dǎo)致脹頭卡死，膨脹管未完全膨脹而使套管加固失敗，且無(wú)法完成修井施工，只能被動(dòng)報(bào)廢該井。本文分析了井下增壓裝置失效的原因，提出并實(shí)施了改進(jìn)措施。

1　井下增壓裝置的工藝原理及問(wèn)題

井下增壓裝置主要由上接頭、換向機(jī)構(gòu)、增壓機(jī)構(gòu)、下接頭等組成。換向機(jī)構(gòu)由二位四通閥、復(fù)位彈簧和殼體等組成，為增壓機(jī)構(gòu)提供往復(fù)換向功能；增壓機(jī)構(gòu)由上下缸體、大小活塞、拉桿等組成［2］。

1.1增壓原理［35］

采用液壓增壓原理，通過(guò)上下兩個(gè)活塞面積不同產(chǎn)生的壓差，為井下膨脹管脹頭提供高壓。根據(jù)帕斯卡定律：

即：

式中：p1為輸入壓力；D為大活塞直徑；d為小活塞直徑；p2為輸出壓力。

地面輸入壓力p1與輸出壓力p2之間的關(guān)系為輸入活塞面積與輸出活塞面積比的反比，使得井內(nèi)獲得較高壓力，為膨脹管脹頭上方液壓腔內(nèi)提供較高的膨脹壓力。

1.2換向原理

換向閥采用二位四通液壓閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)行程控制換向閥的換向動(dòng)作，使膨脹頭上部膨脹腔內(nèi)獲得連續(xù)高壓液體。換向閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　換向閥原理

工作原理：由于彈簧力的作用，閥的初始狀態(tài)如圖1。當(dāng)壓力水經(jīng)過(guò)P口進(jìn)入B口，同時(shí)經(jīng)過(guò)K0→增壓腔→K3，有桿腔充滿液體后，活塞到達(dá)最高位置不能繼續(xù)移動(dòng)時(shí)，控制口K0壓力升高，K3來(lái)的控制水推動(dòng)閥芯向左移動(dòng)，壓縮彈簧，換向閥換向，使P口與A口相通，B口與T口相通。

P口與A口相通，B口與T口相通，此時(shí)實(shí)現(xiàn)增壓動(dòng)作，無(wú)桿腔A、B同時(shí)進(jìn)水，（同時(shí)給高壓腔補(bǔ)水）活塞向右移動(dòng)，有桿腔A的水經(jīng)過(guò)B口管路、經(jīng)過(guò)T口，排出缸體，當(dāng)移動(dòng)到一定位置的時(shí)候，K0口的控制水不進(jìn)入到蓄能裝置內(nèi)，靠蓄能裝置自身封閉的壓力繼續(xù)為換向閥提供控制壓力，增壓缸中的兩級(jí)活塞繼續(xù)向右移動(dòng)。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到擠壓腔和外部聯(lián)通時(shí)，沒(méi)有壓力水到控制口K3，此時(shí)彈簧復(fù)位，P口與B口相通，壓力水經(jīng)過(guò)B口進(jìn)入到有桿腔A，控制水進(jìn)入無(wú)桿腔B與高壓腔，由于有桿腔與無(wú)桿腔作用面積相等，故受力抵消，進(jìn)入高壓腔的水推動(dòng)讓活塞向左運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)到K0與K3相通時(shí)，又給閥芯提供一個(gè)壓力，將彈簧壓縮，實(shí)現(xiàn)再次換向。由此往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)增壓裝置的增壓動(dòng)作。

1.3存在問(wèn)題

換向閥閥芯和閥體為間隙密封，換向閥靠液壓及彈簧相互作用換向，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用1口井后再次使用出現(xiàn)了換向閥在高壓含砂水流的沖刷下，閥芯中部軸肩在來(lái)回?fù)Q向運(yùn)動(dòng)時(shí)存在砂卡現(xiàn)象，換向閥磨損嚴(yán)重而不密封，換向閥滲漏量增大，達(dá)不到換向作用，導(dǎo)致井下增壓裝置不能正常工作。

2　井下增壓裝置的改進(jìn)

2.1結(jié)構(gòu)改進(jìn)

針對(duì)原液壓換向閥在使用中存在容易砂卡導(dǎo)致的不密封問(wèn)題，進(jìn)行了如下改進(jìn)：由壓力換向改為通過(guò)增壓活塞運(yùn)動(dòng)位置控制換向［6］，即當(dāng)增壓活塞上下行至端部時(shí)，產(chǎn)生壓力信號(hào)，為換向閥提供換向壓力，促使換向閥換向。

將閥體右側(cè)的彈簧處加一保壓腔，用來(lái)平衡閥體左側(cè)來(lái)水壓力，閥芯的尺寸也相應(yīng)改動(dòng)；將A口處來(lái)水泄壓位置更改，確保保壓腔密封，增加PB控制通道，由K0向PB提供壓力液，幫助P口向B口換向；針對(duì)換向閥閥芯兩端處的O型橡膠圈和伺服擋圈易脫落問(wèn)題，改用球形擋圈和碟形彈簧來(lái)密封，既解決了密封問(wèn)題，又防止砂卡；在增壓裝置下方的液壓缸處作與換向閥管路相對(duì)應(yīng)的改進(jìn)，設(shè)計(jì)一個(gè)類似手動(dòng)閥的滑閥來(lái)分別為PA口和PB口供壓力液，幫助換向閥換向。同時(shí)將閥桿進(jìn)行陶瓷噴涂處理，提高耐磨性。改進(jìn)后的換向閥如圖2。

圖2　改進(jìn)后的換向閥示意

2.2受力分析

2.2.1閥芯在初始位置

換向閥的初始狀態(tài)只受彈簧力的作用。因此，左側(cè)的球被閥芯支開，P口與B口導(dǎo)通，PB處的彈簧力必須大于閥芯左端碟形彈簧力。當(dāng)增壓缸的滑閥向PB口供液時(shí)，閥芯受到4個(gè)力：PB口的壓力FPB，PB口的彈簧力FT，B口處的來(lái)水對(duì)閥芯的壓力FB，T口處的碟形彈簧力FDT。如圖3。

圖3　閥芯在初始位置時(shí)的受力分析

閥芯左側(cè)受力：

閥芯右側(cè)受力：

其中：D1=2.8 cm，D2=2 cm，D3=1.4 cm。p為來(lái)水壓力，p=10～15 MPa。

由上可知FT＞FDT，F(xiàn)PB＞FB，因此F2＞F1。所以，剛開始工作時(shí)，閥芯右端所受的力能克服左端所受的力，閥芯保持頂開左側(cè)球閥狀態(tài)，P口能夠與B口相通，正常工作。

2.2.2閥芯在換向位置

當(dāng)增壓缸活塞運(yùn)動(dòng)到一定位置時(shí)，PB口與T口相通，泄壓，K0為PA口供液，換向閥換向，此時(shí)閥芯依然受4個(gè)力：PA口的壓力FPA，PB口的彈簧力FT，A口處的來(lái)水對(duì)閥芯的壓力FA，閥芯右端的碟形彈簧力F′DT。如圖4。

圖4　閥芯在換向位置時(shí)的受力分析

閥芯左側(cè)受力：

閥芯右側(cè)受力：

由上可知FT＞F′DT，且FT≈0.1FA，因此F1＞F2。所以，換向時(shí)閥芯左端受到的力能克服右端受到的力，閥芯右移，頂開右側(cè)的球閥，P口能夠與A口相通，正常換向工作。

3　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

將膨脹管、丟手裝置、增壓裝置、過(guò)濾裝置下至預(yù)定位置，經(jīng)磁性定位確定深度無(wú)誤后向油管灌滿清水，加壓5 min后壓力表指針波動(dòng)升壓，泵壓逐漸上升至11 MPa，并在9～11 MPa之間波動(dòng)，膨脹過(guò)程開始，8 min后壓力逐漸下降至4 MPa，壓力表指針波動(dòng)較小，分析增壓裝置上部管柱有漏失，繼續(xù)加壓觀察10 min，壓力無(wú)明顯變化，經(jīng)討論分析后確定使用該井干線來(lái)水大排量繼續(xù)加壓，水量由60 L／min逐漸提高到120 L／min，壓力提高至11 MPa，并重新開始在9～11 MPa繼續(xù)波動(dòng)，持續(xù)65 min后7.5 m長(zhǎng)膨脹管完成加固工藝。經(jīng)過(guò)3口井試驗(yàn)后，對(duì)井下增壓裝置進(jìn)行檢查，閥體、閥芯有一定的磨損，但在地面試驗(yàn)仍然正常工作。

4　結(jié)論

1） 通過(guò)將壓力換向改為增壓活塞運(yùn)動(dòng)位置控制換向，并對(duì)閥桿進(jìn)行陶瓷噴涂處理，提高了換向閥的耐磨性，解決了因磨損換向閥失效的問(wèn)題。

2） 改進(jìn)換向閥后，既提高了井下增壓裝置的使用壽命，又提高了井下增壓膨脹管加固技術(shù)的可應(yīng)用性、施工安全性。

3） 從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況看，換向閥依然有磨損，因此需要改進(jìn)表面處理工藝，提高換向閥的耐磨性。

［1］徐炳輝，徐炳濤.新型套管加固技術(shù)［J］.國(guó)外油田工程，2007，23（3）：45-46.

［2］閆柏瑩.高效低壓膨脹管加固技術(shù)的研制與應(yīng)用［D］.大慶：東北石油大學(xué)，2012.

［3］張叢雷，李春福，張鳳春，等.大膨脹率膨脹管的工藝參數(shù)優(yōu)選及試驗(yàn)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014，43（8）：65-69.

［4］李濤，李富平，張立新，等.實(shí)體套管膨脹驅(qū)動(dòng)力仿真研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（2）：39-42.

［5］齊國(guó)全，楊釗，上官豐收，等.可膨脹管技術(shù)研究進(jìn)展與工程應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（12）：72-76.

［6］郭麗穎.液壓自動(dòng)換向增壓回路及其應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)械，2005（3）：90-91.

Improvement of Reversing Valve of Downhole Boosting Device Used for Expansion Tube

YAN Baiying
（No．5 Oil Production Plant，Daqing Oilfield Co．，Ltd．，Daqing 163513，China）

In the operation of the expansion tube reinforcement，because of the failure of the reversing valve of the downhole boosting device，the expansion head is stuck，the expansion tube is not fully expanded，so that the construction failure.Analysis is caused by the valve stem wear.Ceramic coating was done on the valve stem to improve its wear resistance and change the pressure direction to the piston movement position control of the piston.The improved reversing valve has improved the working life，and has provided support for the construction safety of the downhole booster expansion tube reinforcement technology.

expansion tube；downhole boosting device；reversing valve

TE935.03

B

10.3969／j.issn.10013482.2015.11.019

1001-3482（2015）11-0076-03

2015-05-28

閆柏瑩（1982），男，黑龍江雙鴨山人，2004年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院，現(xiàn)從事油水井大修工程方案研究，Email：ybaiying＠petrochina.com.cn。