自衡式單流閥研制與應(yīng)用

王甲昌，單　鋒，張日興，文國(guó)華，肖志高

（1．塔里木油田公司　塔中勘探開(kāi)發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理部，新疆　庫(kù)爾勒841000；2．德州農(nóng)工大學(xué)　Harold Vance石油工程學(xué)院，USA Texas 77843-3116；3．湖南罡拓能源科技有限公司，新疆　庫(kù)爾勒841000）①

自衡式單流閥研制與應(yīng)用

王甲昌1，單鋒1，張日興2，文國(guó)華1，肖志高3

（1．塔里木油田公司塔中勘探開(kāi)發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理部，新疆庫(kù)爾勒841000；2．德州農(nóng)工大學(xué)Harold Vance石油工程學(xué)院，USA Texas 77843-3116；
3．湖南罡拓能源科技有限公司，新疆庫(kù)爾勒841000）①

鉆完井作業(yè)使用的浮閥存在壽命短、失效率較高等問(wèn)題。研制了自衡式單流閥，采用滑套與凸輪驅(qū)動(dòng)連接、閥片向滑套內(nèi)壁貼合、氟膠和軟金屬組合密封的設(shè)計(jì)。減少了密封面沖刷失效的幾率；解決了低、高壓狀態(tài)下密封的穩(wěn)定性與抗高溫性。室內(nèi)模擬試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：該單流閥開(kāi)、關(guān)及時(shí)，密封良好，性能穩(wěn)定，在井下各種傾角狀態(tài)下可以置于完井管柱的任何位置，滿足碳酸鹽巖超深水平井完井管柱配置、壓裂、酸化等的施工要求。

碳酸鹽巖；浮閥；自衡式單流閥

內(nèi)防噴工具在現(xiàn)代鉆完井井控體系中一直占據(jù)重要位置，其中浮閥（包括箭形止回閥，球形閥，板式浮閥等）由于流體沖刷、彈簧疲勞、電化腐蝕、材質(zhì)差別等多種因素影響，使用壽命普遍較短，失效率較高。浮閥在材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的改進(jìn)一直是相關(guān)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)［1-7］。

塔里木油田碳酸鹽巖儲(chǔ)層以縫洞系統(tǒng)為主，油氣藏存在壓力窗口窄、易漏易噴、高含H2S，部分井井漏后形成較高的圈閉壓力；該區(qū)塊油氣井井控風(fēng)險(xiǎn)高、作業(yè)難度大［8-10］。常規(guī)浮閥不能適用塔里木油田井下高密度流體、高溫、高壓環(huán)境下的完井作業(yè)，成為制約碳酸鹽巖水平井分段改造完井工藝的重要因素。浮閥失效不僅給施工帶來(lái)巨大風(fēng)險(xiǎn)，還直接增加作業(yè)周期與完井成本。

1　結(jié)構(gòu)及原理

1．1 結(jié)構(gòu)

自衡式單流閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由開(kāi)關(guān)閥、閥座、閥片、滑套等組成。

圖1　全通徑自衡式單流閥結(jié)構(gòu)

滑套處于內(nèi)筒與外筒之間，可以在二者之間限位滑動(dòng)，并與上接頭、外筒、及內(nèi)筒分別圍成與管內(nèi)空間相通的內(nèi)壓腔，以及與管外環(huán)空相通的外壓腔。外壓腔內(nèi)置有彈簧，彈簧上、下分別與上接頭及滑套相接。

內(nèi)筒底端為閥座，一側(cè)轉(zhuǎn)軸上設(shè)有蝶形閥片和凸輪?；淄ㄟ^(guò)自身的調(diào)節(jié)開(kāi)口與凸輪驅(qū)動(dòng)連接。

1．2 工作原理

自然狀態(tài)下彈簧推動(dòng)滑套驅(qū)動(dòng)凸輪，關(guān)閉蝶形閥片，確保單流閥的初始關(guān)閉狀態(tài)。

單流閥隨管柱入井后，其內(nèi)壓腔和外壓腔分別受管柱內(nèi)壓力與環(huán)空壓力。當(dāng)頂通或循環(huán)時(shí)，管柱內(nèi)壓力大于環(huán)空壓力，滑套上行驅(qū)動(dòng)凸輪打開(kāi)閥片，當(dāng)管柱墊輕質(zhì)泥漿或井下溢流時(shí)，環(huán)空壓力大于管柱壓力，滑套下行驅(qū)動(dòng)凸輪關(guān)閉閥片。

1．3 技術(shù)參數(shù)

自衡式單流閥技術(shù)參數(shù)如表1。主要應(yīng)用于168．28 mm或171．45 mm井眼中。

表1　自衡式單流閥主要技術(shù)參數(shù)

1．4 主要特點(diǎn)

自衡式單流閥以獨(dú)特的設(shè)計(jì)避免了傳統(tǒng)單流閥的失效因素，同時(shí)結(jié)合井下安全閥，密封機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)［1112］，使工具的閥板密封機(jī)構(gòu)更加可靠［13-15］。

1）采用內(nèi)外雙腔設(shè)計(jì)方式，滑套根據(jù)管柱內(nèi)外壓力變化自動(dòng)驅(qū)動(dòng)閥片的開(kāi)關(guān)，避免了常規(guī)箭形或球形止回閥的密封面沖刷失封問(wèn)題。

2）外壓腔中的壓簧處于空間受限狀態(tài)，可以保持在幾何中心線上工作，不受偏心載荷，因此安全應(yīng)力不會(huì)減弱。閥片一旦打開(kāi)，彈簧便不受流體沖擊力，也就不存在交變載荷，因此與常規(guī)浮閥壓簧相比，其疲勞失效的概率可大幅降低。

3）閥片下表面為弧形表面結(jié)構(gòu)，并且在設(shè)計(jì)上能與滑套內(nèi)壁相貼合，因此在閥片完全打開(kāi)時(shí)，上表面與工具中軸線平行，密封面不會(huì)受到管柱內(nèi)流體的角度沖刷，與傳統(tǒng)浮閥相比，沖刷失封的幾率大幅降低。

4）滑套在壓差作用下滑動(dòng)至上、下限位機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)開(kāi)口上、下邊沿與閥片凸輪均達(dá)到面接觸，驅(qū)動(dòng)閥片完全打開(kāi)和關(guān)閉。面接觸方式使閥片具有良好的定位能力，同時(shí)也降低了閥片由于受力不均產(chǎn)生變形的可能性，提高閥片的耐用性。

5）蝶形閥片的密封面上硫化有抗高溫的氟膠（抗高溫200℃），對(duì)應(yīng)閥座上設(shè)置有軟金屬或者軟合金涂層，閥片關(guān)閉時(shí)在反向高壓下能夠部分嵌入軟金屬中，壓力助封，反向壓差越大，密封效果越好。采用非金屬金屬組合密封，來(lái)確保工具在低壓和高壓狀態(tài)下密封的穩(wěn)定性，這與井下安全閥的密封結(jié)構(gòu)類似。

6）在井下各種傾角狀態(tài)下密封效果不會(huì)減弱，可以置于完井管柱的任何位置。

7）設(shè)置在轉(zhuǎn)軸上的閥片可拆卸，當(dāng)閥片損壞或者失效時(shí)，能夠及時(shí)對(duì)閥片進(jìn)行更換。

2　試驗(yàn)

2．1 地面承壓試驗(yàn)

地面承壓試驗(yàn)主要目的是測(cè)試該工具的反向承壓能力，初步驗(yàn)證其密封機(jī)構(gòu)分別在高、低壓狀態(tài)下的密封效果。

試驗(yàn)方法：將該型單流閥反向接水泥車管線，利用水泥車泵清水反向加壓，記錄30min內(nèi)各壓力下壓降（如表2）。

表2　全通徑自平衡單流閥室內(nèi)試驗(yàn)記錄

試驗(yàn)結(jié)論：自衡式單流閥在地面狀態(tài)下，多次開(kāi)關(guān)，密封機(jī)構(gòu)效果良好，反向承壓高、低壓能力良好，最高反向承壓可達(dá)70 MPa。

2．2 地面反復(fù)開(kāi)關(guān)試驗(yàn)

地面開(kāi)關(guān)試驗(yàn)?zāi)康脑谟隍?yàn)證單流閥隨內(nèi)外壓差變化開(kāi)關(guān)的能力，驗(yàn)證單流閥反復(fù)開(kāi)關(guān)的承受能力。

試驗(yàn)過(guò)程：工具上連接水泥車管線，正加壓泵入清水，壓力在1MPa左右時(shí)閥片打開(kāi)，泄壓后，彈簧推動(dòng)開(kāi)關(guān)滑套將閥片關(guān)閉，如此反復(fù)10次，結(jié)果基本相同，拆開(kāi)工具檢查傳動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)明顯磨損。

試驗(yàn)結(jié)論：?jiǎn)瘟鏖y能夠根據(jù)內(nèi)外壓差的變化實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能，在1MPa正壓差下可打開(kāi)閥片，泄壓后可自動(dòng)關(guān)閉，并且單流閥具備反復(fù)開(kāi)關(guān)的可靠性。

2．3 井下試驗(yàn)

井下試驗(yàn)主要目的是測(cè)試該工具在高溫狀態(tài)下的耐沖蝕能力、隨內(nèi)外壓差變化開(kāi)關(guān)的能力以及閥片反復(fù)開(kāi)關(guān)的密封能力。

2．2．1 試驗(yàn)過(guò)程

1） 在密度1．18 g／cm3鹽水內(nèi)將單流閥下入至井深2 800 m。

2）環(huán)空加壓試驗(yàn)初始密封性，逐步加壓至30 MPa，水眼無(wú)返液。

3）接方鉆桿，以720 L／min排量正循環(huán)洗井2周，泵壓5～10 MPa。

4）環(huán)空加壓驗(yàn)證單流閥密封效果，單次最高加壓至30 MPa后再穩(wěn)步泄壓，全程觀察水眼返出情況。

5）按步驟4）反復(fù)試驗(yàn)5次。

6）取出單流閥，檢查工具損耗情況，拍照記錄，編寫(xiě)試驗(yàn)報(bào)告。

2．2．2 試驗(yàn)結(jié)論

1）在1．18 g／cm3鹽水中以720 L／min排量循環(huán)超過(guò)5 h，密封面完好，閥體無(wú)明顯沖蝕痕跡。

2）油套壓差2～3 MPa時(shí)，閥片關(guān)閉，但還存在輕微滲漏現(xiàn)象，在油套壓差大于10 MPa后，滲漏現(xiàn)象消失。

3）閥體密封后泄壓水眼沒(méi)有返液，說(shuō)明閥片密封后不會(huì)因?yàn)橛吞讐翰罱档统霈F(xiàn)失封。

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

自衡式單流閥現(xiàn)主要應(yīng)用于塔中碳酸鹽巖水平井分段改造完井工藝中。該工藝的典型送入管柱配置為：鉆桿＋伸縮接頭＋套管懸掛封隔器＋油管＋（壓控式篩管＋油管＋裸眼封隔器）×n段＋油管＋投球式篩管＋單流閥＋浮閥＋油管篩管＋引鞋。

該完井工藝在下送入管柱過(guò)程中，管柱內(nèi)要墊輕質(zhì)泥漿（密度1．05 g／cm3），管柱到位后，正替輕質(zhì)泥漿至裸眼段，再坐封封隔器后丟手起送入管柱，因此要求管柱底部自帶內(nèi)防噴工具。前期曾采用兩個(gè)常規(guī)箭形浮閥作內(nèi)防噴工具，下管柱過(guò)程中浮閥保持常閉狀態(tài)，性能良好，但在替液過(guò)程中密封面容易受到?jīng)_蝕作用，同時(shí)彈簧在高溫高壓環(huán)境下受交變載荷作用會(huì)疲勞失效，兩個(gè)浮閥同時(shí)失效幾率依然很高，不僅增加了后期施工難度，也增加了作業(yè)成本。后期采用單流閥與浮閥配套使用，單流閥對(duì)井下環(huán)境適應(yīng)性較好（表3），解決管柱到位替液過(guò)程內(nèi)防噴工具失效的問(wèn)題。

表3　自衡式單流閥在塔中各典型井的應(yīng)用

全通徑自衡式單流閥在塔中已成功應(yīng)用29口井，僅1口井出現(xiàn)失效情況，成功率達(dá)96．55%，相比原有雙浮閥配置成功率大幅提高，成為全通徑分段改造完井工藝的典型配置工具。

4　結(jié)論

1） 自衡式單流閥突破了以前內(nèi)防噴工具的設(shè)計(jì)理念，采用滑套與凸輪驅(qū)動(dòng)連接，避免使用扭簧容易失效，同時(shí)降低了壓簧受交變載荷疲勞失效的幾率。其閥片與滑套內(nèi)壁向貼合，避免受流體角度沖刷，減少了密封面沖刷失效的幾率；氟膠和軟金屬組合密封的密封機(jī)構(gòu)解決了低、高壓狀態(tài)下密封的穩(wěn)定性與抗高溫性。

2）自衡式單流閥采用全通徑設(shè)計(jì)，適用井下各種傾角狀態(tài)，可以置于完井管柱的任何位置，在塔里木碳酸鹽巖高溫高壓環(huán)境下性能穩(wěn)定。

3）自衡式單流閥試驗(yàn)效果良好，實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中，開(kāi)關(guān)及時(shí)，密封良好，相比傳統(tǒng)浮閥性能更加穩(wěn)定，已成為塔里木碳酸鹽巖水平井分段改造完井工藝的典型配置工具。

4）現(xiàn)有自衡式單流閥還存在低壓滲漏的情況，為密封端面加工精度不夠?qū)е?，可通過(guò)提高密封面加工精度來(lái)解決。

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Development and Application of Self-equilibrating Check Valve

WANG Jiachang1，SHAN Feng1，ZHANG Rixing2，WEN Guohua1，XIAO Zhigao3

（1．Tazhong Exploration and Development Management Department，Korla 841000，China；2．Harold Vance Department of Petroleum Engineering，Texas A&M University 3116 TAMU College Station，TX 778433116，USA；3．Hunan Gangtuo Energy Technology Co．，Ltd，Korla 841000，China）

The existing floating valves used in wellcompletion operation have some drawbacks such as short lifetime，high failure rate and etc．Therefore，a kind of selfequilibrating check valve is developed．This kind of selfequilibrating check valve is mainly composed by switching valve，valve seat，flapper and sleeve．The unique design are featured by the connection of sliding sleeve and cam driving gear，flapper jointing towards inner wall of sleeve，and the combination of fluoro rubber seal and soft metal seal．The new design reduces the ratio of seal failure caused by washing，solved sealing stability in both low and high pressure and hightemperature resistance problems．The laboratory simulation test and field applications show that this new check valve can switch without delay，seal well，more stable than that of conventional check valve，work well in different angle in downhole condition and could be installed at any position on completion string．This new check valve satisfied the requirement for horizontal completion string design，fracturing，acidizing and other relevant stimulation operations in deep carbonate reservoir．

carbonate formation；floating valve；selfequilibrating check valve

TE921．5

B

10．3969／j．issn．10013842．2015．09．021

1001-3482（2015）09-0082-04