測壓式方鉆桿旋塞閥的設(shè)計(jì)

劉淑英

摘 要：方鉆桿旋塞閥作為一種重要的鉆具內(nèi)防噴工具、在鉆修井中已成為必備的井控工具。在鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)，旋塞閥處于開啟，一旦發(fā)生溢流或者井涌，為了阻止鉆井液沿鉆具水眼上竄，高壓危及水龍帶和立管管線安全，就必須立即關(guān)閉旋塞閥，以防止井噴。旋塞閥關(guān)閉，下側(cè)承壓，上側(cè)沒有平衡壓力要想打開旋塞閥很困難；同時(shí)由于立管通路被阻斷，不能進(jìn)行立管壓力的準(zhǔn)確測量，影響鉆井井控安全。研制新型測壓式方鉆桿旋塞閥精確測量鉆具內(nèi)壓力，實(shí)現(xiàn)壓力平衡。該測壓式旋塞閥既可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)旋塞閥功能，還可以進(jìn)行測壓，旋塞閥開啟難的問題也可以解決，更好的滿足鉆井井控要求。

關(guān)鍵詞：方鉆桿旋塞閥；井控；立管壓力；測壓。

1、設(shè)計(jì)背景

方鉆桿旋塞閥作為一種重要的鉆具內(nèi)防噴工具、在鉆修井中已成為必備的井控工具。方鉆桿旋塞閥分為上旋塞和下旋塞，方鉆桿上旋塞裝在水龍頭和方鉆桿之間，下旋塞裝在方鉆桿與鉆桿之間，是一種防止鉆井液噴濺、改善鉆工工作條件、阻止井噴事故發(fā)生的鉆柱內(nèi)防噴工具，在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。但是普通方鉆桿旋塞閥在有壓力條件下操作是非常困難和極易發(fā)生問題的。

旋塞閥關(guān)閉，下側(cè)承壓，上側(cè)沒有平衡壓力的情況下要想打開旋塞閥很困難。又由于旋塞閥關(guān)閉，立管通路已被阻斷，不能進(jìn)行立管壓力的準(zhǔn)確測量，勢必又會(huì)帶來如下技術(shù)難題：無法通過分析壓力變化規(guī)律，判斷溢流類型、確定壓井液密度、制定壓井方案；無法根據(jù)測量值，利用壓力平衡的方法在零壓差條件下快速打開旋塞閥。

本文分析了方鉆桿旋塞閥的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，提出了方鉆桿旋塞閥改進(jìn)方案。

2、常規(guī)方鉆桿旋塞閥的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)

目前常用的整體式浮動(dòng)旋塞閥的結(jié)構(gòu)基本相似，主要由閥本體、上下閥座、球體、旋鈕、擋圈、彈簧等組成，如圖1所示。閥的本體都采用整體式結(jié)構(gòu)，側(cè)面開有旋鈕孔。

2.2 特點(diǎn)

旋塞閥閥體通常為整體式結(jié)構(gòu)，與球閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相同：

（1）啟閉迅速方便，只要使用扳手轉(zhuǎn)動(dòng)球體90°就可快速完成啟閉。

（2）結(jié)構(gòu)簡單緊湊。

（3）體積小，質(zhì)量較輕，密封性能較好。

由于旋塞閥的工作環(huán)境特殊，除具有一般球閥的特點(diǎn)外，還要求具有如下特點(diǎn)：

（1）通常為整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，沒有中間接頭。

（2）球與閥座之間采用金屬對金屬的密封。從頂部來的壓力在下閥座與浮球之間形成密封；從井下來的壓力在上閥座與浮球之間以及下閥座與浮球之間形成密封，這種多重密封保證了密封的可靠性。

（3）可在閥上部增加壓力，自動(dòng)平衡較高的油氣井壓力，使閥能在額定工作壓力下順利打開。

（4）為防止轉(zhuǎn)動(dòng)手柄時(shí)使浮球旋轉(zhuǎn)越過90°，該閥設(shè)計(jì)了手柄正向旋轉(zhuǎn)停止點(diǎn)，這就保證了閥在關(guān)閉時(shí)能完全關(guān)閉，開啟時(shí)能完全打開，使閥有一個(gè)平滑暢通的流道。

（5）方鉆桿旋塞閥的通孔應(yīng)盡量和方鉆桿水眼相同，旋塞閥的工作壓力必須大于防噴器的工作壓力。

（6）方鉆桿旋塞閥需要用專用的扳手來操縱。

3、測壓式方鉆桿旋塞閥的結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢及工作原理

3.1 測壓旋塞閥的結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢

測壓式方鉆桿旋塞閥，由方鉆桿旋塞閥、小逆止閥、頂開裝置和壓力表或壓力傳感器構(gòu)成，小逆止閥安裝在方鉆桿旋塞閥下端管壁上。壓力表安裝在頂開裝置上。在正常狀態(tài)下，頂開裝置和壓力表與方鉆桿旋塞閥是分開的，不影響鉆井工況。在需要測量立管壓力時(shí)，將頂開裝置接在小逆止閥位置上，通過頂桿把小逆止閥頂開實(shí)現(xiàn)立管壓力的準(zhǔn)確測量。測量完成后，卸掉頂開裝置即可恢復(fù)到正常狀態(tài)。

測壓式方鉆桿旋塞閥設(shè)計(jì)簡單緊湊、不改變旋塞閥的外形、操作方便簡單。測壓式旋塞閥的優(yōu)勢體現(xiàn)在：

（1）在方鉆桿旋塞閥下端增加測壓孔，測壓孔不影響旋塞閥的正常開啟與關(guān)閉。

（2）在方鉆桿旋塞閥測壓孔內(nèi)裝小逆止閥，小逆止閥長度不超過旋塞閥管壁厚度，安裝后不改變方鉆桿旋塞閥的外徑和內(nèi)徑尺寸。小逆止閥可以保證旋塞閥正常使用不受到影響。

（3）在正常狀態(tài)下，頂開裝置和壓力表或壓力傳感器不在旋塞閥上，不影響旋塞閥正常使用。

（4）在需要測定立管壓力時(shí)，通過頂開裝置打開小逆止閥，然后壓力表或壓力傳感器連接到頂開裝置上，從而方便的讀出立管壓力數(shù)值，實(shí)現(xiàn)立管壓力的準(zhǔn)確測量。測壓完成后卸掉頂開裝置和壓力表或壓力傳感器。

3.2 工作原理

在進(jìn)行壓井作業(yè)時(shí)，這時(shí)旋塞閥關(guān)閉，通過準(zhǔn)確測量鉆柱內(nèi)壓力值，在旋塞閥上端施加等值壓力建立壓力平衡，在零壓差條件下，轉(zhuǎn)動(dòng)軸調(diào)節(jié)球形閥芯，快速打開旋塞。其工作步驟如下：

（1）旋塞閥關(guān)閉狀態(tài)下連接頂開裝置，頂開裝置打開小逆止閥，然后壓力表連接到頂開裝置上，待壓力穩(wěn)定后，準(zhǔn)確測量旋塞閥下端的壓力值。

（2）經(jīng)方鉆桿緩慢注入鉆井液，使旋塞閥上端壓力增加、壓差減少，直至達(dá)到壓差為零。

（3）在零壓差條件下，通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)球形閥芯，快

速打開旋塞閥。

（4）卸掉頂開裝置與壓力表，恢復(fù)到正常狀態(tài)。

4、結(jié)論與認(rèn)識(shí)

測壓式方鉆桿旋塞閥在壓力環(huán)境下通過準(zhǔn)確測量壓力值，配合有效的注平衡壓措施，能夠較好的實(shí)現(xiàn)快速開啟，同時(shí)能很好的滿足井控安全的需要，既省力又提高了工作效率，給壓井贏得更多的作業(yè)時(shí)間。

（1）分析了方鉆桿旋塞閥在高壓下打不開的原因，即球形閥芯下部的后閥腔內(nèi)的高壓與上部的前閥腔的低壓之間形成很大壓差，使球形閥芯與前閥座之間產(chǎn)生很大壓力，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸時(shí)，由于巨大的壓力產(chǎn)生的摩擦力很大，很難轉(zhuǎn)動(dòng)球形閥芯，致使方鉆桿旋塞閥無法打開。

（2）注平衡壓是快速開啟方鉆桿旋塞閥的有效措施，關(guān)鍵是盡可能保證兩端壓力平衡，消除壓差。通過小逆止閥裝上頂開裝置便能在方鉆桿旋塞閥關(guān)閉條件下準(zhǔn)確測量立管壓力值，從而保證兩端壓力平衡。

（3）測壓式方鉆桿旋塞閥具備常規(guī)方鉆桿下旋塞閥的內(nèi)防噴功能和外形尺寸，在鉆井作業(yè)過程中可作為常規(guī)方鉆桿下旋塞閥使用；頂開裝置和壓力表能隨時(shí)安裝或拆卸，不影響鉆井工況。

（4）測壓式方鉆桿旋塞閥還需要改進(jìn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)研究，如改用傳感器連接時(shí)的數(shù)據(jù)模塊優(yōu)化、密封承壓能力試驗(yàn)以及旋塞閥體強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)等。