膨脹管用井下增壓裝置換向閥改進

閆柏瑩

（大慶油田有限責任公司第五采油廠，黑龍江大慶163513）

膨脹管用井下增壓裝置換向閥改進

閆柏瑩

（大慶油田有限責任公司第五采油廠，黑龍江大慶163513）

在進行膨脹管加固作業時，因為井下增壓裝置的液壓換向閥失效，導致膨脹頭卡死，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。對閥桿進行陶瓷噴涂處理，提高其耐磨性能。將壓力換向改為增壓活塞運動位置控制換向。改進后的換向閥提高了使用壽命，為井下增壓膨脹管加固技術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［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。但是，普通的膨脹管加固技術存在地面施工壓力較高的問題，地面啟動壓力高達42 MPa，正常膨脹壓力也達到35 MPa以上。如果脹頭遇卡，壓力將更高，在實際施工中壓力最高達到50 MPa。因此，開展井下增壓膨脹管加固技術研究，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。在現場應用過程中，井下增壓裝置因液壓換向閥失效，不能持續增壓，導致脹頭卡死，膨脹管未完全膨脹而使套管加固失敗，且無法完成修井施工，只能被動報廢該井。本文分析了井下增壓裝置失效的原因，提出并實施了改進措施。

1　井下增壓裝置的工藝原理及問題

井下增壓裝置主要由上接頭、換向機構、增壓機構、下接頭等組成。換向機構由二位四通閥、復位彈簧和殼體等組成，為增壓機構提供往復換向功能；增壓機構由上下缸體、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，通過上下兩個活塞面積不同產生的壓差，為井下膨脹管脹頭提供高壓。根據帕斯卡定律：

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之間的關系為輸入活塞面積與輸出活塞面積比的反比，使得井內獲得較高壓力，為膨脹管脹頭上方液壓腔內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構設計，通過行程控制換向閥的換向動作，使膨脹頭上部膨脹腔內獲得連續高壓液體。換向閥結構如圖1所示。

圖1　換向閥原理

工作原理：由于彈簧力的作用，閥的初始狀態如圖1。當壓力水經過P口進入B口，同時經過K0→增壓腔→K3，有桿腔充滿液體后，活塞到達最高位置不能繼續移動時，控制口K0壓力升高，K3來的控制水推動閥芯向左移動，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，此時實現增壓動作，無桿腔A、B同時進水，（同時給高壓腔補水）活塞向右移動，有桿腔A的水經過B口管路、經過T口，排出缸體，當移動到一定位置的時候，K0口的控制水不進入到蓄能裝置內，靠蓄能裝置自身封閉的壓力繼續為換向閥提供控制壓力，增壓缸中的兩級活塞繼續向右移動。當活塞運動到擠壓腔和外部聯通時，沒有壓力水到控制口K3，此時彈簧復位，P口與B口相通，壓力水經過B口進入到有桿腔A，控制水進入無桿腔B與高壓腔，由于有桿腔與無桿腔作用面積相等，故受力抵消，進入高壓腔的水推動讓活塞向左運動。當運動到K0與K3相通時，又給閥芯提供一個壓力，將彈簧壓縮，實現再次換向。由此往復運動實現增壓裝置的增壓動作。

1.3存在問題

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，現場應用1口井后再次使用出現了換向閥在高壓含砂水流的沖刷下，閥芯中部軸肩在來回換向運動時存在砂卡現象，換向閥磨損嚴重而不密封，換向閥滲漏量增大，達不到換向作用，導致井下增壓裝置不能正常工作。

2　井下增壓裝置的改進

2.1結構改進

針對原液壓換向閥在使用中存在容易砂卡導致的不密封問題，進行了如下改進：由壓力換向改為通過增壓活塞運動位置控制換向［6］，即當增壓活塞上下行至端部時，產生壓力信號，為換向閥提供換向壓力，促使換向閥換向。

將閥體右側的彈簧處加一保壓腔，用來平衡閥體左側來水壓力，閥芯的尺寸也相應改動；將A口處來水泄壓位置更改，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；針對換向閥閥芯兩端處的O型橡膠圈和伺服擋圈易脫落問題，改用球形擋圈和碟形彈簧來密封，既解決了密封問題，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應的改進，設計一個類似手動閥的滑閥來分別為PA口和PB口供壓力液，幫助換向閥換向。同時將閥桿進行陶瓷噴涂處理，提高耐磨性。改進后的換向閥如圖2。

圖2　改進后的換向閥示意

2.2受力分析

2.2.1閥芯在初始位置

換向閥的初始狀態只受彈簧力的作用。因此，左側的球被閥芯支開，P口與B口導通，PB處的彈簧力必須大于閥芯左端碟形彈簧力。當增壓缸的滑閥向PB口供液時，閥芯受到4個力：PB口的壓力FPB，PB口的彈簧力FT，B口處的來水對閥芯的壓力FB，T口處的碟形彈簧力FDT。如圖3。

圖3　閥芯在初始位置時的受力分析

閥芯左側受力：

閥芯右側受力：

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

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

2.2.2閥芯在換向位置

當增壓缸活塞運動到一定位置時，PB口與T口相通，泄壓，K0為PA口供液，換向閥換向，此時閥芯依然受4個力：PA口的壓力FPA，PB口的彈簧力FT，A口處的來水對閥芯的壓力FA，閥芯右端的碟形彈簧力F′DT。如圖4。

圖4　閥芯在換向位置時的受力分析

閥芯左側受力：

閥芯右側受力：

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

3　現場試驗情況

將膨脹管、丟手裝置、增壓裝置、過濾裝置下至預定位置，經磁性定位確定深度無誤后向油管灌滿清水，加壓5 min后壓力表指針波動升壓，泵壓逐漸上升至11 MPa，并在9～11 MPa之間波動，膨脹過程開始，8 min后壓力逐漸下降至4 MPa，壓力表指針波動較小，分析增壓裝置上部管柱有漏失，繼續加壓觀察10 min，壓力無明顯變化，經討論分析后確定使用該井干線來水大排量繼續加壓，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繼續波動，持續65 min后7.5 m長膨脹管完成加固工藝。經過3口井試驗后，對井下增壓裝置進行檢查，閥體、閥芯有一定的磨損，但在地面試驗仍然正常工作。

4　結論

1） 通過將壓力換向改為增壓活塞運動位置控制換向，并對閥桿進行陶瓷噴涂處理，提高了換向閥的耐磨性，解決了因磨損換向閥失效的問題。

2） 改進換向閥后，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的可應用性、施工安全性。

3） 從現場應用情況看，換向閥依然有磨損，因此需要改進表面處理工藝，提高換向閥的耐磨性。

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

［2］閆柏瑩.高效低壓膨脹管加固技術的研制與應用［D］.大慶：東北石油大學，2012.

［3］張叢雷，李春福，張鳳春，等.大膨脹率膨脹管的工藝參數優選及試驗［J］.石油礦場機械，2014，43（8）：65-69.

［4］李濤，李富平，張立新，等.實體套管膨脹驅動力仿真研究［J］.石油礦場機械，2013，42（2）：39-42.

［5］齊國全，楊釗，上官豐收，等.可膨脹管技術研究進展與工程應用［J］.石油礦場機械，2012，41（12）：72-76.

［6］郭麗穎.液壓自動換向增壓回路及其應用［J］.煤礦機械，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年畢業于大慶石油學院，現從事油水井大修工程方案研究，Email：ybaiying＠petrochina.com.cn。