簡易式地層隔離板閥設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究*

趙金成，陳 杰，陳立偉，柴龍順，左 凱，葉芳平

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452)

0 引言

在油氣勘探開發(fā)過程中，逐漸暴露出地層疏松或膠結(jié)較弱的特點(diǎn)，且隨著儲(chǔ)層開發(fā)的不斷提升，地層出現(xiàn)虧空、壓力降低的現(xiàn)象[1]，如果進(jìn)行完、修井作業(yè)，工作液極易進(jìn)入地層，造成儲(chǔ)層污染，對(duì)提高采收率和控制作業(yè)成本造成不良影響[2]。

在完井或修井過程中，為防止地層污染，一般采用地層隔離技術(shù)，該技術(shù)能夠有效隔絕井筒上部儲(chǔ)層，對(duì)作業(yè)段進(jìn)行單獨(dú)隔離，可有效防止井筒內(nèi)液體對(duì)儲(chǔ)層的傷害[3]。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，可在不影響油氣采收率的基礎(chǔ)上保證完、修井作業(yè)質(zhì)量。國內(nèi)外科研院所及油服企業(yè)都已研制出相關(guān)地層隔離工具，從地層隔離工具結(jié)構(gòu)來看，有板閥、球閥和滑套式；從開關(guān)方式來看，有機(jī)械式開關(guān)、液控管線式開關(guān)、氮?dú)鈴椈墒介_關(guān)以及電控開關(guān)[4]。

本文針對(duì)海上油井簡單地層隔離技術(shù)需求，研制了一種閥板材質(zhì)可選的簡易式地層隔離板閥。通過對(duì)玻璃、陶瓷、銅合金材質(zhì)閥板隔離壓力、破碎壓力、破碎顆粒度測(cè)試，給出了三種閥板適用范圍，可為相似產(chǎn)品研發(fā)提供技術(shù)參考。

1 簡易式地層隔離板閥結(jié)構(gòu)及原理

簡易式地層隔離板閥主要包括上接頭1、閥板2、閥箍3、扭簧4、端面密封5、閥座6、軸孔密封圈7、安全銷8及下接頭9等零部件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。閥板固定在閥箍上，在扭簧作用力下緊貼合在閥座上端面壓縮密封圈，實(shí)現(xiàn)端面密封。閥座及下接頭設(shè)有密封槽，通過安裝密封圈實(shí)現(xiàn)軸孔密封。下接頭與上接頭采用螺紋連接，設(shè)置有安全銷釘，可防止螺紋在井下脫開。

簡易式地層隔離板閥上、下接頭采用偏心孔設(shè)計(jì)，合理布局閥耳位置，優(yōu)化閥座結(jié)構(gòu)，閥板在垂直打開時(shí)可完全隱藏在本體內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)全通徑要求。簡易式地層隔離板閥下入井中時(shí)，采用油管插入閥板撐開，后續(xù)起出油管過程中，因閥板可完全隱藏進(jìn)本體內(nèi)部，可減少油管對(duì)閥板底部密封面磨損，提高密封可靠性。簡易式地層隔離板閥關(guān)閉狀態(tài)如圖2所示，開啟狀態(tài)如圖3所示，技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 簡易式地層隔離板閥技術(shù)參數(shù)

1-上接頭；2-閥板；3-閥箍；4-扭簧；5-端面密封；6-閥座；7-軸孔密封圈；8-安全銷；9-下接頭

圖2 簡易式地層隔離板閥關(guān)閉狀態(tài)

圖3 簡易式地層隔離板閥開啟狀態(tài)

2 閥板壓力測(cè)試

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求的閥板破碎壓力，結(jié)合閥板厚度限制，同時(shí)考慮到閥板破碎后的粒度大小，優(yōu)選玻璃、陶瓷及銅合金三種材質(zhì)。三種材質(zhì)的閥板結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)見表2，閥板結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 三種材質(zhì)閥板結(jié)構(gòu)

表2 三種材質(zhì)閥板結(jié)構(gòu)形式及技術(shù)特點(diǎn)

針對(duì)三種不同材質(zhì)，F(xiàn)LSJ95型簡易式地層隔離板閥選用厚度為15 mm、外徑為130 mm的閥板，F(xiàn)LSJ70型板閥選用厚度為11 mm、外徑為90 mm的閥板。對(duì)三種不同材質(zhì)的閥板進(jìn)行最大破碎壓力測(cè)試，破碎形式見圖5，得到的破碎壓力數(shù)據(jù)見圖6，碎片粒度見圖7。

圖5 三種材質(zhì)閥板的破碎形式

圖6 兩種規(guī)格三種材質(zhì)閥板破碎壓力數(shù)據(jù)

圖7 兩種規(guī)格三種材質(zhì)閥板最大碎片粒度

玻璃閥板由均質(zhì)石英砂、石灰石和長石等材料熔制而成，破碎瞬間，在外部壓縮應(yīng)力及中心層張引應(yīng)力作用下破碎成細(xì)小顆粒，形狀較為統(tǒng)一。陶瓷閥板通過無損探傷，保證表面無裂紋后，利用厚度差結(jié)構(gòu)與承壓表面梯度壓力配合，可有效限制碎片尺寸。銅合金閥板正反面采用預(yù)制裂紋結(jié)構(gòu)，碎片形式具有均勻化、規(guī)則化特點(diǎn)。

閥板平均破碎壓力及破碎粒度見表3。選擇合適材質(zhì)閥板后，通過減薄閥板厚度，可調(diào)整閥板破碎壓力，滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于不同壓力破碎閥板的需求。

表3 閥板平均破碎壓力及粒度

3 結(jié)語

簡易式地層隔離板閥的成功研制，滿足了海上油井簡單地層隔離需求，同時(shí)為傳統(tǒng)地層隔離閥板在閥板材質(zhì)選擇、內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面提供了技術(shù)參考。