齊海濤，李寶龍，嚴(yán)孟凱，柴龍順，陳立偉，李躍謙

(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)

修井作業(yè)是排除油氣井井下事故，恢復(fù)油氣井生產(chǎn)能力的重要環(huán)節(jié)[1-3]。由于長期開采，井底壓力持續(xù)降低，以至于小于洗井液壓力，造成洗井液漏失及引起油層污染。這不僅浪費(fèi)大量資源，而且嚴(yán)重影響油氣井生產(chǎn)能力。此外，修井過程中可能發(fā)生井噴事故，對(duì)財(cái)產(chǎn)造成極大損失，甚至危及人員生命安全，例如勝利油田發(fā)生的井噴事故[4-5]。因此，亟需研發(fā)一種井下封堵閥，達(dá)到防治洗井液漏失和井噴事故目的。

廖前華等研制了一種機(jī)械式防漏失閥，該閥在渤中34-1 油田成功應(yīng)用[6]。鄂加強(qiáng)、雷吉平和陳升山等均對(duì)球閥密封性進(jìn)行了研究[7-9]。王利軍等設(shè)計(jì)了一種新型油層保護(hù)閥和一種重入式防漏失閥結(jié)構(gòu)，其中重入式防漏失閥成功應(yīng)用于WZ6-12-A5H和WZ11-1N-A8H1井[10-11]。王吉慧對(duì)金屬密封球閥加工工藝進(jìn)行了研究[12]。

國外對(duì)地層保護(hù)閥研究較多，例如斯倫貝謝、哈里伯頓均研制了不同功能的球閥，對(duì)球閥的硬密封性能研究較早。Greenwood概括了首個(gè)具有粗糙表面的彈性接觸模型[13]。Hirata O等研究了錐形閥座表面粗糙度及閥座環(huán)間的夾角變化對(duì)密封性能的影響，認(rèn)為粗糙度也不是越小越好[14]。Laberge M研究發(fā)現(xiàn)低合金鋼更適合用于要求較高的閥門[15]。

本文研究了一種可多次回插球密封儲(chǔ)層保護(hù)工具，并利用有限元方法對(duì)球閥開啟、關(guān)閉過程進(jìn)行分析，研究球閥摩擦因數(shù)及彈簧預(yù)緊力對(duì)球閥開關(guān)過程的影響。通過室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)工具的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 密封結(jié)構(gòu)選擇

儲(chǔ)層保護(hù)工具密封結(jié)構(gòu)可分為板式閥板密封和球閥密封。板式閥板易加工，成本低，但在開啟或關(guān)閉時(shí)出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。球閥加工復(fù)雜，精度要求高，但球閥密封性能高，且承壓能力強(qiáng)。因此，選用球密封結(jié)構(gòu)。

1.2 密封閥控制方式選擇

儲(chǔ)層保護(hù)工具的打開方式可分為機(jī)械控制方式、液壓控制方式、機(jī)械和液壓混合控制方式。液壓控制方式的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在控制管線泄漏而造成球閥無法開啟或關(guān)閉的風(fēng)險(xiǎn)，壽命較短，無法滿足長期、反復(fù)開關(guān)要求。機(jī)械控制方式的整體結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，且可滿足重復(fù)開關(guān)要求。因此，選用機(jī)械控制方式。

1.3 儲(chǔ)層保護(hù)工具總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的儲(chǔ)層保護(hù)工具結(jié)構(gòu)如圖1所示。該工具采用全開啟機(jī)械操作式金屬密封球閥，通過專用開關(guān)工具上提或下放操作，將豎直運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為球閥的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使球閥關(guān)閉或開啟，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層與油管的隔離與聯(lián)通。

1—回接總成；2—密封總成；3—開關(guān)總成；4—球閥總成。

在正常生產(chǎn)過程中，流體會(huì)對(duì)油管造成局部沖蝕，尤其是截面面積突變位置。因此，要求球閥完全打開后，中心管必須完全覆蓋球閥流道，保證球閥不受流體沖蝕，提高球閥壽命。球閥總成結(jié)構(gòu)如圖2所示。為保證球閥密封可靠性，球閥密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用全金屬密封，以同時(shí)滿足球閥在低壓和高壓時(shí)的密封性能。

圖2 球閥總成

開關(guān)工具彈性爪結(jié)構(gòu)如圖3所示。彈性爪凸起部分與儲(chǔ)層保護(hù)工具的開關(guān)總成機(jī)構(gòu)的凹陷部分配合，通過開關(guān)工具的上下移動(dòng)來帶動(dòng)球閥操作桿向下或向上運(yùn)動(dòng)，打開或關(guān)閉閥板密封機(jī)構(gòu)。

圖3 開關(guān)工具彈性爪

2 有限元分析

2.1 球閥有限元模型

為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，球閥模型僅保留了閥體、下閥座、上閥座及操作桿，并對(duì)各部件進(jìn)行簡化，以減少網(wǎng)格數(shù)量。由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，因此僅需建立1/2模型，球閥模型如圖4所示。閥體采用四面體單元，其余部件均采用六面體單元。在接觸區(qū)域均進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，并采用面-面接觸方式，以保證計(jì)算收斂。

1) 邊界條件。

上閥座施加固定約束；操作桿僅保留x向自由度，并施加沿x向位移載荷；閥體僅保留z向旋轉(zhuǎn)自由度；下閥座僅保留x向自由度，并施加x向預(yù)緊力。向xy面所有節(jié)點(diǎn)施加對(duì)稱約束，模擬球閥的對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

2) 載荷施加。

分為2個(gè)分析步，第1步施加軸向預(yù)緊力；第2步施加操作桿軸向位移載荷。

圖4 球閥有限元模型

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 球閥開啟和關(guān)閉過程分析

圖5顯示了球閥的開啟和關(guān)閉過程。在操作桿沿x軸向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，閥體逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在閥體旋轉(zhuǎn)角為90°時(shí)，閥門完全開啟，此時(shí)操作桿軸向位移約為56 mm。當(dāng)操作桿從最低位置向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，閥體順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，直至閥門完全關(guān)閉。通過分析證明，球閥的操作桿導(dǎo)向槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足球閥開啟和關(guān)閉要求。

圖5 球閥開啟、關(guān)閉過程

圖6為球閥下閥座在4.5 kN的彈簧預(yù)緊力下，閥體旋轉(zhuǎn)時(shí)操作桿所需軸向力曲線。在球閥開啟過程中，旋轉(zhuǎn)角在-56.7°時(shí)所需軸向力最大，為9.9 kN；球閥關(guān)閉過程中，扭轉(zhuǎn)為51.1°時(shí)所需軸向力最大, 為-12.7 kN。軸向力的正負(fù)號(hào)分別表示操作桿下壓和上提。

圖6 操作桿受力過程

2.2.2 摩擦因數(shù)及預(yù)緊力的影響

球閥摩擦因數(shù)及閥座預(yù)緊力是影響球閥開啟或關(guān)閉的2個(gè)重要因素。球閥摩擦因數(shù)和預(yù)緊力過大，可能造成閥門無法開啟。摩擦因數(shù)過小，可能造成閥門誤開。預(yù)緊力過小，閥門無法密封。因此，需對(duì)這2個(gè)重要因素進(jìn)行分析，得出球閥摩擦因數(shù)及預(yù)緊力對(duì)操作桿載荷的影響規(guī)律。

圖7為在不同預(yù)緊力作用下，操作桿載荷隨球閥摩擦因數(shù)變化曲線。在球閥開啟過程中,如圖7a所示，操作桿載荷隨摩擦因數(shù)呈明顯的非線性變化，且變化量逐漸遞增。尤其是摩擦因數(shù)超過0.3時(shí)，操作桿所需載荷急劇增加。在球閥關(guān)閉過程中，如圖7b所示，操作桿載荷隨摩擦因數(shù)基本呈線性增長趨勢，這與球閥的關(guān)閉過程不同，且球閥關(guān)閉時(shí)所需載荷明顯低于球閥開啟所需載荷。此外，閥座預(yù)緊力與操作桿載荷也呈正比關(guān)系。因此，球閥摩擦因數(shù)不宜過大，以免球閥無法開啟。

a 球閥開啟

b 球閥關(guān)閉

3 室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 球閥打開和關(guān)閉試驗(yàn)

為確保該儲(chǔ)層保護(hù)工具的可靠性，對(duì)球閥的開啟、關(guān)閉進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，并測試球閥開關(guān)所需力。

如圖8所示，將該工具水平放置在小型拉伸機(jī)滑道上并下端固定，然后插入開關(guān)工具進(jìn)行10組往復(fù)運(yùn)動(dòng)，記錄回插力及球閥打開關(guān)閉狀況。本次試驗(yàn)球閥的摩擦因數(shù)大約為0.1，預(yù)緊力為4.5 kN。

圖8 球閥開關(guān)載荷測試

表1為試驗(yàn)球閥打開、關(guān)閉所需力，球閥打開平均力為25.4 kN，球閥關(guān)閉平均力為28.1 kN。球閥打開力小于關(guān)閉力，這與有限元計(jì)算結(jié)果相同。但是，有限元計(jì)算結(jié)果明顯小于試驗(yàn)結(jié)果，這是因?yàn)橛邢拊Ｐ秃雎粤嗽摴ぞ咂渌考淼母郊幽Σ凛d荷，例如密封圈、開關(guān)工具等。

3.2 球閥密封試驗(yàn)

為了測試球閥的密封性能，將上腔連接盲堵，下腔連接增壓泵，加液壓力，觀察壓力變化情況。測試結(jié)果如表2所示，3組密封測試數(shù)據(jù)中，最大壓降為2.5%，滿足設(shè)計(jì)要求(小于5%)。因此，該工具能滿足70 MPa 的密封要求。

表1 球閥打開和關(guān)閉力測試數(shù)據(jù)

表2 球閥下腔密封測試數(shù)據(jù)

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

2018-09，在新疆托塔里木盆地某區(qū)塊進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。根據(jù)油藏概況推測該井為漏失井，地層壓力系數(shù)為 1.1，地層壓力為 75.48 MPa/7 001.40 m，溫度梯度為 2.26 ℃/100 m，地層溫度為 158.23 ℃/7 001.40 m。

重點(diǎn)測試防漏失閥在高溫高壓井中的可靠性及安全性，及防漏失效果是否滿足現(xiàn)場需要。現(xiàn)場利用鉆臺(tái)現(xiàn)有鉆桿實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層保護(hù)工具快速下入到井深5 100 m處，共用時(shí)17 h。

1) 坐封封隔器。封隔器下入到位置后，管柱內(nèi)投入25 mm坐封球，加壓25 MPa，使封隔器坐封。環(huán)空驗(yàn)封15 MPa。加壓28 MPa擊落球座。

2) 送入工具丟手。封隔器驗(yàn)封后，管柱過提力20 kN，管柱正轉(zhuǎn)21圈后(此刻轉(zhuǎn)矩9～10 kN·m)通過上提管柱方式驗(yàn)證送入工具是否丟手成功，管柱過提100 kN后繼續(xù)上提管柱，懸重繼續(xù)增加，證明送入工具未脫手?？紤]到入井深度及井底復(fù)雜情況,分析后繼續(xù)正轉(zhuǎn)12圈后轉(zhuǎn)矩下降至8 kN·m，后上提管柱2.4 m，懸重正常，送入工具丟手成功。丟手后，泵入密度為1.21 g/cm3的泥漿，全井筒加壓15 MPa，穩(wěn)壓30 min，封堵閥密封性能驗(yàn)證合格。

3) 循環(huán)洗井。小排量開泵(1 m3/min)，邊沖洗邊下放洗井工具。注意泵壓和懸重變化。洗井工具定位后，上提管柱0.5 m，正循環(huán)沖洗井下工具，液量為1.5倍井筒容積。

4) 回接管柱。將重新連接好的生產(chǎn)管柱下入到封隔器頂部，管柱下壓力到70 kN后，關(guān)閉防噴器，管柱內(nèi)正向加壓15 MPa，全井筒加壓不下降。泄壓后打開防噴器，管柱過提力至100 kN，生產(chǎn)管柱不動(dòng)，說明生產(chǎn)管柱回接成功。

5) 解封封隔器。管柱過提力160 kN，封隔器解封成功，懸重恢復(fù)至1 340 kN。

將儲(chǔ)層保護(hù)工具和送入工具從井中取出，清洗后檢查外觀，如圖9～10所示。

圖9 出井后的儲(chǔ)層保護(hù)工具

圖10 出井后的送入工具

儲(chǔ)層保護(hù)工具的表面有細(xì)微劃痕，無明顯損傷。對(duì)起出后的儲(chǔ)層保護(hù)工具再次試壓70 MPa，保壓5 min，壓力下降0.1 MPa,試壓合格。證明該工具可重復(fù)使用。

5 結(jié)論

1) 通過對(duì)密封機(jī)構(gòu)及打開方式的篩選，研制了一種可多次回插球密封儲(chǔ)層保護(hù)工具。該工具能有效阻止完井液漏入地層，降低鉆、完井成本。

2) 建立了球閥有限元模型，分析球閥摩擦因數(shù)、球座預(yù)緊力對(duì)球閥開啟和關(guān)閉過程的影響。

3) 對(duì)儲(chǔ)層保護(hù)工具進(jìn)行球閥打開和密封試驗(yàn)，得到了球閥開啟和關(guān)閉的載荷為20～30 kN，且球閥能滿足70 MPa的密封要求。

4) 對(duì)儲(chǔ)層保護(hù)工具進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。該工具在垂直井深5 100 m處具有極高的可靠性，滿足現(xiàn)場儲(chǔ)層保護(hù)工具送入、脫手、管柱回接、回收等性能要求，且滿足壓力70 MPa、溫度180 ℃的密封要求。