一种新型井下防漏失板阀研制

2020-05-29陈立伟尹永晶魏爱拴

石油矿场机械 2020年3期

闫伟，陈立伟，尹永晶，陈杰，魏爱拴

(1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452；2.浙江科技学院机械与能源工程学院，杭州 310000)

渤海某自营油田属于疏松砂岩油藏，随着开发时间的延长，地层压力呈现出不同程度的降低[1]。地层压力下降后，在进行洗井、修井等作业过程中，工作液会漏失[2-4]，造成油井返排时间长，并污染油层。新疆塔河油田因裂缝、溶洞等地质因素，完井期间出现工作液大量浪费，并污染储层，延长了投产时间。因此，在油田开发过程中，保护储层不被污染是非常重要的。

阀板式防漏失阀是利用机械方法进行储层保护，国内已做了相关研究，并取得了一定的应用[5-8]。随着油田开发及工况的需要，笔者发现以前的阀板式防漏失阀有诸多不足之处。例如，文章中提到的防漏失阀的开关对载荷的依赖性高，阀板的打开是依靠机构压阀板的2个阀耳，促使阀板打开，这对阀耳的强度设计要求较高，尤其是在固相含量较高的油田井中。针对以上问题，笔者研制了一种新型板阀式防漏失阀。

1 设计原则

1.1 开关机构

开关机构与专用工具配合，实现板阀的开关。在板阀打开或关闭后，专用工具要依靠结构实现脱手，便于后续作业。对于固相含量较高的油井，开关机构要具有抗碎屑干扰功能，便于开关顺利、可靠。阀板在关闭状态下，井筒内液体作用在阀板上，使阀板和阀座向下运动，阀板向上打开。为了避免此情况发生，开关机构必须具有关闭状态下的锁定功能。

1.2 阀板机构

传统阀板打开依靠力作用在阀耳上，使阀板绕轴旋转打开。这种方式对阀耳的强度要求较高，且当固相沉积于阀板上时不易打开。本文采取的阀板被作用力从阀板下端面向上顶开，增强了阀板打开能力和可靠性。

1.3 密封机构

本工具采用橡胶和金属两种形式密封。考虑到橡胶的密封组件容易被井下碎屑冲击而损坏[9]，阀板和阀座之间采用金属密封。

2 结构原理

新型防漏失板阀主要由开关机构和阀板机构组成，如图1所示。开关机构由打开套、关闭套、锁定爪、锁定套等组成。阀板机构由开关套、阀板、阀座、支撑套等组成。当专用开关工具与打开套啮合后，继续下行，活塞套压缩弹簧下移，锁定爪被解除约束而受压弯曲，进入到锁定筒内表面。与此同时，带动开关套下行，直至与限位爪接触，触发阀座沿支撑套向下运动，阀板被支撑套从下端面向上顶开，直到阀板完全打开。当专用开关工具与关闭套啮合后上行，活塞套压缩弹簧上移，锁定爪解除约束后弯曲，进入到锁定筒内，继续上行。相应地，开关套上行，其内部台阶与阀座的外台阶相配合，推动阀座和阀板沿支撑套上行。由于没有支撑套的约束，阀板绕轴向下翻转，最终与阀座贴合，阀板关闭。锁定爪进入到锁定筒的凹槽内，活塞套在弹簧力的作用下，其外台阶面与锁定爪的内台阶面配合，锁死开关机构，防止阀板误打开。

1—上接头；2—锁定筒；3—关闭套；4—锁定爪；5—活塞套；6—中间套；7—弹簧；8—打开套；9—连接筒；10—中间筒；11—延长筒；12—开关套；13—阀板；14—阀座；15—支撑套；16—限位爪；17—下接头。

3 技术参数

最大外径 165 mm

最小内径 65 mm

工具总长 3 268 mm

额定工作温度 204 ℃

工具本体额定工作压力 68.94 MPa(10 000 psi)

关闭状态下，阀板承压 35 MPa(5 075 psi)

4 阀板与阀座金属密封分析

防漏失板阀的关键之处在于阀板与阀座之间的密封。在板阀式防漏失阀中，阀板与阀座之间既有橡胶密封，又有金属密封。一般在简易板阀中采用橡胶密封，在多次开关板阀中采用金属密封。本文采取金属密封形式实现板阀的防漏失功能，如图2所示。为确保金属密封的可行性，本文利用ABAQUS软件分析阀板与阀座的锥面金属密封。

4.1 有限元模型

为了控制计算规模，建立有限元模型时对阀座的通径部分进行了简化，简化的几何模型如图3。为了达到准确的计算结果，有限元网格单元尺寸为0.5 mm，最大为5 mm，对所有重点区域进行了网格细化，以消除网格敏感性。有限元模型如图4。

图2 阀板与阀座结构

图3 简化几何模型

根据阀板的实际工作情形，LS-DYNA中分别在阀板与阀座之间、销轴与阀板之间、销轴与阀座之间建立非线性的面-面接触，如图5所示。设部件材料均为4145H，最大许用应力为847.98 MPa。阀座固定，分别在阀板上端面加载5.0、17.5、35.0 MPa，提取接触面上的CPRESS(Contact Pressure)接触压力，可以根据接触压力的大小判断接触面是否被压溃。