简易式地层隔离板阀设计与试验研究*

赵金成，陈 杰，陈立伟，柴龙顺，左 凯，叶芳平

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452)

0 引言

在油气勘探开发过程中，逐渐暴露出地层疏松或胶结较弱的特点，且随着储层开发的不断提升，地层出现亏空、压力降低的现象[1]，如果进行完、修井作业，工作液极易进入地层，造成储层污染，对提高采收率和控制作业成本造成不良影响[2]。

在完井或修井过程中，为防止地层污染，一般采用地层隔离技术，该技术能够有效隔绝井筒上部储层，对作业段进行单独隔离，可有效防止井筒内液体对储层的伤害[3]。该项技术的应用，可在不影响油气采收率的基础上保证完、修井作业质量。国内外科研院所及油服企业都已研制出相关地层隔离工具，从地层隔离工具结构来看，有板阀、球阀和滑套式；从开关方式来看，有机械式开关、液控管线式开关、氮气弹簧式开关以及电控开关[4]。

本文针对海上油井简单地层隔离技术需求，研制了一种阀板材质可选的简易式地层隔离板阀。通过对玻璃、陶瓷、铜合金材质阀板隔离压力、破碎压力、破碎颗粒度测试，给出了三种阀板适用范围，可为相似产品研发提供技术参考。

1 简易式地层隔离板阀结构及原理

简易式地层隔离板阀主要包括上接头1、阀板2、阀箍3、扭簧4、端面密封5、阀座6、轴孔密封圈7、安全销8及下接头9等零部件，其结构如图1所示。阀板固定在阀箍上，在扭簧作用力下紧贴合在阀座上端面压缩密封圈，实现端面密封。阀座及下接头设有密封槽，通过安装密封圈实现轴孔密封。下接头与上接头采用螺纹连接，设置有安全销钉，可防止螺纹在井下脱开。

简易式地层隔离板阀上、下接头采用偏心孔设计，合理布局阀耳位置，优化阀座结构，阀板在垂直打开时可完全隐藏在本体内部，实现全通径要求。简易式地层隔离板阀下入井中时，采用油管插入阀板撑开，后续起出油管过程中，因阀板可完全隐藏进本体内部，可减少油管对阀板底部密封面磨损，提高密封可靠性。简易式地层隔离板阀关闭状态如图2所示，开启状态如图3所示，技术参数见表1。

表1 简易式地层隔离板阀技术参数

1-上接头；2-阀板；3-阀箍；4-扭簧；5-端面密封；6-阀座；7-轴孔密封圈；8-安全销；9-下接头

图2 简易式地层隔离板阀关闭状态

图3 简易式地层隔离板阀开启状态

2 阀板压力测试

根据现场需求的阀板破碎压力，结合阀板厚度限制，同时考虑到阀板破碎后的粒度大小，优选玻璃、陶瓷及铜合金三种材质。三种材质的阀板结构形式及特点见表2，阀板结构见图4。

图4 三种材质阀板结构

表2 三种材质阀板结构形式及技术特点

针对三种不同材质，FLSJ95型简易式地层隔离板阀选用厚度为15 mm、外径为130 mm的阀板，FLSJ70型板阀选用厚度为11 mm、外径为90 mm的阀板。对三种不同材质的阀板进行最大破碎压力测试，破碎形式见图5，得到的破碎压力数据见图6，碎片粒度见图7。

图5 三种材质阀板的破碎形式

图6 两种规格三种材质阀板破碎压力数据

图7 两种规格三种材质阀板最大碎片粒度

玻璃阀板由均质石英砂、石灰石和长石等材料熔制而成，破碎瞬间，在外部压缩应力及中心层张引应力作用下破碎成细小颗粒，形状较为统一。陶瓷阀板通过无损探伤，保证表面无裂纹后，利用厚度差结构与承压表面梯度压力配合，可有效限制碎片尺寸。铜合金阀板正反面采用预制裂纹结构，碎片形式具有均匀化、规则化特点。

阀板平均破碎压力及破碎粒度见表3。选择合适材质阀板后，通过减薄阀板厚度，可调整阀板破碎压力，满足现场对于不同压力破碎阀板的需求。

表3 阀板平均破碎压力及粒度

3 结语

简易式地层隔离板阀的成功研制，满足了海上油井简单地层隔离需求，同时为传统地层隔离阀板在阀板材质选择、内部结构设计等方面提供了技术参考。