王佳中

(中海油天津分公司渤中作業(yè)公司 天津300451)

0 引 言

循環(huán)洗井是油氣田勘探開發(fā)生產(chǎn)過程中井下測(cè)試、故障處理、增產(chǎn)措施作業(yè)的常規(guī)工藝步驟之一，有正、反循環(huán)洗井之分，反循環(huán)洗井時(shí)洗井液從油套環(huán)空流向油管并排到地面，簡稱反洗。近年來，發(fā)展?jié)u趨成熟的地層壓裂技術(shù)是針對(duì)低滲透油藏開發(fā)的一種效益顯著的油氣田增產(chǎn)、增注措施，反洗井處理地層砂或支撐劑在油管聚積造成的堵、卡問題是壓裂作業(yè)中應(yīng)急措施之一。反洗閥對(duì)壓裂/沖砂作業(yè)至關(guān)重要。

在目前公開、可查的資料中有兩種壓裂專用反洗閥，一種為本文所討論的FXJF-146型反洗閥[1]，另一種為徐新華等[2]研制的自鎖式壓裂循環(huán)閥，兩者都是滑套型、壓差式，僅適于反洗井的可多次開關(guān)的通徑反洗閥，工作原理相同，結(jié)構(gòu)和性能有所差異。

1 反洗閥結(jié)構(gòu)及其技術(shù)特點(diǎn)

1.1 反洗閥結(jié)構(gòu)

圖1 反洗閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of the reverse circulating valve

如圖 1所示 FXJF-146型反洗閥由 1上接頭，2套筒，3、7、9密封圈，4閥芯，5,T 型密封，6彈簧，8中心管，10下接頭，11剪斷銷釘和 12防轉(zhuǎn)銷釘?shù)冉M成。

1.2 技術(shù)參數(shù)(見表1)

表1 反洗閥技術(shù)參數(shù)表Tab.1 Technical parameters of the reverse circulating valve

1.3 反洗閥工作原理

首次反洗井作業(yè)，該閥外部和內(nèi)部之間壓差達(dá)到23,MPa時(shí)剪斷銷釘斷裂，油套環(huán)空內(nèi)洗井液克服彈簧壓力、推動(dòng)閥芯上行。打開套筒和中心管兩處進(jìn)液孔之間的通道，反洗期間閥外、閥內(nèi)至少需要2,MPa，反洗結(jié)束泄壓后壓差消失，彈簧力推動(dòng)閥芯下行到關(guān)閉位置。再次反循環(huán)時(shí)，只需2,MPa閥外閥內(nèi)壓差即可打開該閥，壓差消失后自行關(guān)閉。

1.4 反洗閥性能特點(diǎn)

①可通過各種井下作業(yè)工具。

②開關(guān)簡便，可進(jìn)行大排量反循環(huán)壓井、洗井、沖砂、油井化學(xué)防蠟、清蠟等作業(yè)；閥內(nèi)壓大于外壓時(shí)，除彈簧壓力外，閥門內(nèi)外壓差也產(chǎn)生向下的作用力，可鎖定其關(guān)閉狀態(tài)。

③可不起鉆進(jìn)行多次井下開關(guān)作業(yè)。

1.5 反洗閥應(yīng)用

在海上 2口油井壓裂作業(yè)過程中，該閥工作正常，未遇砂卡工況，其中一口井進(jìn)入油井自噴返排、生產(chǎn)階段后約一個(gè)月發(fā)現(xiàn)在套壓偶爾從 0上升到2,MPa，泄壓后仍緩慢上升，關(guān)井壓力恢復(fù)測(cè)試期間油井油壓和套壓幾乎同步增長(見圖 2)，推測(cè)該閥關(guān)閉不嚴(yán)。

圖2 油井井口壓力套壓變化曲線Fig.2 Curve of the wellhead and casing pressure

徐新華等[2]研制的自鎖式壓裂循環(huán)閥，應(yīng)用在河南油田 35口井的壓裂施工中，2口井出現(xiàn)砂堵反洗工況，其中一口井反洗時(shí)由于壓裂砂進(jìn)入閥體造成彈簧未能完全壓縮，閥芯進(jìn)液孔未完全打開，導(dǎo)致洗井壓力和排量未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

綜合以上信息判斷，該類型閥門能夠適應(yīng)壓裂作業(yè)井下環(huán)境，其重復(fù)開關(guān)可靠性尚有改進(jìn)空間。

2 反洗閥失效原因分析及解決建議

導(dǎo)致閥門失效的原因可歸結(jié)為以下4個(gè)方面，其中閥內(nèi)流體的壓裂砂和固體雜質(zhì)是影響其密封性能及開關(guān)可靠性的關(guān)鍵因素。

2.1 密封失效

莫麗等[3]通過建立O型圈的有限元模型，分析了O型圈在往復(fù)動(dòng)密封中的密封性能，及影響其動(dòng)密封特性的運(yùn)動(dòng)速度、介質(zhì)壓力、預(yù)壓縮率和摩擦因數(shù)等因素，結(jié)果表明在往復(fù)動(dòng)密封中，O型圈內(nèi)部應(yīng)力隨時(shí)間變化而產(chǎn)生波動(dòng)，在交變應(yīng)力作用下比在靜密封中更易失效。該閥初始狀態(tài)共有 5處靜密封，銷釘剪斷后、開關(guān)過程中閥芯上的 3處轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)密封，狀態(tài)穩(wěn)定后恢復(fù)為靜密封。分析原因如下：

①長期的壓裂液、地層流體腐蝕和井下高溫環(huán)境導(dǎo)致密封圈老化、碳化，但可能性較小。

②套筒和閥芯之間的兩處動(dòng)密封磨損或由于快速開關(guān)擦傷，其中閥芯下端 T型密封還受到液體、固體雜質(zhì)的沖蝕，其失效概率較大。

2.2 機(jī)械故障

2.2.1 銷釘、彈簧故障

井下流體腐蝕、高溫環(huán)境下，剪斷銷釘?shù)膹?qiáng)度減弱[4]，及復(fù)雜井況下套管、油管內(nèi)流體密度及泵壓瞬態(tài)異常變化，可導(dǎo)致銷釘過早剪斷；受環(huán)境影響彈簧彈力減弱導(dǎo)致閥門關(guān)閉不嚴(yán)的可能性相對(duì)較低。

2.2.2 中心管、套筒和閥芯故障

中心管、套筒和閥芯之間動(dòng)配合精度很高，設(shè)計(jì)、材質(zhì)、加工和安裝質(zhì)量等問題都可能造成卡阻。

井下機(jī)械雜質(zhì)主要包括地層砂、支撐劑、管柱腐蝕碎片、剪斷銷釘斷裂碎屑及流體中固相物碰撞產(chǎn)生的碎屑，若雜質(zhì)侵入動(dòng)配合間隙則引起磨損和卡阻的可能性較大，0.18,mm 割縫大體相當(dāng)于 60～80目的濾網(wǎng)，其長度較長，對(duì)于壓裂作業(yè)防止固體雜質(zhì)的效果有待驗(yàn)證。

該閥安裝位置工作環(huán)境溫度高，作業(yè)時(shí)間較短，壓井液、壓裂液、井下原油的配伍性能試驗(yàn)合格，因此井下流體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、結(jié)垢、結(jié)蠟堵塞導(dǎo)致卡阻的概率很低。

2.2.3 流道故障

閥芯和套筒、中心管之間的過流面不易使閥外、閥內(nèi)壓差穩(wěn)定，降低趨勢(shì)的油壓波動(dòng)可能導(dǎo)致閥芯連續(xù)多次開關(guān)，加速磨損閥芯的2處密封。

2.3 改進(jìn)建議

從應(yīng)用情況來看，閥門各部件及密封件材質(zhì)滿足高溫、高壓的地層流體環(huán)境下靜密封要求，閥芯處滑動(dòng)密封是需要攻堅(jiān)的核心技術(shù)，同時(shí)過流通道、防砂的設(shè)計(jì)和惡劣工況下開關(guān)功能試驗(yàn)也十分關(guān)鍵，下面分別就密封、流道、防砂、試驗(yàn)提出設(shè)計(jì)改進(jìn)建議，如圖3所示。

圖3 反洗閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)示意圖Fig.3 Modified design for the reverse circulating valve

2.3.1 滑動(dòng)密封

閥芯在中心管、套管之間的運(yùn)動(dòng)過程實(shí)質(zhì)上類似惡劣工況下的空心桿液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)，建議參照往復(fù)運(yùn)動(dòng)液壓缸的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括O型圈安裝拉伸率、壓縮率、溝槽尺寸精度、倒角處理、粗糙度及滑動(dòng)工作面徑向尺寸公差、粗糙度等細(xì)節(jié)要求，在設(shè)計(jì)過程中需注意各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求的關(guān)聯(lián)性[5]。

在閥芯和套筒之間3個(gè)主密封處設(shè)置擋圈、防塵圈，防止O型圈運(yùn)動(dòng)過程中擠出破壞，減少外部固體雜質(zhì)侵入運(yùn)動(dòng)間隙。

2.3.2 流道

套筒、閥芯和中心管新加過流孔，閥芯增加一道密封，閥芯流道開口尺寸依據(jù)計(jì)算結(jié)果確定[6]，最小流量下壓差產(chǎn)生的作用力需克服彈簧力和密封的摩擦力。

2.3.3 防砂

在中心管圓周上下各6處新增傳壓孔，設(shè)置有效直徑 10,mm濾網(wǎng)，根據(jù)壓裂設(shè)計(jì)選擇 80～100目濾網(wǎng)，在壁厚允許的情況下套筒優(yōu)先選用螺紋壓環(huán)固定，否則可采用過盈配合或焊接壓環(huán)。

閥芯下部采用錐形端部，既可容納少量雜質(zhì)，也有利于推動(dòng)固體雜質(zhì)，防止閥芯卡死。

在中心管、閥芯和套筒之間充入高粘度密封潤滑油或潤滑脂，運(yùn)動(dòng)的間隙中可形成一層保護(hù)性潤滑油膜。

為了減少?zèng)_蝕中心管滑動(dòng)行程，設(shè)計(jì)應(yīng)保證上部密封越過過流孔后再進(jìn)入套筒，新增下部密封則始終在套筒內(nèi)。

2.3.4 試驗(yàn)

深井、多層壓裂工況是最惡劣的井下作業(yè)工況之一，含大量固體支撐劑的工藝流體是其獨(dú)特之處，應(yīng)通過地面模擬沖砂工況試驗(yàn)驗(yàn)證、改進(jìn)該閥的開關(guān)可靠性。按目前單井壓裂 6～8層、壓裂施工砂堵概率20%,估算，該閥可靠開關(guān)2次即可滿足絕大部分單井壓裂作業(yè)的沖砂作業(yè)要求。推薦壓裂沖砂工況下該閥可靠開關(guān)6次作為最低檢驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)，有利于在可靠性和產(chǎn)品成本之間達(dá)到平衡。

控制其開關(guān)的加壓、泄壓速度應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)予以優(yōu)化，防止開關(guān)速度過快損傷密封件。

3 結(jié) 論

①鑒于井下地層環(huán)境各有不同、工藝流體性質(zhì)多樣、成分復(fù)雜，建議針對(duì)不同井況、工藝用途開發(fā)對(duì)應(yīng)的系列產(chǎn)品，該類產(chǎn)品關(guān)鍵性能在高壓、高溫條件下重復(fù)多次開關(guān)的可靠性可通過設(shè)計(jì)和地面模擬試驗(yàn)提高，并在實(shí)際應(yīng)用中不斷改進(jìn)。

②該類產(chǎn)品對(duì)油管堵塞、不暢工況下的反洗、壓井作業(yè)有良好的經(jīng)濟(jì)性，值得在海上油田鉆井、完井、測(cè)試、壓裂、酸化等短工作周期作業(yè)中試驗(yàn)使用；海上油氣生產(chǎn)井經(jīng)常需要正、反循環(huán)來判斷、處理井下故障，采用鋼絲作業(yè)開關(guān)滑套等雙作用井下工具更安全可靠；注水井注入壓力經(jīng)常發(fā)生變化，有的注水井有較高環(huán)空工作背壓，從統(tǒng)一管理和可靠性角度不建議注水管柱配置該類產(chǎn)品。

③無論何種作業(yè)對(duì)于配置了該類型產(chǎn)品的井下管柱應(yīng)針對(duì)其意外打開情況制定井控措施，推薦在地面流程設(shè)計(jì)安全閥/泄壓閥和管線，在連接管柱前應(yīng)進(jìn)行閥門試壓，從管柱下井到投入使用的所有工藝環(huán)節(jié)必須考慮油套壓差變化對(duì)其開關(guān)狀態(tài)的影響；為了保護(hù)密封件應(yīng)通過緩慢加壓和泄壓降低閥芯的滑動(dòng)速度。■

［1］華鼎鴻基石油工程技術(shù)北京有限公司.反洗閥使用說明書[Z].

［2］徐新華，于自乾，劉仁天，等.自鎖式壓裂循環(huán)閥的研制與應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2015，43(11)：119-122.

［3］莫麗，王軍，管西旗.石油機(jī)械中O形密封圈的動(dòng)密封特性分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2014，42(1)：103-107.

［4］趙建寧，張國林.APR-M2循環(huán)閥取樣器剪切銷釘試驗(yàn)研究[J].石油機(jī)械，2004(3)：63-64，67.

［5］張雅芹，李力強(qiáng).液壓系統(tǒng)中 O型密封圈的使用研究[J].機(jī)械工程師，2009(1)：147-149.

［6］徐新華，胡正強(qiáng)，徐建華，等.壓裂循環(huán)閥節(jié)流孔道研究[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012(15)：206，290.