可调压井下止回阀.pdf

文章编号 100225855 2008 0520014203 作者简介韩兵奇1978 - ,男,河南清丰人,工程师,从事石油机械的科研与教学工作。 可调压井下止回阀 韩兵奇,张军,杨光,谷勇 中国石油大学华东 , 山东 东营257061 摘要 阐述了分层注水用井下止回阀的工况条件和工作原理,分析了其结构和零部件的受力 状态,总结了延长阀门使用寿命的方法。 关键词 井下止回阀;可调压;缓闭;阻尼;密封 中图分类号 TH134 文献标识码 A Downhole non - return valve of pressure control HAN Bing - qi , ZHANGJun , YANG Guang , GU Yong China University of Petroleum East China , Dongying 257061 , China Abstract Describe the behavior and distinguishing feature of downhole non - return valves about sepa2 rate zone water injection , and analyze on the structure of downhole non - return valves of pressure control and generalize the s of extending the service life of downhole non2return. Key words downhole non - return valve ; pressure control ; slow shut off ; damping mechanism; sealing 1 概述 随着我国油田开采进入中后期,分层注水已成 为大多数油田注水开发的一项重要工作。在注水管 柱的底部通常安装有止回阀即单流阀 , 用以密 闭注水管柱,防止注入水倒流和地层返砂,同时用 作反循环洗井的通道。普通止回阀一般由阀座、阀 球和弹簧等件组成,作业时随管柱下入井内,弹簧 弹力固定,不可调,且阀座、阀球在井内易结垢、 腐蚀,造成阀球阀座密封不严,注水管柱失效,达 不到分层注水的目的。本文介绍的可调压井下止回 阀不仅具有普通止回阀限制流体单向流动的作用, 还具有调压和缓闭功能。可针对不同地层压力调节 弹簧压缩量,设定阀球的开启压力,实现定压开 启,有效防止注入水倒流和地层返砂现象。阀球关 闭时,在阻尼机构与弹簧的双重作用下,缓慢下 行,避免了阀球与阀座之间的碰撞,可有效保护密 封面和配水管柱,抑制水锤现象。 2 工作原理 可调压井下止回阀图 1 通过上接头的内螺 纹连接在注水管柱底部,下接头与尾管相连,与配 水器和封隔器配套使用图 2 。 工具下井前,根据测定的地层压力通过调节螺 杆预设止回阀开启压力。反循环洗井时,洗井液压 力远高于止回阀的开启压力,阀球开启,洗井通道 被打开。洗井完毕后,注入液通过阀球缓闭机构, 关闭止回阀,限制流体单向流动,注入液瞬时憋压, 配水器和封隔器启动,即可进行分层定量注水。 3 结构分析 可调压井下止回阀主要包括压力调节机构、阀 球缓闭机构和密封机构等3部分。 311 压力调节机构 压力调节机构主要包括十字盘、调节螺杆、上 盘、下盘和弹簧等。调节螺杆旋在十字盘中心的内 螺纹上,其下端面顶住上盘的内球面,上盘与下盘 之间安装有内外两副弹簧,以压紧阀球并保持机构 稳定。针对不同地层压力通过旋紧或旋松调节螺 杆,使其压紧上盘,压缩弹簧,设定阀球的开启压 力,防止注入水倒流,特别是对出砂严重的油井具 有良好的防砂效果。 41 阀 门 2008年第5期 11 下接头 21 阀座 31 阀球 41 下盘 51 工作筒 61 弹簧 71 阻尼帽 81 上盘 91 十字盘 101 调节螺杆 111O形圈 121 上接头 图1 可调压井下止回阀 1、31 封隔器 2、41 配水器 51 止回阀 6尾管 图2 配水管柱 压力调节机构所受静力如图3所示。当阀球开 启时 k 1 k2 x x0 pπd2 4 1 式中 x 弹簧设定压缩量, m x0 弹簧预压缩量, m k1、k2 内外弹簧的刚度系数, N/ m d 阀座内孔直径, m p 开启压力, Pa 图3 压力调节机构力学模型 此时需设定的弹簧压缩量为 x≥ pπd2 4 k 1 k2 阀球最大开度为h时,最大流量Qmax满足条 件 k 1 k2 x 0 x h ≤Δp πd2 4 2 Δp ρg v12 v22 2g 3 Qmax Q1 Q2 v1πD2 4 v2πd2 4 4 式中 h 阀球最大开度, m Δp 止回阀的压力损失, Pa ρ 流体密度, kg/ m3 g 重力加速度, m/ s2 D 止回阀下接头内径, m Q1、Q2 流过下接头内孔和阀座内孔的 流体流量, m3/ s 即 QmaxD k 1k2 x 0x h 2ρ D 2 d2 312 阀球缓闭机构 阀球缓闭机构主要包括阻尼帽、上盘和下盘的 阻尼机构等。下盘上部安装有阻尼帽,与上盘内孔 以小间隙配合。当上、下盘相互运动时,通过阻尼 帽上的阻尼小孔将对其产生阻碍作用,限制其运动 速度。已开启的阀球在关闭时,下盘在阻尼机构和 512008年第5期 阀 门 弹簧的双重作用下,缓慢下行,使阀球在液压力的 作用下缓慢下落至密封阀座,避免了阀球与阀座之 间的碰撞,对水锤现象有良好的抑制作用。同时, 阀球在下落过程中,注入液可通过阀球与阀座之间 的间隙将反循环洗井时带入的泥砂冲洗干净,有效 保护密封面。 图4 阀球缓闭机构运动学模型 阀球缓闭机构图 4 受力为 k 1 k2 x x0-∫ vdt - cv - mdv/dt 0 5 式中 v 运动速度, m/ s t 运动时间, s c 阻尼系数, kg/ s m 运动物体质量, kg 对式5进行Laplace变换并整理,得运动 速度v为 v k 1 k2 x x0 k1 k2 cs ms2 6 由式6可知,v最大值为 vmax x x0 1- c2 4m k1 k2 即只要选取合适的参数,阀球的最大运动速度 就能得到有效控制,实现缓闭功能。 313 密封机构 密封机构是止回阀限制流体单向流动的主体机 构,主要包括阀座、阀球和O形圈等。 油田注水大都采用污水循环回注,井下环境复 杂,含油、含菌及各种杂质,矿化度高,所以井下 工具耐腐蚀和抗结垢能力是其使用寿命的关键。为 此对止回阀各件特别是密封件均采用了耐腐蚀材料 和防腐处理工艺。阀座和阀球材料为316L ,由于 其具有较低的含碳量,可以显著提高其耐晶间腐 蚀、氧化物应力腐蚀的能力,具有良好的耐氯化物 腐蚀和抗点腐蚀能力,能提高止回阀的密封效果和 使用寿命。铬元素具有很强的耐腐蚀性能,对弹 簧、上盘、下盘、上下接头和工作筒等件进行了镀 硬铬处理,并对上下接头和工作筒进行了氮化处 理,以提高止回阀外层部件的耐磨和耐腐蚀性能。 4 使用维护 止回阀各密封表面进行了防腐处理,耐腐蚀, 密封效果好,使用寿命长,开启压力可调。注入水 防逆流效果好,具有阀球缓闭功能,可避免阀球与 阀座的碰撞,抑制水锤现象,保护密封面和注水管 柱。防砂效果好,可减少洗井作业后井内存留赃 物。结构简单,维修方便。 接头螺纹在运输和使用过程中应避免损伤。工 具在下井前应作地面压力试验,通过调整调节螺杆 确定其额定压差及流量。根据井下作业设计要求将 工具安装在井下预定位置,注意安装方向,切勿装 反。 5 结语 可调压井下止回阀不仅具有普通止回阀限制流 体单向流动的作用,还具有定压开启和阀球缓闭功 能,减轻了阀球对密封阀座的冲击,提高了止回阀 的使用寿命。实践表明,可调压井下止回阀能够在 反循环洗井时自动打开,而在地层压力过高,关 井、作业及其他施工过程中,始终处于关闭状态, 避免了地层返吐出砂、层窜、封隔器失效等现象的 发生,提高了一次测试成功率和注水层段的合格 率。 参考文献 〔1〕 杨源泉.阀门设计手册 〔M〕.北京机械工业出版社, 2000. 〔2〕 万仁溥,罗英俊.采油技术手册修订本第二分册 〔M〕. 北京石油工业出版社, 1992. 〔3〕 王枚景,张军,韩兵奇.石油矿场机械,调压底阀的研制与 应用, 2007 , 1 60 - 62. 收稿日期 20081071 21 欢迎投稿欢迎订阅欢迎刊登广告 61 阀 门 2008年第5期