自衡式单流阀研制与应用

王甲昌，单　锋，张日兴，文国华，肖志高

（1．塔里木油田公司　塔中勘探开发项目经理部，新疆　库尔勒841000；2．德州农工大学　Harold Vance石油工程学院，USA Texas 77843-3116；3．湖南罡拓能源科技有限公司，新疆　库尔勒841000）①

自衡式单流阀研制与应用

王甲昌1，单锋1，张日兴2，文国华1，肖志高3

（1．塔里木油田公司塔中勘探开发项目经理部，新疆库尔勒841000；2．德州农工大学Harold Vance石油工程学院，USA Texas 77843-3116；
3．湖南罡拓能源科技有限公司，新疆库尔勒841000）①

钻完井作业使用的浮阀存在寿命短、失效率较高等问题。研制了自衡式单流阀，采用滑套与凸轮驱动连接、阀片向滑套内壁贴合、氟胶和软金属组合密封的设计。减少了密封面冲刷失效的几率；解决了低、高压状态下密封的稳定性与抗高温性。室内模拟试验及现场应用结果表明：该单流阀开、关及时，密封良好，性能稳定，在井下各种倾角状态下可以置于完井管柱的任何位置，满足碳酸盐岩超深水平井完井管柱配置、压裂、酸化等的施工要求。

碳酸盐岩；浮阀；自衡式单流阀

内防喷工具在现代钻完井井控体系中一直占据重要位置，其中浮阀（包括箭形止回阀，球形阀，板式浮阀等）由于流体冲刷、弹簧疲劳、电化腐蚀、材质差别等多种因素影响，使用寿命普遍较短，失效率较高。浮阀在材料选择和结构设计方面的改进一直是相关领域的研究重点［1-7］。

塔里木油田碳酸盐岩储层以缝洞系统为主，油气藏存在压力窗口窄、易漏易喷、高含H2S，部分井井漏后形成较高的圈闭压力；该区块油气井井控风险高、作业难度大［8-10］。常规浮阀不能适用塔里木油田井下高密度流体、高温、高压环境下的完井作业，成为制约碳酸盐岩水平井分段改造完井工艺的重要因素。浮阀失效不仅给施工带来巨大风险，还直接增加作业周期与完井成本。

1　结构及原理

1．1 结构

自衡式单流阀的结构如图1所示，主要由开关阀、阀座、阀片、滑套等组成。

图1　全通径自衡式单流阀结构

滑套处于内筒与外筒之间，可以在二者之间限位滑动，并与上接头、外筒、及内筒分别围成与管内空间相通的内压腔，以及与管外环空相通的外压腔。外压腔内置有弹簧，弹簧上、下分别与上接头及滑套相接。

内筒底端为阀座，一侧转轴上设有蝶形阀片和凸轮。滑套通过自身的调节开口与凸轮驱动连接。

1．2 工作原理

自然状态下弹簧推动滑套驱动凸轮，关闭蝶形阀片，确保单流阀的初始关闭状态。

单流阀随管柱入井后，其内压腔和外压腔分别受管柱内压力与环空压力。当顶通或循环时，管柱内压力大于环空压力，滑套上行驱动凸轮打开阀片，当管柱垫轻质泥浆或井下溢流时，环空压力大于管柱压力，滑套下行驱动凸轮关闭阀片。

1．3 技术参数

自衡式单流阀技术参数如表1。主要应用于168．28 mm或171．45 mm井眼中。

表1　自衡式单流阀主要技术参数

1．4 主要特点

自衡式单流阀以独特的设计避免了传统单流阀的失效因素，同时结合井下安全阀，密封机构的特点［1112］，使工具的阀板密封机构更加可靠［13-15］。

1）采用内外双腔设计方式，滑套根据管柱内外压力变化自动驱动阀片的开关，避免了常规箭形或球形止回阀的密封面冲刷失封问题。

2）外压腔中的压簧处于空间受限状态，可以保持在几何中心线上工作，不受偏心载荷，因此安全应力不会减弱。阀片一旦打开，弹簧便不受流体冲击力，也就不存在交变载荷，因此与常规浮阀压簧相比，其疲劳失效的概率可大幅降低。

3）阀片下表面为弧形表面结构，并且在设计上能与滑套内壁相贴合，因此在阀片完全打开时，上表面与工具中轴线平行，密封面不会受到管柱内流体的角度冲刷，与传统浮阀相比，冲刷失封的几率大幅降低。

4）滑套在压差作用下滑动至上、下限位机构，调节开口上、下边沿与阀片凸轮均达到面接触，驱动阀片完全打开和关闭。面接触方式使阀片具有良好的定位能力，同时也降低了阀片由于受力不均产生变形的可能性，提高阀片的耐用性。

5）蝶形阀片的密封面上硫化有抗高温的氟胶（抗高温200℃），对应阀座上设置有软金属或者软合金涂层，阀片关闭时在反向高压下能够部分嵌入软金属中，压力助封，反向压差越大，密封效果越好。采用非金属金属组合密封，来确保工具在低压和高压状态下密封的稳定性，这与井下安全阀的密封结构类似。

6）在井下各种倾角状态下密封效果不会减弱，可以置于完井管柱的任何位置。

7）设置在转轴上的阀片可拆卸，当阀片损坏或者失效时，能够及时对阀片进行更换。

2　试验

2．1 地面承压试验

地面承压试验主要目的是测试该工具的反向承压能力，初步验证其密封机构分别在高、低压状态下的密封效果。

试验方法：将该型单流阀反向接水泥车管线，利用水泥车泵清水反向加压，记录30min内各压力下压降（如表2）。

表2　全通径自平衡单流阀室内试验记录

试验结论：自衡式单流阀在地面状态下，多次开关，密封机构效果良好，反向承压高、低压能力良好，最高反向承压可达70 MPa。

2．2 地面反复开关试验

地面开关试验目的在于验证单流阀随内外压差变化开关的能力，验证单流阀反复开关的承受能力。

试验过程：工具上连接水泥车管线，正加压泵入清水，压力在1MPa左右时阀片打开，泄压后，弹簧推动开关滑套将阀片关闭，如此反复10次，结果基本相同，拆开工具检查传动机构无明显磨损。

试验结论：单流阀能够根据内外压差的变化实现开关功能，在1MPa正压差下可打开阀片，泄压后可自动关闭，并且单流阀具备反复开关的可靠性。

2．3 井下试验

井下试验主要目的是测试该工具在高温状态下的耐冲蚀能力、随内外压差变化开关的能力以及阀片反复开关的密封能力。

2．2．1 试验过程

1） 在密度1．18 g／cm3盐水内将单流阀下入至井深2 800 m。

2）环空加压试验初始密封性，逐步加压至30 MPa，水眼无返液。

3）接方钻杆，以720 L／min排量正循环洗井2周，泵压5～10 MPa。

4）环空加压验证单流阀密封效果，单次最高加压至30 MPa后再稳步泄压，全程观察水眼返出情况。

5）按步骤4）反复试验5次。

6）取出单流阀，检查工具损耗情况，拍照记录，编写试验报告。

2．2．2 试验结论

1）在1．18 g／cm3盐水中以720 L／min排量循环超过5 h，密封面完好，阀体无明显冲蚀痕迹。

2）油套压差2～3 MPa时，阀片关闭，但还存在轻微渗漏现象，在油套压差大于10 MPa后，渗漏现象消失。

3）阀体密封后泄压水眼没有返液，说明阀片密封后不会因为油套压差降低出现失封。

3　现场应用

自衡式单流阀现主要应用于塔中碳酸盐岩水平井分段改造完井工艺中。该工艺的典型送入管柱配置为：钻杆＋伸缩接头＋套管悬挂封隔器＋油管＋（压控式筛管＋油管＋裸眼封隔器）×n段＋油管＋投球式筛管＋单流阀＋浮阀＋油管筛管＋引鞋。

该完井工艺在下送入管柱过程中，管柱内要垫轻质泥浆（密度1．05 g／cm3），管柱到位后，正替轻质泥浆至裸眼段，再坐封封隔器后丢手起送入管柱，因此要求管柱底部自带内防喷工具。前期曾采用两个常规箭形浮阀作内防喷工具，下管柱过程中浮阀保持常闭状态，性能良好，但在替液过程中密封面容易受到冲蚀作用，同时弹簧在高温高压环境下受交变载荷作用会疲劳失效，两个浮阀同时失效几率依然很高，不仅增加了后期施工难度，也增加了作业成本。后期采用单流阀与浮阀配套使用，单流阀对井下环境适应性较好（表3），解决管柱到位替液过程内防喷工具失效的问题。

表3　自衡式单流阀在塔中各典型井的应用

全通径自衡式单流阀在塔中已成功应用29口井，仅1口井出现失效情况，成功率达96．55%，相比原有双浮阀配置成功率大幅提高，成为全通径分段改造完井工艺的典型配置工具。

4　结论

1） 自衡式单流阀突破了以前内防喷工具的设计理念，采用滑套与凸轮驱动连接，避免使用扭簧容易失效，同时降低了压簧受交变载荷疲劳失效的几率。其阀片与滑套内壁向贴合，避免受流体角度冲刷，减少了密封面冲刷失效的几率；氟胶和软金属组合密封的密封机构解决了低、高压状态下密封的稳定性与抗高温性。

2）自衡式单流阀采用全通径设计，适用井下各种倾角状态，可以置于完井管柱的任何位置，在塔里木碳酸盐岩高温高压环境下性能稳定。

3）自衡式单流阀试验效果良好，实际生产应用过程中，开关及时，密封良好，相比传统浮阀性能更加稳定，已成为塔里木碳酸盐岩水平井分段改造完井工艺的典型配置工具。

4）现有自衡式单流阀还存在低压渗漏的情况，为密封端面加工精度不够导致，可通过提高密封面加工精度来解决。

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Development and Application of Self-equilibrating Check Valve

WANG Jiachang1，SHAN Feng1，ZHANG Rixing2，WEN Guohua1，XIAO Zhigao3

（1．Tazhong Exploration and Development Management Department，Korla 841000，China；2．Harold Vance Department of Petroleum Engineering，Texas A&M University 3116 TAMU College Station，TX 778433116，USA；3．Hunan Gangtuo Energy Technology Co．，Ltd，Korla 841000，China）

The existing floating valves used in wellcompletion operation have some drawbacks such as short lifetime，high failure rate and etc．Therefore，a kind of selfequilibrating check valve is developed．This kind of selfequilibrating check valve is mainly composed by switching valve，valve seat，flapper and sleeve．The unique design are featured by the connection of sliding sleeve and cam driving gear，flapper jointing towards inner wall of sleeve，and the combination of fluoro rubber seal and soft metal seal．The new design reduces the ratio of seal failure caused by washing，solved sealing stability in both low and high pressure and hightemperature resistance problems．The laboratory simulation test and field applications show that this new check valve can switch without delay，seal well，more stable than that of conventional check valve，work well in different angle in downhole condition and could be installed at any position on completion string．This new check valve satisfied the requirement for horizontal completion string design，fracturing，acidizing and other relevant stimulation operations in deep carbonate reservoir．

carbonate formation；floating valve；selfequilibrating check valve

TE921．5

B

10．3969／j．issn．10013842．2015．09．021

1001-3482（2015）09-0082-04