测压式方钻杆旋塞阀的设计

刘淑英

摘 要：方钻杆旋塞阀作为一种重要的钻具内防喷工具、在钻修井中已成为必备的井控工具。在钻进作业时，旋塞阀处于开启，一旦发生溢流或者井涌，为了阻止钻井液沿钻具水眼上窜，高压危及水龙带和立管管线安全，就必须立即关闭旋塞阀，以防止井喷。旋塞阀关闭，下侧承压，上侧没有平衡压力要想打开旋塞阀很困难；同时由于立管通路被阻断，不能进行立管压力的准确测量，影响钻井井控安全。研制新型测压式方钻杆旋塞阀精确测量钻具内压力，实现压力平衡。该测压式旋塞阀既可以实现常规旋塞阀功能，还可以进行测压，旋塞阀开启难的问题也可以解决，更好的满足钻井井控要求。

关键词：方钻杆旋塞阀；井控；立管压力；测压。

1、设计背景

方钻杆旋塞阀作为一种重要的钻具内防喷工具、在钻修井中已成为必备的井控工具。方钻杆旋塞阀分为上旋塞和下旋塞，方钻杆上旋塞装在水龙头和方钻杆之间，下旋塞装在方钻杆与钻杆之间，是一种防止钻井液喷溅、改善钻工工作条件、阻止井喷事故发生的钻柱内防喷工具，在工程实践中得到广泛应用。但是普通方钻杆旋塞阀在有压力条件下操作是非常困难和极易发生问题的。

旋塞阀关闭，下侧承压，上侧没有平衡压力的情况下要想打开旋塞阀很困难。又由于旋塞阀关闭，立管通路已被阻断，不能进行立管压力的准确测量，势必又会带来如下技术难题：无法通过分析压力变化规律，判断溢流类型、确定压井液密度、制定压井方案；无法根据测量值，利用压力平衡的方法在零压差条件下快速打开旋塞阀。

本文分析了方钻杆旋塞阀的现有结构，提出了方钻杆旋塞阀改进方案。

2、常规方钻杆旋塞阀的结构及特点

2.1 结构

目前常用的整体式浮动旋塞阀的结构基本相似，主要由阀本体、上下阀座、球体、旋钮、挡圈、弹簧等组成，如图1所示。阀的本体都采用整体式结构，侧面開有旋钮孔。

2.2 特点

旋塞阀阀体通常为整体式结构，与球阀的结构特点相同：

（1）启闭迅速方便，只要使用扳手转动球体90°就可快速完成启闭。

（2）结构简单紧凑。

（3）体积小，质量较轻，密封性能较好。

由于旋塞阀的工作环境特殊，除具有一般球阀的特点外，还要求具有如下特点：

（1）通常为整体结构设计，没有中间接头。

（2）球与阀座之间采用金属对金属的密封。从顶部来的压力在下阀座与浮球之间形成密封；从井下来的压力在上阀座与浮球之间以及下阀座与浮球之间形成密封，这种多重密封保证了密封的可靠性。

（3）可在阀上部增加压力，自动平衡较高的油气井压力，使阀能在额定工作压力下顺利打开。

（4）为防止转动手柄时使浮球旋转越过90°，该阀设计了手柄正向旋转停止点，这就保证了阀在关闭时能完全关闭，开启时能完全打开，使阀有一个平滑畅通的流道。

（5）方钻杆旋塞阀的通孔应尽量和方钻杆水眼相同，旋塞阀的工作压力必须大于防喷器的工作压力。

（6）方钻杆旋塞阀需要用专用的扳手来操纵。

3、测压式方钻杆旋塞阀的结构、优势及工作原理

3.1 测压旋塞阀的结构及优势

测压式方钻杆旋塞阀，由方钻杆旋塞阀、小逆止阀、顶开装置和压力表或压力传感器构成，小逆止阀安装在方钻杆旋塞阀下端管壁上。压力表安装在顶开装置上。在正常状态下，顶开装置和压力表与方钻杆旋塞阀是分开的，不影响钻井工况。在需要测量立管压力时，将顶开装置接在小逆止阀位置上，通过顶杆把小逆止阀顶开实现立管压力的准确测量。测量完成后，卸掉顶开装置即可恢复到正常状态。

测压式方钻杆旋塞阀设计简单紧凑、不改变旋塞阀的外形、操作方便简单。测压式旋塞阀的优势体现在：

（1）在方钻杆旋塞阀下端增加测压孔，测压孔不影响旋塞阀的正常开启与关闭。

（2）在方钻杆旋塞阀测压孔内装小逆止阀，小逆止阀长度不超过旋塞阀管壁厚度，安装后不改变方钻杆旋塞阀的外径和内径尺寸。小逆止阀可以保证旋塞阀正常使用不受到影响。

（3）在正常状态下，顶开装置和压力表或压力传感器不在旋塞阀上，不影响旋塞阀正常使用。

（4）在需要测定立管压力时，通过顶开装置打开小逆止阀，然后压力表或压力传感器连接到顶开装置上，从而方便的读出立管压力数值，实现立管压力的准确测量。测压完成后卸掉顶开装置和压力表或压力传感器。

3.2 工作原理

在进行压井作业时，这时旋塞阀关闭，通过准确测量钻柱内压力值，在旋塞阀上端施加等值压力建立压力平衡，在零压差条件下，转动轴调节球形阀芯，快速打开旋塞。其工作步骤如下：

（1）旋塞阀关闭状态下连接顶开装置，顶开装置打开小逆止阀，然后压力表连接到顶开装置上，待压力稳定后，准确测量旋塞阀下端的压力值。

（2）经方钻杆缓慢注入钻井液，使旋塞阀上端压力增加、压差减少，直至达到压差为零。

（3）在零压差条件下，通过旋转转动轴转动球形阀芯，快

速打开旋塞阀。

（4）卸掉顶开装置与压力表，恢复到正常状态。

4、结论与认识

测压式方钻杆旋塞阀在压力环境下通过准确测量压力值，配合有效的注平衡压措施，能够较好的实现快速开启，同时能很好的满足井控安全的需要，既省力又提高了工作效率，给压井赢得更多的作业时间。

（1）分析了方钻杆旋塞阀在高压下打不开的原因，即球形阀芯下部的后阀腔内的高压与上部的前阀腔的低压之间形成很大压差，使球形阀芯与前阀座之间产生很大压力，当转动转轴时，由于巨大的压力产生的摩擦力很大，很难转动球形阀芯，致使方钻杆旋塞阀无法打开。

（2）注平衡压是快速开启方钻杆旋塞阀的有效措施，关键是尽可能保证两端压力平衡，消除压差。通过小逆止阀装上顶开装置便能在方钻杆旋塞阀关闭条件下准确测量立管压力值，从而保证两端压力平衡。

（3）测压式方钻杆旋塞阀具备常规方钻杆下旋塞阀的内防喷功能和外形尺寸，在钻井作业过程中可作为常规方钻杆下旋塞阀使用；顶开装置和压力表能随时安装或拆卸，不影响钻井工况。

（4）测压式方钻杆旋塞阀还需要改进设计，进行更多的实验研究，如改用传感器连接时的数据模块优化、密封承压能力试验以及旋塞阀体强度实验等。