闫 伟，陈立伟，尹永晶，陈 杰，魏爱拴

(1.中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津300452；2.浙江科技学院 机械与能源工程学院，杭州 310000)

渤海某自营油田属于疏松砂岩油藏，随着开发时间的延长，地层压力呈现出不同程度的降低[1]。地层压力下降后，在进行洗井、修井等作业过程中，工作液会漏失[2-4]，造成油井返排时间长，并污染油层。新疆塔河油田因裂缝、溶洞等地质因素，完井期间出现工作液大量浪费，并污染储层，延长了投产时间。因此，在油田开发过程中，保护储层不被污染是非常重要的。

阀板式防漏失阀是利用机械方法进行储层保护，国内已做了相关研究，并取得了一定的应用[5-8]。随着油田开发及工况的需要，笔者发现以前的阀板式防漏失阀有诸多不足之处。例如，文章中提到的防漏失阀的开关对载荷的依赖性高，阀板的打开是依靠机构压阀板的2个阀耳，促使阀板打开，这对阀耳的强度设计要求较高，尤其是在固相含量较高的油田井中。针对以上问题，笔者研制了一种新型板阀式防漏失阀。

1 设计原则

1.1 开关机构

开关机构与专用工具配合，实现板阀的开关。在板阀打开或关闭后，专用工具要依靠结构实现脱手，便于后续作业。对于固相含量较高的油井，开关机构要具有抗碎屑干扰功能，便于开关顺利、可靠。阀板在关闭状态下，井筒内液体作用在阀板上，使阀板和阀座向下运动，阀板向上打开。为了避免此情况发生，开关机构必须具有关闭状态下的锁定功能。

1.2 阀板机构

传统阀板打开依靠力作用在阀耳上，使阀板绕轴旋转打开。这种方式对阀耳的强度要求较高，且当固相沉积于阀板上时不易打开。本文采取的阀板被作用力从阀板下端面向上顶开，增强了阀板打开能力和可靠性。

1.3 密封机构

本工具采用橡胶和金属两种形式密封。考虑到橡胶的密封组件容易被井下碎屑冲击而损坏[9]，阀板和阀座之间采用金属密封。

2 结构原理

新型防漏失板阀主要由开关机构和阀板机构组成，如图1所示。开关机构由打开套、关闭套、锁定爪、锁定套等组成。阀板机构由开关套、阀板、阀座、支撑套等组成。当专用开关工具与打开套啮合后，继续下行，活塞套压缩弹簧下移，锁定爪被解除约束而受压弯曲，进入到锁定筒内表面。与此同时，带动开关套下行，直至与限位爪接触，触发阀座沿支撑套向下运动，阀板被支撑套从下端面向上顶开，直到阀板完全打开。当专用开关工具与关闭套啮合后上行，活塞套压缩弹簧上移，锁定爪解除约束后弯曲，进入到锁定筒内，继续上行。相应地，开关套上行，其内部台阶与阀座的外台阶相配合，推动阀座和阀板沿支撑套上行。由于没有支撑套的约束，阀板绕轴向下翻转，最终与阀座贴合，阀板关闭。锁定爪进入到锁定筒的凹槽内，活塞套在弹簧力的作用下，其外台阶面与锁定爪的内台阶面配合，锁死开关机构，防止阀板误打开。

1—上接头；2—锁定筒；3—关闭套；4—锁定爪；5—活塞套；6—中间套；7—弹簧；8—打开套；9—连接筒；10—中间筒；11—延长筒；12—开关套；13—阀板；14—阀座；15—支撑套；16—限位爪；17—下接头。

3 技术参数

最大外径 165 mm

最小内径 65 mm

工具总长 3 268 mm

额定工作温度 204 ℃

工具本体额定工作压力 68.94 MPa(10 000 psi)

关闭状态下，阀板承压 35 MPa(5 075 psi)

4 阀板与阀座金属密封分析

防漏失板阀的关键之处在于阀板与阀座之间的密封。在板阀式防漏失阀中，阀板与阀座之间既有橡胶密封，又有金属密封。一般在简易板阀中采用橡胶密封，在多次开关板阀中采用金属密封。本文采取金属密封形式实现板阀的防漏失功能，如图2所示。为确保金属密封的可行性，本文利用ABAQUS软件分析阀板与阀座的锥面金属密封。

4.1 有限元模型

为了控制计算规模，建立有限元模型时对阀座的通径部分进行了简化，简化的几何模型如图3。为了达到准确的计算结果，有限元网格单元尺寸为0.5 mm，最大为5 mm，对所有重点区域进行了网格细化，以消除网格敏感性。有限元模型如图4。

图2 阀板与阀座结构

图3 简化几何模型

根据阀板的实际工作情形，LS-DYNA中分别在阀板与阀座之间、销轴与阀板之间、销轴与阀座之间建立非线性的面-面接触，如图5所示。设部件材料均为4145H，最大许用应力为847.98 MPa。阀座固定，分别在阀板上端面加载5.0、17.5、35.0 MPa，提取接触面上的CPRESS(Contact Pressure)接触压力，可以根据接触压力的大小判断接触面是否被压溃。

图4 有限元模型

图5 接触定义

4.2 结果分析

图6为阀板在3个载荷作用下，阀板与阀座之间的接触压力云图。

1) 图6a。在5 MPa液体压力作用下，接触面的接触压力最大值为59.8 MPa，平均接触压力约为6.3 MPa，大于阀板两端面的压差5 MPa，且均匀分布于阀座接触面的下侧。

2) 图6b。在17.5 MPa液体压力作用下，接触面的接触压力最大值为521 MPa，平均接触压力约为263 MPa，大于阀板两端面的压差17.5 MPa，且均匀分布于阀座接触面的中间。

3) 图6c。在35 MPa液体压力作用下，接触面的接触压力最大值为800 MPa，平均接触压力约为400 MPa，大于阀板两端面的压差35 MPa，且均匀分布于阀座接触面的中间。

通过以上分析发现，所加载载荷均大于接触面的压力，说明阀板和阀座达到密封。随着载荷的增加，接触面间压力越来越大且接触宽度逐步增大，说明在高压载荷下，密封效果更好。通过对阀板与阀座的有限元分析，证明了阀板与阀座金属密封结构设计的合理性和可行性。

a 5 MPa

b 17.5 MPa

c 35 MPa

5 室内试验

为了进一步验证阀板与阀座金属密封的可行性，进行了如图7所示试验。组装好的测试工装与加压接头连接，并坐落于井筒内，锁死。利用终端控制软件依次对管线内进行5.0、17.5、35.0 MPa液体加压，每个阶段保持15 min。观察是否有泄漏，并记录压降数据。

利用测试工装分别进行了常温油介质测试、高温油介质测试，得到压力曲线如图8～11所示。

图7 阀板密封试验情况

从图8～10可以看出，在5 MPa×15 min、17.5 MPa×15 min、35 MPa×15 min的情况下，密封试验无压降，满足作业设计要求。图11测试曲线显示，在204 ℃下，阀板与阀座金属密封测试无压降，密封达到作业要求。

图8 常温下5 MPa压力测试曲线

图9 常温下17.5 MPa压力测试曲线

图10 常温下35 MPa压力测试曲线

图11 204 ℃高温下压力测试曲线

6 结论

1) 为了解决油井作业液漏失问题，设计了一种将阀板从下向上打开，且开关动作对开关力不敏感的新型防漏失板阀。介绍了该板阀的设计原则及结构原理。

2) 建立阀板与阀座的金属密封有限元模型，分析不同载荷下接触面压力的分布情况。结果表明，阀板与阀座的金属密封结构满足设计要求。

3) 在柴油介质下，分别对阀板密封进行了常温和高温测试，验证了阀板金属密封的可靠性。

4) 针对深井，建议利用氮气弹簧原理，设计远程打开模块，降低深井作业费用。