针型阀式可调堵塞器的研制

谭德铭

[摘    要 ]针对测调联动技术应用的活塞式可调堵塞器受应用过程中呈现的出水孔易坏的实际，通过分析对比转动式可调堵塞器、改良活塞式可调堵塞器和针型阀式可调堵塞器的生产价格及使用寿命等指标，研制了针型阀式可调堵塞器。该堵塞器使井下高压注水水流通过堵塞器时减小阻力，出水孔，使井下高压射流减缓，同时下部材质改为高强度合金钢，在设计及材质上提高了堵塞器的使用寿命。

[关键词]测调联动;可调堵塞器;使用寿命

[中图分类号]TM63 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）04–00–03

[Abstract]In view of the fact that the outlet hole of the piston type adjustable plug used in the measurement and adjustment linkage technology is easy to be damaged in the application process， the needle valve type adjustable plug is developed by analyzing and comparing the production price and service life of the rotary adjustable plug， the improved piston type adjustable plug and the needle valve adjustable plug.The plug reduces the resistance when the high-pressure water injection flow through the plug， and the water outlet slows down the high-pressure jet.At the same time， the lower material is changed to high-strength alloy steel， which improves the service life of the plug in design and material.

[Keywords]test and adjustment linkage; adjustable plug; service life

1 項目研制的意义

高效测调综合了机电一体化技术、计算机控制技术、通信技术、传感器技术、精密机械传动等技术，由地面控制仪、井下测调仪、可调节高压注水阀及配套设备等部分组成。采用边测边调的方式进行流量测量与调配。井下仪器通过电缆下入井中至需要调配的层段，打开井下仪器调节臂并与可调节高压注水阀对接;同时通过地面仪器监视流量曲线，根据实时监测到的流量与予设配注量的偏差自动调整注水阀水嘴大小，直到达到予设流量。该层调配完成后，收起调节臂下放/上提至另一需要调配的层段进行测试和调配，直至所有层段测调完毕，然后根据需要进行复测并对个别层段注入量进行微调，完成全井各层段的测调。最后采用上提/下放方式对全井调配结果进行统一检测。目前喇嘛甸油田正在应用的高效测调力求实现“压力同步录取、流量实时监测、水嘴连续可调”的功能，达到提高测试效率、缩短测调时间、提高测试资料准确率的目的。所应用的可调堵塞器为活塞式，通过传动轴开闭陶瓷芯，进而控制水量的大小。在近些年的应用推广中，分层注水井下入活塞式可调堵塞器1850多支，在8个月后仍能应用的只有395支，完好率仅为21.3%。可调堵塞器寿命的长短直接影响到注水开发的好坏及成本。因此，堵塞器使用寿命的研究显得尤为重要。

2 方案提出及确定

2.1 延长使用寿命可调堵塞器的研制方案

根据可调堵塞器的物理特性，研制方案包括转动式可调堵塞器、改良活塞式可调堵塞器和针型阀式可调堵塞器，这三种堵塞器需满足以下三方面要求。

（1）使井下高压注水水流通过堵塞器时减减小阻力，并且改变水流方向。

（2）将堵塞器出水孔由原来的单孔改为三个孔，减小出水孔水流阻力，使井下下高压射流减缓，保障堵塞器出水孔不被刺坏。

（3）将堵塞器下部材质改为高强度合金钢，同时增加出水孔处钢体壁厚，增加堵塞器下部强度。

2.2 适应性可调堵塞器的研制方案优选

通过对以上三种方案进行分析，选定适应性可调堵塞器的研究方案。

方案一：转动式可调堵塞器。通过阀芯转动的角度来控制出水量的大小。不用改变电机的转向，出口为一个，并且为侧向开口，可以减少水流对水嘴的冲击。

方案二：改良活塞式可调堵塞器。根据活塞式堵塞器损坏的位置，对活塞式可调堵塞器进行改良，包括通径、出水孔数、耐压性能、动阀运动形式等。

方案三：研制针型阀可调堵塞器。将入水位置由活塞式改为针型阀式，通过传动轴带动针型阀的开闭，调节水量的大小。同时，出水孔改为四个。

从满足生产、价格、入水位置及出水孔损坏难易程度因素进行对比，确定方案三为最终采用方案。表1为三种方案各项对比指标。

3 设计过程

3.1 结构设计

根据油田对注水量的要求结合经验，可调堵塞器出水口面积在0～35 mm2即可满足使用要求，为了避免应力集中，保证不易堵，阀芯、出水口的设计应该保证流量变化基本线性，因此阀芯选用120°形式既能保证基本线性，而且又能保证在流量最小时不易堵。因此，在设计上主要考虑到以下两个方面：一是入水位置设计成针型阀式，可将受力面积增大，有效的避免了单一受力;二是出水孔设计为四个，注入水能够分散流出，避免出水孔受力过大，同时增加出水孔位置的钢体厚度。此外，针型阀可调堵塞器仍然保留了无级调节的特点，就是出水孔开度等效直径0～10 mm无级差任意调节，而常规水嘴级差为0.2 mm，相当于常规水嘴的数量为41个。可调水嘴特殊的防沙设计，可以保证水嘴在井下工作期间调节螺杆的传动部分不会发生因沙卡而堵转事件。

3.2 针型阀式堵塞器的选材

对适合做针型阀材料进行了筛选，确定了三种材质。对三种材质的性能做了对比评价，如表2所示。

从表2看出，铸铁虽然价格便宜，但性能较差，尤其是抗锈蚀性，在注入水的作用下易结锈，导致孔隙产生新的堵塞物，所以不选用铸铁做为主体材料。合金钢相比之下性能好又有价格上的优势，可满足设计需要。

4 室内试验论证

室内流量漂移实验系统主要包括：高压循环水回路、B10M15K高压注水柱塞泵、电磁流量计、远传压力表、调压阀以及实时数据采集系统。其中调压阀用来调节堵塞器的前端压力，也就是注水时的注入压力。如图1所示。

把堵塞器调到任一位置（本试验大约调到一半流量處）放入测试腔，调节注水压力至某一压力值（20 MPa），实时监测其流量24小时，每小时记录一次流量，根据数据绘图如图2所示。

从图2可以看出，针型阀式可调堵塞器测后自锁性能良好，通过计算可得其误差为1%，在工程允许误差范围（±20%）内保持不变，即其密封性以及测后自锁性均良好。

5 操作说明

5.1 阀体构成

针型阀式可调堵塞器是由多方打捞头、接头、回位弹簧、主体、卡片、针型阀、滤网等组成，其核心部分为针型阀。如图3所示。

5.2 操作使用

多方打捞头的上部套有回位弹簧并插装在接头内，回位弹簧位于接头内腔中，多方打捞头下部中间开有多棱柱体形的凹槽;在多方打捞头的凹槽底部置入调节弹簧;传动轴的上端头为多棱柱体，且与多方打捞头的多棱柱体形凹槽相匹配，传动轴的上端镶嵌在多方打捞头的凹槽内，传动轴的下部车有挡台，传动轴的末端车有螺纹;支撑座套装在传动轴上，并顶在传动轴的挡台处;螺母与调节柱塞上端焊接固定，螺母与传动轴螺纹连接;主体的管壁上开有条形孔和过水孔;主体上端与接头下端以螺纹连接;卡片通过主体上的条形孔将下端镶嵌在支撑座与主体之间，与主体过盈配合;调节柱塞下段车有挡台，挡台位于过水孔上方，针型阀置入主体腔体内并套装在调节柱塞外，针型阀上的水咀孔与过水孔相对应且连通，可控水咀位于限位套上;限位套座在主体下端内壁上;滤网与主体的下端螺纹连接;调节柱塞由主体内的稳钉顶住导向;各处皆用“O”型密封圈密封。

6 效果检查

针型阀式可调堵塞器研制成功，现场试验后规模应用。共试验30口井203个堵塞器。为了检验试验效果，在第一个测试周期（四个月）后，打捞出52个堵塞器进行验证，均正常。在第二个测试周期打捞出83个堵塞器进行验证，发现11个由于砂卡严重损坏，其他均正常，堵塞器出水孔全部正常，8个月抽检完好率到达到86.7%。

7 结论与认识

（1）高效测调力求实现“压力同步录取、流量实时监测、水嘴连续可调”的功能，达到提高测试效率、缩短测调时间、提高测试资料准确率的目的。

（2）将堵塞器下部活塞式改为针型阀式，使井下高压注水水流通过堵塞器时减小阻力，并且改变水流方向。

（3）将堵塞器出水孔由原来的一个孔改为三个孔，减小出水孔水流阻力，使井下高压射流减缓，保障堵塞器出水孔不被刺坏。

（4）将堵塞器下部材质改为高强度合金钢，增加堵塞器下部强度，同时增加厚度。

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