环空压力控制阀的研究与应用

方格尼

河油田部分区块属于典型的稠油油藏，具有密度大、黏度高、流动性差的特点，据统计，地面原油黏度最高达到18×104mPa•s（60℃）。稠油开采的关键是降低原油的黏度，改善原油的流动性。塔河工区多采用掺稀降黏的开采方式。

    塔河稠油井完井生产管柱分为光管柱和带封隔器的管柱2种。光管柱由于不存在封隔器，掺稀作业可以直接在喇叭口处进行；对于带封隔器管柱，封隔器将环空上下隔开，为了满足掺稀生产的要求，需在封隔器上部设计掺稀滑套，以确保掺稀通道的畅通。常规的滑套主要由外筒、芯轴（含密封件）、球座（含缩径机构）及2个流动通道（A通道和B通道）等组成。其中，A通道为连通油管与环空的阀孔；B通道为滑套内通道，如图1所示。

图1 掺稀滑套结构

    在入井时，A流道被芯轴上的密封机构阻断，B流道是畅通的，可以进行洗井、替浆等作业。待测试求产时，需投球打开A流道，从油管内投入对应尺寸的球，对油管进行正加压，推动芯轴下行，露出A通道，油管与环空连通，即可进行掺稀作业；之后继续对油管加压直至打掉球座，使B流道重新畅通，地层产出稠油流动至A流道时与掺稀油混合，达到降低原油黏度的目的。

    对于漏失比较严重的稠油井，考虑井控的安全，通常停止钻进直接进行测试求产。一方面测试管柱需要满足掺稀的要求；另一方面如果测试效果不好，还需进行酸压改造，测试管柱还需满足酸压的要求。常规的滑套存在缩径机构，对改造效果有一定的影响，为了克服这一不足，同时满足掺稀生产和后期可能的酸压施工要求，研制了环空压力控制阀，并取得了良好的应用效果。

    1 环空压力控制阀
    1.1 结构设计
    环空压力控制阀结构如图2所示，由上接头、O形密封圈、阀孔、剪切销钉、外套筒、自锁机构、可移动阀体及下接头等组成。

1—上接头；2—O形密封圈；3—阀孔；4—剪切销钉；
5—可移动阀体；6—外套筒；7—自锁机构；8—下接头
图2 环空压力控制阀结构

1.2 工作原理
    环空压力控制阀在入井时阀孔处于关闭状态，此时油管与环空是不连通的。当漏失井需要进行替浆作业或酸压井需掺稀试油时，需要打开控制阀的阀孔，从环空进行加压，压力作用在可移动阀体的承压端面上，承压端面所承受的压力可传递到剪切销钉，当承压端面受到的压力超过剪切销钉的剪切力时，剪切销钉断脱，环空压力推动可移动阀体向下移动，阀孔逐渐露出。可移动阀体的外表面和自锁机构的内表面均有棘齿，当可移动阀体向下移动到表面棘齿与自锁机构的棘齿相互咬合时，阀孔完全打开；同时由于自锁结构的作用，可移动阀体保持固定，油管与环空的流动通道形成。

    1.3 技术特点
    1）棘齿咬合牢固
    可移动阀体的外表面棘齿向上倾斜，自锁结构的内表面棘齿向下倾斜，二者咬合紧密，能够有效地固定可移动阀体。
    2）剪切销钉设计灵活
    具体可根据环空压力控制阀的下深、压井泥浆的密度以及封隔器坐封要求等，选择合适数量的销钉，以满足施工的要求。

    1.4 主要技术参数
    塔河油田常用的环空压力控制阀最大外径为Φ127mm，最小内径为Φ61mm，总长0.78m，工作温度150℃，适应套管内径为Φ152～Φ168mm。

    1.5 适用范围
    环空压力控制阀具有环空压力控制、内通径大的特点，结合塔河油田的实际工况，可用于以下作业中：
    1）压井作业
    与常用压井滑套类似，首先随完井管柱入井，后期进行修井作业时，若井筒堵塞导致无法建立循环时，可对环空加压打开阀孔，建立压井循环通道。
    2）稠油掺稀
    塔河油田目前多将其应用到掺稀作业中，在控制阀阀孔打开后即可实现稠油与掺稀油的混合，从而达到降黏的目的。

    2 现场应用
    TH245CH井是塔河油田主体区1口稠油侧钻水平井，采用四开井身结构。为了达到避水的目的，侧钻点上提，三开下入膨胀管固井完井，四开采用Φ120.65mm钻头进行裸眼完井。该井需要分层改造评价，测试求产需要掺稀。为了同时满足酸压和掺稀的需要，管柱中下入封隔器和环空压力控制阀。

    2.1 管柱结构
    该井酸压完井管柱组合为：油管＋环空压力控制阀＋套管封隔器＋油管＋水力锚＋裸眼封隔器＋球座＋筛管＋圆头盲堵引鞋，其中套管封隔器和裸眼封隔器均为液压封隔器，需投球；加压坐封。如图3。

图3 TH245CH井结构

    裸眼封隔器是为了封隔上部裸眼段，使压裂液仅作用于下部储层段；水力锚主要是起到锚定的作用，在酸压施工时保护裸眼封隔器与油管；筛管与圆头盲堵引鞋配合使用是为了接住打掉的球座，避免井下落物；套管封隔器的作用是在对环空进行加压开启环空压力控制阀时保护下部膨胀管。

    2.2 施工步骤
    1）为了后期顺利下入完井管柱，进行刮管、通井和模拟通井等井筒处理。
    2）拆井口、下入酸压完井管柱、装采油树。
    3）替浆、洗井、坐封封隔器、验封：连接好加压管线之后，对管柱进行正加压，逐级加压5.0、8.0、11.0、14.0、17.0、20.0MPa，各稳压3min后泄压至0，再次重复逐级正加压1次，仍各稳压3min后泄压至0，裸眼封隔器及套管封隔器完全坐封；之后环空加压15.0MPa，稳压15min无压降，验封合格，泄套压至5.0MPa；然后再正加压0～22.0MPa降至19MPa，表明坐封球座被击落，此时环空压力控制阀仍处于关闭状态。
    4）酸压施工：泵压17.4～93.1MPa，套压4.7～19.2MPa，排量0.5～5.9m3/min；共正注液体655m3，挤入地层总液量625m3；停泵20min测压降，泵压由17.4MPa降至17.0MPa，酸压施工过程中封隔器坐封良好，有效地保护了环空。
    5）测试、求产：见稠油以后进行地面测试流程，先正挤1个油管容积的掺稀油入井，将稠油挤回地层，之后环空加压打开控制阀：从环空依次加压3.8、32.0、18.0、3.8MPa，压力突降显示控制阀打开，之后即可进行掺稀生产。

    2.3 工况分析
    1）环空压力控制阀的内径为61mm，几乎与Φ73.0mm（英寸）油管内径（62mm）相同，实现了管柱大通径；最高泵压和最大排量分别为93.1MPa和5.9m3/min，有利于酸压施工。
    2）在封隔器坐封以后，验封时环空加压压力为15MPa，环空压力控制阀的阀孔开启压力为32MPa，压力相差较大，有利于现场操作，封隔器与控制阀压力设置互不干扰，均能正常工作。

    3 结论
    1）常规滑套内部存在明显的缩径机构，对酸压施工的泵压、排量等造成一定的限制，影响了储层改造的效果。

    2）环空压力控制阀采用环空加压的方式，节省了投球、候球入座等的时间，避免了因误投钢球造成的中途开启或球座多次加压后密封不严的问题，可以取代压井或掺稀滑套，用于塔河油田的压井或稠油掺稀作业。

    3）环空压力控制阀在TH245CH井的成功应用，表明控制阀性能可靠，能够满足塔河稠油井酸压和掺稀的作业要求。