0 引言

对于疏松或胶结较弱且需要防砂完井的地层，井筒液体的漏失现象非常普遍^[1-2]。同时，随着油田开采力度加强，地层亏空严重，压力下降^[3]，在后期修井作业过程中大量工作液进入储层，污染地层^[4-5]。在完井和修井作业期间，工作液漏失会造成储层伤害，延长返排时间，增加作业成本，导致产能恢复期长^[6]，影响油气井的产能和开发效果^[7-8]。

地层隔离阀可以避免工作液进入储层，是一种机械防污染工具^[9-10]。国内外石油服务公司均已研制出地层隔离工具，尤其是国外的斯伦贝谢、贝克休斯、哈里伯顿和威德福等公司早已具有成熟的工具。这4大公司的地层隔离工具主要分为球式地层隔离阀和简易板式地层隔离阀。球式地层隔离阀具有防漏和防喷的优点，但存在内通径小的问题，阀的开关机构易被误打开且需单独一趟钻下入，只能用于简易防砂油气井中。简易板式地层隔离阀虽然通径大，但阀板只能打开一次，不能重复打开，影响后续作业。鉴于此，中海油能源发展工程技术公司研制了一种内通径大、可重复打开的新型地层隔离阀。

1 技术分析 1.1 结构

地层隔离阀结构如图 1所示。新型地层隔离阀主要由开关机构、平衡机构和阀板机构等组成。开关机构主要由活塞、锁定爪和中间接头等组成。平衡机构主要由活塞、活塞套和外套等组成。阀板机构主要由压套和阀板总成等组成。

1.2 工作原理

地层隔离阀可放在顶部封隔器总成之下，作为完井管柱的一部分，随完井管柱一起下入，也可放在顶部封隔器之上，既可单独下入，也可随生产管柱一起下入。防砂、分采、冲砂和测试等管柱可以多次通过该工具，并且在应急情况下可以将阀板强行破坏，操作方便。该阀采用机械式开启，主要通过专用开关工具的开关爪与阀内部开关机构台阶的配合，来控制阀板机构的开关^[11]。

打开阀板过程：当开关工具推力达到开启力时，活塞、压套开始向下移动。压套顶至阀板边缘后，阀板开启，待阀板完全打开后，继续下压开关工具，开关工具开关爪与阀内部开关机构台阶脱手，开关工具顺利通过地层隔离阀。

关闭阀板过程：上提开关工具，活塞、压套开始向上移动，阀板关闭。继续上提管住，开关工具开关爪与阀内部开关机构台阶脱手。打开阀板时，若阀板上下存在压差或者阀板上部有沉砂堆积而导致阀板打不开时，可以通过平衡机构平衡压差或冲洗阀板上沉砂，再次打开阀板。

1.3 主要技术参数

最大外径211 mm，阀板打开后通径124.5 mm，适用套管ø244.5 mm(9 5/8in)，阀板破碎压力(16±1)MPa，适应温度0~180 ℃。

2 关键结构设计 2.1 开关机构

根据油气田作业需要，地层隔离阀应具有打开和关闭功能。开关机构设有4个力，分别为开启脱手力F₁、开启力F₂、关闭脱手力F₄和关闭力F₃，通过弹性爪和凸台相互作用实现。为保证地层隔离阀能顺利打开和关闭，设计基本原则满足F₁＞F₂、F₄＞F₃。此外，4个载荷还需满足其他设计要求，如图 2所示。

2.1.1 最大F₁设计原则

开启脱手力为开关工具在下压状态下，通过地层隔离阀过程中受到的最大载荷。考虑到出砂严重或者漏失严重的油气井在后期检泵再生产时，阀板上端面被地层砂埋没或者阀板上下压差过大，导致阀板难以打开，在开启脱手力F₁作用下，压套作用于阀板的两个阀耳上，故最大开启脱手力F₁必须小于两个阀耳的剪切强度，这样可保证开关工具脱手而避免阀板的阀耳受到破坏。

2.1.2 最小F₂设计原则

地层隔离阀通过其内层部分和外层部分的相互轴向滑动来实现阀板的打开和关闭。开启力可保证下钻过程中地层隔离阀内、外部分锁定，因此需考虑最小开启力。在最快速度下下钻，若司钻突然在极短时间内刹车，由于惯性作用，内层部分受到向下的冲击载荷。由动量定理F_t=mv可知，由惯性引起的冲击载荷与司钻反应时间、下钻速度相关。在这个冲击载荷作用下，地层隔离阀内层部分与外层部分相互滑动，造成阀板被误打开，影响后续作业。故最小开启力F₂大于冲击载荷F才能保证下钻安全。

2.1.3 最大F₄设计原则

作业完毕后，上提管柱，开关工具脱离地层隔离阀，产生向上的最大载荷即为关闭脱手力F₄。若地层隔离阀安装在顶部封隔器以下，由于顶部封隔器已经坐封于套管中，故最大F₄可以不考虑。若地层隔离阀安装在顶部封隔器之上，地层隔离阀通过锚定插入密封插入顶部封隔器中，则应考虑最大F₄。F₄必须小于锚定插入密封插入顶部封隔器的锚定力，这样才能避免开关工具脱手时关闭脱手力太大，将锚定插入密封拔出顶部封隔器。

2.2 平衡机构

漏失严重的油气井阀板关闭后会在其上下两个端面形成压差，导致阀板的上端面存在一定的压差载荷。压差载荷与阀的下入深度和漏失量有关，下入深度越深，漏失量越大，则压差载荷越大，导致阀板打不开。在开关工具的作用下，压套压住阀板的阀耳，此时两个平衡孔连通，形成新的流道，使阀上部液体经流道绕过阀板，进入阀板以下空间，平衡阀板上下压差。继续下压开关工具，阀板正常打开。图 3为平衡机构示意图。

2.3 阀板机构

当压套下压阀耳、使阀板向上打开时，需考虑以下几个因素：阀耳中销轴只能让阀板绕其旋转，而不能承受任何载荷；当阀板完全打开时，由于空间的限制，位于阀板打开一侧的压套需为不完整的圆筒，且需考虑失稳问题。在阀板上部有较大压差或者上部有沉砂时，需考虑阀耳的强度，否则阀耳易断裂，导致阀板完全失效。当阀板完全失效后，为了后续作业，阀芯应能通过液体压力或者机械撞击实现破碎。图 4为阀板机构示意图。

2.4 开关机构仿真分析

开关机构采用弹性爪机构，该机构在海上完井工具中应用广泛，且有相关的理论模型^[11]。弹性爪机构可简化为一端固定另一端简支的梁结构，利用有限元法分析弹性爪的强度以及F₁和F₂的轴向力。利用Solidworks软件建立开关爪与导向套、锁定爪与外套的三维模型，分别如图 5和图 6所示。

开关爪和锁定爪均采用40CrMnMo材料，弹性模量206 GPa，泊松比0.3，屈服强度780 MPa。两种模型均为圆周对称，截取部分作为单片弹性爪结构导入ANSYS软件中，转化为三维有限元模型。导向套外表面和外套外表面采取固定约束，开关爪和锁定爪上端部施加轴向位移约束，两爪下端的内面施加径向约束，接触选择在开关爪的凸台和导向套的内面、锁定爪的凸台和外套的内面，均建立面面接触，摩擦因数均设为0.1，网格采用六面体单元划分。开关爪和锁定爪应力分布云图分别如图 7和图 8所示。

从图 7和图 8可见，锁定爪和开关爪的最大等效应力均发生在爪根部位置，其值分别为149.420 MPa和61.297 MPa，均满足强度要求。通过位移，提取对应的轴向推力。单片开关爪通过导向套所需的最大轴向推力为4 273 N，整个开关爪的总推力F₁为34 184 N。单片锁定爪通过外套所需的最大轴向推力为3 732 N，整个锁定爪的总推力F₂为29 860 N。

3 试验验证 3.1 室内试验

室内试验包括开关试验和阀芯破裂试验。两种试验均在定制的井下工具拉拔试验机和试压泵上进行。开关试验主要步骤：①将地层隔离阀放置于载荷试验机的一端夹紧；②依据开关工具通过板阀的动作位置，开关工具上端连接ø73.0 mm(in)油管配长，油管另一端固定于拉拔试验机的移动端；③通过试验机上的液压杆操作开关工具进行多次轴向往复运动，并通过数据采集系统获取实时的轴向载荷。阀芯破裂试验主要步骤：①将地层隔离阀组装完成后，放置于试压箱；②工具上端连接加压管线；③操控试压台缓慢、分阶段加压至阀芯破裂的设计值，采集实时加压曲线。开关试验载荷如表 1所示，阀芯破裂压力为17 MPa。分析开关试验数据可知，理论计算值比试验值大。笔者认为材料的热处理是主要原因，但理论分析的轴向载荷变化趋势与试验结果一致。

3.2 现场试验

新型地层隔离阀于2017年在渤海KL11-1B27井进行现场试验。该井最大井斜20.62°，斜深2 952 m，为定向生产井。油井较深，产量较高，且存在较大漏失。

为了确保检泵修井作业期间地层不被污染，在油层段以上防砂管柱中下入地层隔离阀。该井采用ø244.5 mm(in)套管射孔，ø177.8 mm优质筛管防砂完井，地层隔离阀连接在顶部封隔器之下。下入时阀板处于打开状态，工具随防砂管柱下入到位，坐封封隔器，防砂作业完成后上提管柱，过提70 kN，关闭地层隔离阀，阀板关闭后稳压正常，漏失量为0；再次下放下压管柱准备打开阀板，开关工具带动压套到达平衡位置时，服务管柱遇阻40 kN，说明阀板上下存在较大压差，在此位置停留30 min后，管柱上提3 m，缓慢下放开关工具，下压30 kN，阀被正常打开，上提管柱，过提70 kN，关闭阀板，防止完井液污染地层，继续将服务管柱起出井口。

在防砂作业过程可通过开关工具多次开关防漏失阀，说明新型地层隔离阀既实现了板阀开关功能的重复利用，又可在作业过程中保护油藏。

4 结论

(1) 新型地层隔离阀采用机械式开启，主要通过专用开关工具的开关爪与阀内部开关机构台阶的配合，来控制阀板机构的开关；其特有的压力平衡机构能够保证在较大压差下打开阀板，可靠性高，同时开关操作方便。

(2) 模拟计算开关爪和锁定爪最大轴向载荷分别为34.184和29.860 kN，最大应力分别为61.297和149.420 MPa，结构强度满足要求。

(3) 试验结果表明，该地层隔离阀开关性能稳定可靠，阀芯破裂压力为17 MPa。新型地层隔离阀为海上油田储层保护提供了工具支持，适用于不同的防砂作业，具有广阔的推广应用前景。