1、节流器的改进与应用摘 要：本文针对老式节流器存在的技术缺陷，从中心管、连接丝扣、压缩弹簧等方面进行了创新设计、研制，解决了老式节流器在验井口时因节流开启压力低、中心管耐压等级低导致封隔器不易座封及高压下节流器打掉落井等诸多问题。 关键词：节流器 中心管 弹簧 一、概述 为确保现场施工安全，油田在进行压裂、酸化、挤灰等重大措施前都需要更换专用井口并对套管短节、井口采油树试压合格。目前验井口主要使用节流器+Y341 封隔器+丝堵管柱，其中，节流器是确保封隔器坐封和泄流的重要工具，井口验漏原理示意图如图 1 所示。经统计，2010年以来，胡庆油田累计出现验井口施工时封隔器不易坐封和节流器打掉落井 8
2、 井次，不仅造成了不少经济损失，同时还耽误了正常作业进度。通过对老式节流器存在的技术缺陷进行分析，从中心管耐压强度、压缩弹簧等方面进行了改进，解决了老式验井口节流器中心管耐压等级低、节流开启压力低导致不易封隔器座封等诸多难题。 二、老式节流器结构及原理 1.老式节流器结构 老式节流器主要由上接头、调节环、垫环、压簧、中心管、 “O”型胶圈、凡尔、水嘴、芯子、凡尔座接头组成。 1-上接头；2-调节环；3-垫环；4-压簧；5-中心管；6、7-“O”型胶圈；8-凡尔；9-水嘴；10-芯子；11-凡尔座接头 图 2 老式验井口节流器结构 2.工作原理 验井口节流器工作原理：通常与水力压缩式封隔器或扩张
3、式封隔器配套使用，当油管加液压时，首先封隔器坐封，继续加压，液压经过水嘴作用在凡尔上，凡尔压缩弹簧，并离开凡尔座，凡尔开启，注入水经油、套环形空间注入地层。调节环的作用是用来调节弹簧的松紧，控制凡尔的开启压力。 3.老式节流器存在的问题 3.1 弹簧是易损件，长时间工作，易疲劳、腐蚀断裂而失效； 3.2 中心管管壁太薄，承压等级过低，也易疲劳、腐蚀断裂而失效； 3.3 凡尔开启压力过低，导致封隔器还没座封就开启凡尔； 三、节流器的改进 1.中心管的改进 中心管的改进主要是针对厚度的改进，原中心管管壁较薄，抗拉强度、耐压等级都较低，容易出现破裂等现象，从而造成验井口作业返工、安全隐患等诸多问题。
4、 图 3 中心管改进前后壁厚对比 由强度计算公式： D-中心管外径； P-中心管内壁压强； l-中心管拉应力； -中心管壁厚； 由材料力学第一强度公式得： l 因此， 故，在中心管破裂之前即达到临界应力，随着中心管外径与壁厚之比的减少，中 心管所能承受的压强越大。 这样一来，通过的减少， 可以较好的解决油管承压问题，减少验井口作业返工现象。 通过对新、老中心管打压 35MPa， 和 在相同压力下，明显新中心管的拉应力大大降低，反之亦可推出中心管在到达临界应力时，新中心管能承受的压力更大。 2.中心管丝扣的改进 图 4 中心管改进前后丝扣对比 中心管与上下接头是通过丝扣连接来保证的，丝扣连接质量
5、的好坏，直接影响到节流器的使用效果。 在正常工作状态下，通过丝扣将中心管与接箍拧接在一起。拧紧以后，由于内、外螺纹之间的过盈， 螺纹的承载面与导向面上将分别受到力 FL 和 FS 的作用，见图 5。当接头受到轴向拉伸载荷后，导向面上的力FS 减小， 承载面上的力 FL 增大。同时， 力 FS 和 FL 也会由于泊松效应而略微减小。当拉伸载荷继续增大时， 内、外螺纹的导向面逐渐分离，力 Fs 变为零， 仅承载面受力。当拉伸载荷增大到一定程度后， 逐步可以克服内、外螺纹承载面之间的摩擦力， 这时承载面之间就会发生相对滑动，进而发生滑脱失效。 接头的上扣扭矩越大，螺纹的啮合长度就越长，在拉伸载荷作用
6、下，分担载荷的螺纹也就越多， 接头就越不容易发生滑脱。增大上扣扭矩对连接强度的影响， 主要是通过增大导向面与承载面上的接触压力和摩擦力来实现的。 此次中心管丝扣的改进，增加了丝扣的扣纹数和丝扣的倾斜角，也就是增加了导向面与承载面上的接触压力和摩擦力，从而增加了丝扣的连接强度。 3.弹簧的改进 节流器使用的弹簧是密圈螺旋弹簧，螺旋弹簧簧丝的轴线是一空间螺旋线（如图 6a） ，其应力和变形的精确分析比较复杂，但由于其螺旋角 很小，便可忽略不计 的影响，认为弹簧簧丝横截面与弹簧轴线（亦即与 F 力）在同一平面内，同时，其簧丝横截面的直径 d 远小于弹簧圈的平均直径 D，还可不计簧丝曲率的影响，近似地
7、使用直杆公式。 图 5 以簧丝横截面将弹簧分成两部分，截面以上部分如图 6（b）所示。如上所述，可认为 F 与簧丝横截面在同一平面内。为保持截出部分的平衡，要求横截面上有一个与横截面相切的内力系。这个内力系简化成一个通过截面形心的力 Fs（即剪力）和一个矩为 T 的力偶（即扭矩） 。由平衡方程 ， 与剪力 Fs 对应的切应力 ，可认为均匀分布于横截面上，即 与扭矩 T 对应的切应力 ，用圆截面直杆扭转公式计算 和 的分布状况已分别表示于图 6（c）和（d）中。在横截面的任意点上，总的切应力是剪切和扭转两种应力的矢量和。在靠近轴线的内侧点 A，切应力为最大值，且 在弹簧不被破坏的情况下，即 一定
8、的情况下，D 不变，随着弹簧簧丝宽度 d 的增加，弹簧所承受的载荷随之增加。 此次，弹簧的改进为将弹簧簧丝的宽度 18.3mm 改进为 22.1mm，而弹簧圈的平均直径不变。在弹簧不被破坏的情况下，弹簧圈的平均直径不变，随着弹簧簧丝宽度的增加，弹簧所承受的载荷随之增加。故经过改进后，新节流器的开启压力由原来的 4-5MPa 增加到现在的 9-12MPa。而验井口封隔器的座封压力一般为 8MPa 左右，这就能保证在封隔器座封的前提下验证井口是否渗漏，减少因封隔器问题导致的验井口失败，更好的保证验井口的有效性、高效性。 4.技术参数 适用套管内径：5 1/2；7 4.1 中心管：外径 66mm/内
9、径 46mm 4.2 钢体最大外径：112mm 4.3 总长度：542mm 4.4 开启压力：6-12MPa 4.5 工作温度：120 oC 4.6 连接方式：丝扣连接 四、应用与推广 1.实验情况 1.1 时间、地点：新型验井口节流器于 2013 年 10 月 15 日在中原油田采油五厂工泵队大院试验。 1.2 使用工具：变扣、加厚短节各一根，试压泵一台、压力表一块。 实验情况： 当新型验井口节流器压力打到 10MPa 的时候，凡尔压缩弹簧，使其离开凡尔座，凡尔开启，注入水经孔道轨迹流出节流器。 2.应用情况 自新型验井口节流器于 2013 年 11 月 2 日在 47 号站 H5-208 井试验以来，累计共计应用 15 口井。每一口井均是差不多当压力打到 10MPa 的时候，套管出口开始返水，关住套管阀门后，继续打压至 35MPa，井口仍不刺不漏，且停泵 10min 后，水泥车压力表的压力波动在 0.5MPa 以内。有效率 100%。 五、结论 1.新型节流器可有效实现井口验漏，其接近 10MPa 左右的开启压力可以确定封隔器的顺利座封，保证了井口验漏的正常进行。 2. 新型验井口节流器设计合理，增加了中心管及压簧等配件的强度，减少了各配件的损坏，而且便于维修，使用期更长。
