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浅谈全过程欠平衡作业用井下控制阀研制

目前欠平衡钻井技术以其有效保护油气储层、提高钻速、克服钻井液漏失、避免压差卡钻等显著优点已经被广泛应用于当今世界石油天然气开发工程中。随着对欠平衡技术的研究和应用逐步深入,油田现场近几年开始逐步引入全过程欠平衡作业的概念,即,为了更好地保护油气储层和提高产能,井筒在整个作业过程中始终保持负压差状态,包括钻井、起下钻、测井、修井、起下各类管柱和井下工具等。

为满足全过程欠平衡作业的需求,近年来已开始推广应用欠平衡井下隔离技术,其核心工具是安装在套管上带有阀板的套管隔离阀,通常位于钻具失重点以下的位置。在正常钻进时,套管阀处于开启状态;在起钻过程中,当钻头起至套管阀以上时关闭套管阀并泄掉阀以上的套压后,就可按常规的起钻速度从井内提出钻具,而不需要使用强行起下钻装置;在下钻时,将钻具下至套管阀以上时,开启套管阀,然后下入钻具至井底,继续钻进作业。与传统的强行起下钻技术相比,井下隔离技术具有缩短了起下钻时间、简化现场作业工艺、可通过各种类型的井下工具等显著的优点。

1 国外技术现状

目前,井下隔离套管阀按照操作筒制动开关方式可分为液压控制操纵和作业管柱操纵2类。液压控制操纵套管阀采用地面控制井下安全阀的成熟技术,通过液压油缸操纵阀板开关;作业管柱操纵套管阀完全借助机械方式,通过钻杆、尾管等作业管串在阀内上下推动滑套来实现套管阀的开闭。

液压控制操纵套管阀以美国Weatherford公司的Downhole Deployment Valve(DDV)为典型代表,有1778mm(7英寸)和2445mm(9英寸)2种规格,密封压力可以达到35MPa。截止到2007年底,Weatherford公司已成功在现场应用DDV超过100口井,其中在中国新疆、胜利油田作业多口井,取得了很好的效果。作业管柱操纵套管阀以美国Halliburton公司的Quick Trip Valve(QTV)为代表,该技术既可用于套管,也可用于油管。QTV密封压力为21MPa,低于DDV。从现场应用效果来看,液压控制操纵套管阀得到了更广泛的认可,发展前景看好。Weatherford公司的DDV占据着当今全世界欠平衡井下隔离技术服务市场的大部分份额。

2 井下控制阀的设计与优化

为打破国外技术垄断,中国石油勘探开发研究院采油采气装备研究所经过多年攻关,研制出具有自主知识产权的欠平衡作业用井下隔离服务系统。该系统的核心工具是177.8mm(7英寸)井下控制阀(Downhole Control Valve,简称DCV),采用液压控制操纵方式。

2.1 技术要求

根据井下控制阀在高温高压、带有固相污染颗粒的钻井液环境中工作的特殊性,提出了基本的技术要求。

a)井下控制阀密封性能

主要体现在初始密封性能和在井筒流体压力助封条件下阀芯密封元件的密封性能2个方面。初始密封性能是指不借助外部压力而依靠自身机械结构封住井筒流体的能力;压力助封性能如果达不到要求,在阀板位置就会引起泄漏,密封元件则很快被钻井液中的固相颗粒破坏。

b)阀板两侧压力监测功能

该功能是保证欠平衡钻井作业安全所必需的。例如,在国内四川的邛西气田,井底流动压力一般在32MPa左右,这对阀芯密封元件和阀板的开关操作等都是严峻的考验。如果井下控制阀具备阀板两侧压力监测功能,就可以实时掌握阀板上、下压力的变化,减小安全
风险。

c)通过性

包括井下控制阀随技术套管下入井内的通过性和其他作业管柱通过井下控制阀的性能。由于壁厚尺寸、强度等指标的限制,在有限的设计空间内,通过性对井下控制阀的设计提出了更高的要求。

2.2 设计及解决方案

根据国内原材料与机加工工艺的特点,提出了合理的设计方案。

a)复合密封结构

为保证井下控制阀有足够的高压密封和低压初始密封能力,设计了金属密封和弹性橡胶密封的复合密封结构。这种结构既可以有效密封高压,又具有橡胶软密封的低压密封性能好的优点。

具有复合密封结构的井下控制阀阀芯主要由可开关阀板、阀座、复位扭簧、扭簧支座和密封元件组成。结构如图1。


图1 井下控制阀阀芯结构

密封结构的合理性和性能取决于多个关键因素。首先,在保证强度的前提下,应尽可能减轻阀板的质量,阀板越轻,扭簧需克服的扭矩就越小,有利于提高密封能力和扭簧可靠性;其次,弹性密封圈提供良好密封的前提是要保证密封圈在各个方向上的变形量是均匀的,而承受井下高压流体冲击的阀板在径向的变形量也应该是一致的。因此需要合理设计阀板的形状。

借助于有限元分析(FEA),对阀板曲面进行了优化设计,边界条件为35MPa。在CAE系统中输入不同的参数组合,经过迭代求解,得出不同的应力、应变值,并找出最优设计参数组合。在阀板形状和压力角达到某一值时,分析结果直观地显示出阀板应变分布构成的近似同心圆(如图2),可以看出,阀板和阀座的接触应力最小,阀板在各个方向上的变形处于均匀状态,这对于提高密封件的寿命具有重要意义。通过优化设计,阀板的质量达到了最小化。

图2 阀板和阀座的应力和应变分布

b)压力监测系统

采用井下专用双压力传感器,配有UPS供电系统,可在紧急情况下保证系统正常工作,具体指标如表1。2只传感器的探头分别安装在连通阀板两侧的孔道内,监测阀板两侧的上、下压力变化。该监测系统具有测量精度高、可动态调整和自动补偿的优点。压力监测系统如图3。

a 压力传感器

b 地面采集装置

图3 井下控制阀压力监测系统

表1 井下控制阀压力监测系统主要参数

c)井下控制阀壳体

为保证DCV和井下工具的通过性,需合理设计阀的等效外径和内径。等效外径是指管线保护辅具与井下控制阀装配之后投影在与轴线垂直的平面上的等效轮廓直径,DCV与上层套管之间应留有足够的间隙,以保证固井作业顺利进行;内径应与连接的套管公称尺寸相同,以保证整个套管串的通径,在设计中不能因为强度要求而增加壁厚缩小阀内径,这样会使阀的内表面与井下工具撞击的可能性大大提高,严重时可导致阀报废。设计的DCV等效外径控制在214mm以内,内径>154mm。井下控制阀样机如图4。

2.3 参数指标(如表2)

图4 井下控制阀

DCV各项指标经地面台架试验,达到了设计要求。

表2 井下控制阀参数指标

3 结论及建议

在DCV阀板密封性、压力监测、阀板阀座结构优化设计等关键技术环节取得突破的同时,研究过程还暴露出一些不足,需做进一步改进。

1)改进加工工艺性。在2445mm(9英寸)DCV的开发中,将原来阀体的分体式结构改为整体式结构。

2)改进判断阀板工作状态的方法。在通过压力监测判断DCV阀板开关位置的基础上,开发通过计算液压控制管线液压油排替量来判断阀板工作状态的方法,以方便现场作业人员可以根据现场实际情况运用2种方法对DCV进行操作。

3)提高DCV的材料等级。与相关钢铁企业合作开发井下控制阀专用油井管材料,其性能应与国外同类材料相当。