可測壓力與閥位的井筒壓力控制閥設(shè)計

陳思路

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.長城鉆探工程技術(shù)研究院，遼寧 盤錦 124010）①

全過程欠平衡是指在不壓井的條件下實現(xiàn)欠平衡鉆進(jìn)和過井口密封裝置帶壓起下鉆具、電測儀器、完井管具等［1－2］。隨著欠平衡鉆井技術(shù)在國內(nèi)油田的推廣應(yīng)用，要實現(xiàn)更進(jìn)一步的油氣儲層保護(hù)需要應(yīng)用全過程欠平衡技術(shù)。目前，實現(xiàn)全過程欠平衡的技術(shù)手段主要有不壓井強行起下鉆技術(shù)、井筒壓力控制閥技術(shù)和凍膠閥技術(shù)3種，并且在國內(nèi)均有應(yīng)用。不壓井強行起下鉆技術(shù)由于操作工藝復(fù)雜、耗時，推廣的程度不高；凍膠閥技術(shù)受儲層流體性質(zhì)影響較大，不適用于較高壓力和含氣油藏，應(yīng)用也受到限制。井筒壓力控制閥技術(shù)可滿足各類油藏全過程欠平衡鉆井要求，且操作工藝簡單，可靠性高，而成為全過程欠平衡的主流技術(shù)。

1 井筒壓力控制閥操作特點

在進(jìn)行全過程欠平衡鉆井作業(yè)時，不采用壓井措施，欠平衡狀態(tài)下的井底負(fù)壓差會作用在鉆柱底部平面上，形成一個上頂力，在起鉆后期或下人管柱的初期，由于管柱自重較小，上頂力大于管柱自重時，管柱就會噴出或無法下人。井筒壓力控制閥整體連接于技術(shù)套管串中入井，在起下鉆過程中鉆柱起到控制閥以上時可以關(guān)閉，它安放在井下發(fā)生“管輕”的深度，通過地面液壓控制管線控制關(guān)閉。在管重狀況下，通過旋轉(zhuǎn)控制頭或旋轉(zhuǎn)防噴器膠芯密封井口，可以將管柱起出來，這種作業(yè)方式稱為過膠芯起下鉆［3－5］。在管輕狀況下，應(yīng)用井筒壓力控制閥（如圖1所示），通過閥板控制到如圖2所示位置可以將井筒分為上、下2個部分，從而實現(xiàn)對井筒壓力的隔離，消除井底壓力對鉆柱的上頂力，保證管輕狀態(tài)下起鉆的安全。

圖1 井筒壓力控制閥打開狀態(tài)

圖2 井筒壓力控制閥關(guān)閉狀態(tài)

控制原理分為2個過程，起鉆前井筒連通，控制閥狀態(tài)如圖1所示，當(dāng)鉆柱起到控制閥以上，通過地面與地下的液壓管線向液壓腔a加壓，推動圖1狀態(tài)下的活塞筒上行，活塞筒不再對閥板形成推靠，在彈簧的作用下，閥板旋轉(zhuǎn)到如圖2所示位置，形成對井筒壓力的隔離，使管輕狀態(tài)下鉆柱安全起出。下鉆過程，當(dāng)鉆柱下至控制閥以上，關(guān)閉旋轉(zhuǎn)防噴設(shè)備，開泵對閥板施加平衡壓力，通過地面與地下的液壓管線向液壓腔b加壓，推動圖2狀態(tài)下的活塞筒下行，推靠閥板克服彈簧的彈力，到達(dá)如圖1所示狀態(tài)，鉆柱可以在自身重力作用下安全下鉆。

目前應(yīng)用的井筒壓力控制閥對于安全操作還存在2個問題：①在井筒壓力隔離后，對于閥板下的壓力變化情況無法判斷，在圈閉壓力等因素的影響下，不能確定平衡壓力的大小；②閥板能否全開到位只能根據(jù)進(jìn)出油量進(jìn)行判斷，如果閥板沒開到位，下放的鉆柱會對閥板造成損害，控制閥將失效。針對這2個影響安全操作的問題，設(shè)計了可測閥板下壓力和閥板開位的結(jié)構(gòu)，提高了操作的安全性。

2 可測壓力和閥位的控制閥結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

閥板參數(shù)測量系統(tǒng)主要包括閥板下壓力測量和閥板開關(guān)位置的測量。

該系統(tǒng)分4個部分：井下數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)、井下信號處理傳輸系統(tǒng)、地面轉(zhuǎn)換接口系統(tǒng)、通用計算機工作系統(tǒng)軟件。流程如圖3所示。

圖3 測量系統(tǒng)工作流程

1）地面接口箱的作用是將市電轉(zhuǎn)換成直流電源通過電纜供給井下，同時將井下傳上來的信號進(jìn)行處理后送給計算機處理。

現(xiàn)場提供條件：①電源為交流50Hz，電壓380 V；②井下至地面單芯電纜長1 000m，電纜規(guī)格為5mm，電纜直流電阻18Ω／km，電纜電容190 pF／m；③接口箱應(yīng)提供電源插頭帶線3m，井口至值班房雙芯信號電纜長40m（帶收放線盤），接口箱至通用計算機通訊電纜長1.5m。

2）井下測量與信號傳輸系統(tǒng)的作用是將地面送到井下的電源轉(zhuǎn)換成工作電源，采樣位移開關(guān)傳感器和壓力傳感器信號，通過一系列信號處理后，將綜合信號經(jīng)調(diào)制并通過電纜發(fā)送到地面。

系統(tǒng)提供傳感器參數(shù)：①位移開關(guān)傳感器結(jié)構(gòu)部分和位移開關(guān)傳感器敏感頭及外圍測量電路；②壓力傳感器量程為0～35MPa，壓力傳感器輸入電壓為9～30VDC，壓力傳感器輸出為0～5VDC；③使用環(huán)境溫度－20℃～120℃，振動頻率3Hz，振幅3mm。

3）測量系統(tǒng)工作軟件適合Windows XP操作系統(tǒng)，獨立界面，具有如下功能：①軟件界面顯示壓力測量曲線，即橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為壓力值；②軟件界面顯示當(dāng)前壓力測量的數(shù)值和開關(guān)信號變化域值；③軟件界面顯示的數(shù)據(jù)更新時間為1s；④開關(guān)信號域值和壓力測量的數(shù)值均設(shè)置文件存儲，并可打印和重顯。

2.2 位置設(shè)計

偏心筒外部局部俯視圖如圖4所示。單芯電纜由地面隨同液壓傳輸管線下入至井筒壓力控制閥位置，序號2處為1個電纜接線柱，單芯電纜與其相連，在井口用1根同樣的電纜與套管頭相連，從而形成回路，實現(xiàn)對井下數(shù)據(jù)的采集。電路板腔室加工于偏心外筒一側(cè)，置于電路板上的信號處理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至電纜接線柱連接，電路板中信號處理系統(tǒng)的信號來源于與下部連接的傳感器。

圖4 偏心筒外部局部俯視圖

2.3 閥板壓力測量裝置

壓力測量裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示，壓力傳感器敏感應(yīng)變膜將壓力感應(yīng)傳至電路器件轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過信號線傳至圖4中電路板腔室中，再通過電纜傳輸至地面處理器，再用計算機軟件將傳至地面的壓力數(shù)據(jù)顯示在軟件界面上，從而實現(xiàn)對閥板下壓力的測量。

圖5 壓力測量裝置結(jié)構(gòu)

2.4 閥板開位指示裝置

閥板開位指示裝置如圖6所示，圓柱形永磁鐵通過螺釘與彈性鋼片連接在一起，彈性鋼片上端與無磁材料抗壓骨架固定，正對永磁體上方安裝1個傳感器，當(dāng)閥板打開到位后會推動彈性鋼片從如圖6所示T0－T1狀態(tài)變化到如圖7所示T1－T2狀態(tài)，由于永磁鐵隨彈性鋼片的移動，會使傳感器感應(yīng)到磁性的變化，從而產(chǎn)生信號，傳感器產(chǎn)生的信號通過信號線傳至圖4中電路板腔室中，會導(dǎo)致地面輸入電壓變化，轉(zhuǎn)換信號后，通過電纜將如圖8所示電壓變化值傳輸至地面處理器，再用計算機軟件接收并顯示在操作界面上，從而直觀地判斷閥板的開關(guān)位置。

圖6 閥板開位指示裝置T0－T1狀態(tài)

圖7 閥板開位指示裝置T1－T2狀態(tài)

圖8 T0－T1和T1－T2位置對應(yīng)電壓值

3 室內(nèi)試驗

在完成樣機加工后，分別進(jìn)行了閥板下壓力監(jiān)測和閥板開位指示2項功能室內(nèi)試驗。試驗過程為：當(dāng)閥板處于如圖2所示關(guān)閉位置時，從閥板下通過試壓泵加壓，2個測量裝置分別測得所加壓力以及閥板處于關(guān)閉位置，在計算機軟件系統(tǒng)中顯示出測得的即時壓力值和壓力變化曲線，以及閥板關(guān)位的模擬圖。

當(dāng)閥板處于如圖1所示打開位置時，控制閥內(nèi)部未加壓，壓力測量裝置顯示壓力為零，閥位指示測得閥板處于開位，并在計算機軟件系統(tǒng)中顯示閥板開位的模擬圖。

4 結(jié)論

設(shè)計的井筒壓力控制閥在閥座上安裝壓力傳感器和閥位指示裝置。室內(nèi)試驗結(jié)果表明：所設(shè)計測量裝置可以對欠平衡狀態(tài)下起下鉆過程中閥板下的壓力變化趨勢和閥板開位進(jìn)行監(jiān)測，防止含氣油藏氣體置換導(dǎo)致的圈閉壓力對井筒控制安全的影響，而且所測壓力值可以更精確地反映打開套管閥時施加的平衡壓力。在下鉆過程，對閥板開位的指示可以確定閥板是否完全處于開位，防止鉆頭對閥板的刮碰，避免損壞控制閥，提高操作安全性。

［1］王 輝，李俊儒，李 濱，等.欠平衡鉆井井下套管閥的研制［J］.斷塊油氣田，2006，13（4）：52－54.

［2］李 斌，沈雪峰.全過程欠平衡鉆井井下套管閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)及優(yōu)化［J］.石油礦場機械，2010，39（9）：33－37.

［3］陳永明.全過程欠平衡鉆井中的不壓井作業(yè)［J］.石油鉆探技術(shù)，2006，34（2）：22－25.

［4］常玉連，魏 靜，高 勝，等.獨立式不壓井作業(yè)裝備技術(shù)發(fā)展［J］.石油礦場機械，2011，40（4）：12－16.

［5］Steve Herbal，Rod Grant，Brian Grayson，et al.Downhole Deployment Valve Addresses Problems Associated with Tripping Drill Pipe During Underbalanced Drilling Operations［R］.IADC／SPE Asia Pacific Drilling Technology，Jakarta，Indonesia，2002.