遼河潛山欠平衡鉆井井下壓力控制閥的研究

王西貴

遼河潛山欠平衡鉆井井下壓力控制閥的研究

王西貴

（中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，遼寧 盤(pán)錦 124010）

欠平衡鉆井技術(shù)作為成熟的鉆井技術(shù)廣泛地應(yīng)用于鉆井過(guò)程中，與其相關(guān)的配套裝置及工藝也隨著欠平衡鉆井技術(shù)不斷進(jìn)步，井下壓力控制閥作為欠平衡鉆井井筒壓力輔助控制裝置，被越來(lái)越廣泛的研究和使用，但是目前僅憑經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算推測(cè)井下壓力控制閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及封閉的井筒壓力，與實(shí)際情況產(chǎn)生較大誤差，已經(jīng)不能夠完全滿足欠平衡鉆井對(duì)鉆井安全的需要。本文中涉及的霍爾電磁感應(yīng)式井下壓力控制閥很好地解決了上述問(wèn)題，并對(duì)井下壓力控制閥的連接螺紋、連接筒等易受力變形的薄弱易損部位進(jìn)行了力學(xué)計(jì)算和受力分析，簡(jiǎn)要介紹了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)使用情況，最后就井下壓力控制閥的研究和現(xiàn)場(chǎng)使用情況做出總結(jié)。

欠平衡；井下壓力控制閥；電磁感應(yīng)；鉆井安全

欠平衡鉆井技術(shù)被譽(yù)為21世紀(jì)石油鉆井工業(yè)急需的技術(shù)。使用欠平衡鉆井技術(shù)能夠有效地減少和防止在鉆井工程中泥漿對(duì)地層的污染有效的保護(hù)的地層，有利于增加油井產(chǎn)量和開(kāi)采周期，提高鉆頭的使用壽命和提高鉆井的機(jī)械鉆速，減少井下復(fù)雜情況的發(fā)生，降低鉆井成本，提高經(jīng)濟(jì)效益[1]。因此國(guó)內(nèi)開(kāi)始大規(guī)模的推廣欠平衡鉆井裝備及相關(guān)技術(shù)以此來(lái)提高油氣產(chǎn)量和降低鉆井成本，隨著欠平衡鉆井技術(shù)日趨完善和成熟，國(guó)內(nèi)外各大石油公司已經(jīng)不僅僅滿足于鉆井過(guò)程的欠平衡，而是要實(shí)現(xiàn)鉆井全過(guò)程的欠平衡[2]。

井下壓力控制閥作為欠平衡鉆井中的一個(gè)部件，正在被越來(lái)越廣泛的研究和使用，井下壓力控制閥能夠取消強(qiáng)行起下鉆作業(yè)過(guò)程中起下鉆柱過(guò)程中鉆井液壓井導(dǎo)致的地層侵害。國(guó)外幾家大的石油技術(shù)服務(wù)公司在原有特色技術(shù)的基礎(chǔ)上分別研發(fā)了具有本公司特色的井下壓力控制閥，其中，威德福公司的Downhole Deployment Valve率先研制成功,并于2001年投入商業(yè)化使用。哈里伯頓和貝克休斯公司也先后研制出了類似產(chǎn)品并投入商業(yè)化應(yīng)用[3]。目前國(guó)內(nèi)該項(xiàng)技術(shù)也日趨成熟，中石油長(zhǎng)城鉆探、中石油西部鉆探、中石油勘探開(kāi)發(fā)研究院、中石化勝利油田分別研制出各自的樣機(jī)并已投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1　井下壓力控制閥井下總成方案設(shè)計(jì)

為了適合遼河油區(qū)特殊的10-3/4″表層+ 7″技套井身結(jié)構(gòu)及分支井等鉆完井工藝，長(zhǎng)城鉆探工程有限公司在原有的采油及鉆井技術(shù)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了研制全尺寸7″井下壓力控制閥。并且針對(duì)常規(guī)的 5/8″表層+ 7″技套井身結(jié)構(gòu)研制了欠尺寸7″井下壓力控制閥。

井下壓力控制閥井下總成主體設(shè)計(jì)原理是井下壓力控制閥研制的關(guān)鍵步驟，井下壓力控制閥井下總成如圖1所示，其組成結(jié)構(gòu)為：

圖1 　井下壓力控制閥基本結(jié)構(gòu)圖

井下壓力控制閥延續(xù)了國(guó)外幾家大公司井下壓力控制閥的基本結(jié)構(gòu)，其井下總成由支撐總成、活動(dòng)總成、動(dòng)力總成和測(cè)量總成等4個(gè)主要部分組成。在偏心筒本體上加工有注油孔絲堵深孔，地面控制液壓管線通過(guò)連接活塞與偏心筒之間形成的液壓腔室，實(shí)現(xiàn)閥板的開(kāi)啟和關(guān)閉。壓力測(cè)量和位置測(cè)量傳感器安裝于閥板處，通過(guò)連接線將測(cè)得的測(cè)量閥板下部空間壓力和位置參數(shù)傳到井下信號(hào)測(cè)量處理電路，處理電路將模擬信號(hào)編碼后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)上傳至地面接收設(shè)備。

2　井下壓力控制閥強(qiáng)度校核計(jì)算

z—螺紋副結(jié)合圈數(shù)，無(wú)量綱，一般取小于10的整數(shù)。

螺紋抗剪切校核計(jì)算公式為：

同時(shí)采用比較強(qiáng)度校核方法進(jìn)行對(duì)比校核，即采用與等尺寸套管相比較的方法，比照套管的抗拉強(qiáng)度、抗內(nèi)壓強(qiáng)度和抗外擠強(qiáng)度。因?yàn)榫聣毫刂崎y的應(yīng)用工況類似于套管Φ193.7 mm，鋼級(jí)P-110工況，因此與之相比較。

表1 Φ193.7mm，鋼級(jí)P-110套管參數(shù)表

由于井下壓力控制閥最薄弱之處為連接筒，厚度為9 mm，表1列出的與連接筒壁厚相近的三組 Φ193.7 mm的P-110套管參數(shù)中。其與壁厚8.33 mm的Φ193.7 mm鋼級(jí)為P-110的套管最為接近。且因?yàn)檫B接筒采用材質(zhì)為42CrMo，從材質(zhì)的力學(xué)性能方面來(lái)講，連接筒的性能要優(yōu)于P-110套管，其力學(xué)性能對(duì)照表如表2

表2　 P-110套管與42CrMo井下壓力控制閥連接筒力學(xué)性能比較

從表2 P-110套管與42CrMo井下壓力控制閥連接筒力學(xué)性能比較中可以看出，材質(zhì)42CrMo的鋼材力學(xué)性能明顯優(yōu)于鋼級(jí)P-110材質(zhì)的力學(xué)性能。因此，在同樣壁厚的條件下材質(zhì)為42CrMo的鋼材加工的下連接管其抗拉強(qiáng)度、抗內(nèi)壓強(qiáng)度和抗外擠強(qiáng)度要優(yōu)于壁厚8.33 mm的P-110的套管。9 mm連接筒筒身的抗拉強(qiáng)度＞6667 kN，抗內(nèi)壓強(qiáng)度＞65 MPa，抗外擠強(qiáng)度＞36.5 MPa,連接筒螺紋抗擠強(qiáng)度＞9 914 kN，抗剪切強(qiáng)度＞6624 kN，在192 t拉力作用安全系數(shù)高于壁厚8.33 mm的P-110套管，合位移小于壁厚8.33 mm的P-110套管，能夠滿足作業(yè)施工要求。

3 井下壓力控制閥在遼河油區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在遼河油田沈陽(yáng)采油廠大民屯凹陷邊臺(tái)-法哈牛構(gòu)造帶北部曹臺(tái)潛山曹6XH井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，經(jīng)常歸計(jì)算下入深度421.5 m，實(shí)際下入深度431 m[4]。井下壓力控制閥計(jì)劃在井時(shí)間90天，實(shí)際在井時(shí)間213天，在井期間經(jīng)歷了不穩(wěn)定地層鉆井，復(fù)雜情況處理及分支井鉆完井施工等復(fù)雜工況。閥板正常開(kāi)關(guān)25次，閥板位置傳感器及壓力測(cè)量正常工作，地面控制設(shè)備輸出氣壓0.3～0.4 MPa，輸出油壓力15～17 MPa，單行程時(shí)間5～6 min。井下壓力控制閥的成功應(yīng)用受到了鉆井施工部門(mén)和油井建設(shè)單位的一直好評(píng)，取得了較好的應(yīng)用效果，證明了所研究和使用井下壓力控制閥的合理性，同時(shí)也找出了包括開(kāi)關(guān)時(shí)間長(zhǎng)、施工完成永久鎖定需單獨(dú)下鉆等問(wèn)題，并針對(duì)這些問(wèn)題開(kāi)展了優(yōu)化技術(shù)研究[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

井下壓力控制閥在遼河油區(qū)的成功應(yīng)用證明了該型工具具有較高的可靠性和廣泛適應(yīng)性，并且在欠平衡鉆井領(lǐng)域擁有較高的推廣價(jià)值。井下壓力控制閥的成功應(yīng)用能夠在以下幾個(gè)方面起到一定的積極效果：

（1） 井下壓力控制閥作為欠平衡鉆井過(guò)程中重要的井筒壓力保持工具，對(duì)油井的保護(hù)具有重要的作用。井下壓力控制閥在起下鉆過(guò)程中可以有效地封隔下部井筒與外界的壓力，使井筒始終保持欠平衡狀態(tài)，減少了鉆井過(guò)程中復(fù)雜情況的發(fā)生，對(duì)鉆井安全有重要影響，縮短了鉆井周期，節(jié)約了鉆井成本。

（2） 井下壓力控制閥置于井下，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閥板處壓力，與旋轉(zhuǎn)防噴器等欠平衡鉆井工具配合使用，避免了起下鉆時(shí)泥漿壓井對(duì)油層的污染，對(duì)延長(zhǎng)油井壽命和提高油氣產(chǎn)量起到一定的積極作用。

（3） 井下壓力控制閥在設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及了機(jī)械、電磁等相關(guān)領(lǐng)域的研究，為今后的欠平衡鉆井技術(shù)研究奠定了一定的基礎(chǔ)。

［1］集團(tuán)公司井控培訓(xùn)教材編寫(xiě)組，鉆井井控工藝技術(shù)[M]．東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2008，29(1)：115-118．

［2］Steve Herbal, etc．Downhole Deployment Valve Address Problems Associated with Tripping Drill Pipe During Underbalanced Drilling Operations. IADC/SPE 77240 .

［3］朱弘．欠平衡鉆井技術(shù)的進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)[J]．石油地質(zhì)工程，2009，23(2):81-83．

［4］袁光杰，等.井下井下壓力控制閥下入深度的計(jì)算方法[J]．天然氣工業(yè)，2009，29(2):73-75.

［5］Saeed Moaveni．有限元分析-ANSYS理論與應(yīng)用[M]．歐陽(yáng)宇等譯：電子工業(yè)出版社, 2003: 364-397．

Study on the Downhole Pressure Control Valve for Underbalanced Drilling in Liaohe Buried Hill

（GWDC Drilling Engineering and Technology Research Institute, Liaoning Panjin 124010, China）

As a mature drilling technology, underbalanced drilling technology is widely used in the drilling process, and its related supporting devices and processes are also progressing with underbalanced drilling technology. As an auxiliary control device for underbalanced drilling wellbore pressure control, downhole pressure control valve has been widely studied and used. At present, the switch statusof downhole pressure control valve as well as closed wellbore pressure is only speculated based on experiences and calculations.But there always is a large error between speculated results and the actual situation, which cannot fully meet the drilling safety needs of underbalanced drilling. In this paper, the hall electromagnetic induction downhole pressure control valve was used to solve the above problems, and the mechanical calculation and stress analysis were carried out for the weak and vulnerable parts of the downhole pressure control valve, such as the connecting thread and connecting cylinder. And the field test was briefly introduced. Finally, the research and field application of the downhole pressure control valve were summarized.

underbalance; downhole pressure control valve; electromagnetic induction; drilling safety

2020-01-07

王西貴（1985-），男，工程師，碩士學(xué)位，2012年畢業(yè)于西安石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)，研究方向：從事油氣井鉆完井技術(shù)研究。

TE242.9

A

1004-0935（2020）04-0425-03