可測壓力與閥位的井筒壓力控制閥設計

陳思路

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

全過程欠平衡是指在不壓井的條件下實現欠平衡鉆進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在國內油田的推廣應用，要實現更進一步的油氣儲層保護需要應用全過程欠平衡技術。目前，實現全過程欠平衡的技術手段主要有不壓井強行起下鉆技術、井筒壓力控制閥技術和凍膠閥技術3種，并且在國內均有應用。不壓井強行起下鉆技術由于操作工藝復雜、耗時，推廣的程度不高；凍膠閥技術受儲層流體性質影響較大，不適用于較高壓力和含氣油藏，應用也受到限制。井筒壓力控制閥技術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。

1 井筒壓力控制閥操作特點

在進行全過程欠平衡鉆井作業時，不采用壓井措施，欠平衡狀態下的井底負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閉，它安放在井下發生“管輕”的深度，通過地面液壓控制管線控制關閉。在管重狀況下，通過旋轉控制頭或旋轉防噴器膠芯密封井口，可以將管柱起出來，這種作業方式稱為過膠芯起下鉆［3－5］。在管輕狀況下，應用井筒壓力控制閥（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，保證管輕狀態下起鉆的安全。

圖1 井筒壓力控制閥打開狀態

圖2 井筒壓力控制閥關閉狀態

控制原理分為2個過程，起鉆前井筒連通，控制閥狀態如圖1所示，當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，閥板旋轉到如圖2所示位置，形成對井筒壓力的隔離，使管輕狀態下鉆柱安全起出。下鉆過程，當鉆柱下至控制閥以上，關閉旋轉防噴設備，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狀態下的活塞筒下行，推靠閥板克服彈簧的彈力，到達如圖1所示狀態，鉆柱可以在自身重力作用下安全下鉆。

目前應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進出油量進行判斷，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，設計了可測閥板下壓力和閥板開位的結構，提高了操作的安全性。

2 可測壓力和閥位的控制閥結構設計

2.1 系統組成

閥板參數測量系統主要包括閥板下壓力測量和閥板開關位置的測量。

該系統分4個部分：井下數據測量系統、井下信號處理傳輸系統、地面轉換接口系統、通用計算機工作系統軟件。流程如圖3所示。

圖3 測量系統工作流程

1）地面接口箱的作用是將市電轉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行處理后送給計算機處理。

現場提供條件：①電源為交流50Hz，電壓380 V；②井下至地面單芯電纜長1 000m，電纜規格為5mm，電纜直流電阻18Ω／km，電纜電容190 pF／m；③接口箱應提供電源插頭帶線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的作用是將地面送到井下的電源轉換成工作電源，采樣位移開關傳感器和壓力傳感器信號，通過一系列信號處理后，將綜合信號經調制并通過電纜發送到地面。

系統提供傳感器參數：①位移開關傳感器結構部分和位移開關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使用環境溫度－20℃～120℃，振動頻率3Hz，振幅3mm。

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

2.2 位置設計

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，實現對井下數據的采集。電路板腔室加工于偏心外筒一側，置于電路板上的信號處理系統將數據傳輸至電纜接線柱連接，電路板中信號處理系統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

壓力測量裝置結構如圖5所示，壓力傳感器敏感應變膜將壓力感應傳至電路器件轉換為電信號，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據顯示在軟件界面上，從而實現對閥板下壓力的測量。

圖5 壓力測量裝置結構

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，當閥板打開到位后會推動彈性鋼片從如圖6所示T0－T1狀態變化到如圖7所示T1－T2狀態，由于永磁鐵隨彈性鋼片的移動，會使傳感器感應到磁性的變化，從而產生信號，傳感器產生的信號通過信號線傳至圖4中電路板腔室中，會導致地面輸入電壓變化，轉換信號后，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位置。

圖6 閥板開位指示裝置T0－T1狀態

圖7 閥板開位指示裝置T1－T2狀態

圖8 T0－T1和T1－T2位置對應電壓值

3 室內試驗

在完成樣機加工后，分別進行了閥板下壓力監測和閥板開位指示2項功能室內試驗。試驗過程為：當閥板處于如圖2所示關閉位置時，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閉位置，在計算機軟件系統中顯示出測得的即時壓力值和壓力變化曲線，以及閥板關位的模擬圖。

當閥板處于如圖1所示打開位置時，控制閥內部未加壓，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中顯示閥板開位的模擬圖。

4 結論

設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。室內試驗結果表明：所設計測量裝置可以對欠平衡狀態下起下鉆過程中閥板下的壓力變化趨勢和閥板開位進行監測，防止含氣油藏氣體置換導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構改進及優化［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［J］.石油鉆探技術，2006，34（2）：22－25.

［4］常玉連，魏 靜，高 勝，等.獨立式不壓井作業裝備技術發展［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.