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

（中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程技術研究院，遼寧 盤錦 124010）

欠平衡鉆井技術作為成熟的鉆井技術廣泛地應用于鉆井過程中，與其相關的配套裝置及工藝也隨著欠平衡鉆井技術不斷進步，井下壓力控制閥作為欠平衡鉆井井筒壓力輔助控制裝置，被越來越廣泛的研究和使用，但是目前僅憑經驗和計算推測井下壓力控制閥的開關狀態以及封閉的井筒壓力，與實際情況產生較大誤差，已經不能夠完全滿足欠平衡鉆井對鉆井安全的需要。本文中涉及的霍爾電磁感應式井下壓力控制閥很好地解決了上述問題，并對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行了力學計算和受力分析，簡要介紹了現場試驗使用情況，最后就井下壓力控制閥的研究和現場使用情況做出總結。

欠平衡；井下壓力控制閥；電磁感應；鉆井安全

欠平衡鉆井技術被譽為21世紀石油鉆井工業急需的技術。使用欠平衡鉆井技術能夠有效地減少和防止在鉆井工程中泥漿對地層的污染有效的保護的地層，有利于增加油井產量和開采周期，提高鉆頭的使用壽命和提高鉆井的機械鉆速，減少井下復雜情況的發生，降低鉆井成本，提高經濟效益[1]。因此國內開始大規模的推廣欠平衡鉆井裝備及相關技術以此來提高油氣產量和降低鉆井成本，隨著欠平衡鉆井技術日趨完善和成熟，國內外各大石油公司已經不僅僅滿足于鉆井過程的欠平衡，而是要實現鉆井全過程的欠平衡[2]。

井下壓力控制閥作為欠平衡鉆井中的一個部件，正在被越來越廣泛的研究和使用，井下壓力控制閥能夠取消強行起下鉆作業過程中起下鉆柱過程中鉆井液壓井導致的地層侵害。國外幾家大的石油技術服務公司在原有特色技術的基礎上分別研發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年投入商業化使用。哈里伯頓和貝克休斯公司也先后研制出了類似產品并投入商業化應用[3]。目前國內該項技術也日趨成熟，中石油長城鉆探、中石油西部鉆探、中石油勘探開發研究院、中石化勝利油田分別研制出各自的樣機并已投入現場應用。

1　井下壓力控制閥井下總成方案設計

為了適合遼河油區特殊的10-3/4″表層+ 7″技套井身結構及分支井等鉆完井工藝，長城鉆探工程有限公司在原有的采油及鉆井技術基礎上開發了研制全尺寸7″井下壓力控制閥。并且針對常規的 5/8″表層+ 7″技套井身結構研制了欠尺寸7″井下壓力控制閥。

井下壓力控制閥井下總成主體設計原理是井下壓力控制閥研制的關鍵步驟，井下壓力控制閥井下總成如圖1所示，其組成結構為：

圖1 　井下壓力控制閥基本結構圖

井下壓力控制閥延續了國外幾家大公司井下壓力控制閥的基本結構，其井下總成由支撐總成、活動總成、動力總成和測量總成等4個主要部分組成。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連接活塞與偏心筒之間形成的液壓腔室，實現閥板的開啟和關閉。壓力測量和位置測量傳感器安裝于閥板處，通過連接線將測得的測量閥板下部空間壓力和位置參數傳到井下信號測量處理電路，處理電路將模擬信號編碼后轉換為數字信號上傳至地面接收設備。

2　井下壓力控制閥強度校核計算

z—螺紋副結合圈數，無量綱，一般取小于10的整數。

螺紋抗剪切校核計算公式為：

同時采用比較強度校核方法進行對比校核，即采用與等尺寸套管相比較的方法，比照套管的抗拉強度、抗內壓強度和抗外擠強度。因為井下壓力控制閥的應用工況類似于套管Φ193.7 mm，鋼級P-110工況，因此與之相比較。

表1 Φ193.7mm，鋼級P-110套管參數表

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套管參數中。其與壁厚8.33 mm的Φ193.7 mm鋼級為P-110的套管最為接近。且因為連接筒采用材質為42CrMo，從材質的力學性能方面來講，連接筒的性能要優于P-110套管，其力學性能對照表如表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性能比較中可以看出，材質42CrMo的鋼材力學性能明顯優于鋼級P-110材質的力學性能。因此，在同樣壁厚的條件下材質為42CrMo的鋼材加工的下連接管其抗拉強度、抗內壓強度和抗外擠強度要優于壁厚8.33 mm的P-110的套管。9 mm連接筒筒身的抗拉強度＞6667 kN，抗內壓強度＞65 MPa，抗外擠強度＞36.5 MPa,連接筒螺紋抗擠強度＞9 914 kN，抗剪切強度＞6624 kN，在192 t拉力作用安全系數高于壁厚8.33 mm的P-110套管，合位移小于壁厚8.33 mm的P-110套管，能夠滿足作業施工要求。

3 井下壓力控制閥在遼河油區的現場應用

在遼河油田沈陽采油廠大民屯凹陷邊臺-法哈牛構造帶北部曹臺潛山曹6XH井進行現場試驗，經常歸計算下入深度421.5 m，實際下入深度431 m[4]。井下壓力控制閥計劃在井時間90天，實際在井時間213天，在井期間經歷了不穩定地層鉆井，復雜情況處理及分支井鉆完井施工等復雜工況。閥板正常開關25次，閥板位置傳感器及壓力測量正常工作，地面控制設備輸出氣壓0.3～0.4 MPa，輸出油壓力15～17 MPa，單行程時間5～6 min。井下壓力控制閥的成功應用受到了鉆井施工部門和油井建設單位的一直好評，取得了較好的應用效果，證明了所研究和使用井下壓力控制閥的合理性，同時也找出了包括開關時間長、施工完成永久鎖定需單獨下鉆等問題，并針對這些問題開展了優化技術研究[5]。

4 結束語

井下壓力控制閥在遼河油區的成功應用證明了該型工具具有較高的可靠性和廣泛適應性，并且在欠平衡鉆井領域擁有較高的推廣價值。井下壓力控制閥的成功應用能夠在以下幾個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程中重要的井筒壓力保持工具，對油井的保護具有重要的作用。井下壓力控制閥在起下鉆過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，減少了鉆井過程中復雜情況的發生，對鉆井安全有重要影響，縮短了鉆井周期，節約了鉆井成本。

（2） 井下壓力控制閥置于井下，實時監測閥板處壓力，與旋轉防噴器等欠平衡鉆井工具配合使用，避免了起下鉆時泥漿壓井對油層的污染，對延長油井壽命和提高油氣產量起到一定的積極作用。

（3） 井下壓力控制閥在設計過程中涉及了機械、電磁等相關領域的研究，為今后的欠平衡鉆井技術研究奠定了一定的基礎。

［1］集團公司井控培訓教材編寫組，鉆井井控工藝技術[M]．東營：中國石油大學出版社，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．欠平衡鉆井技術的進展與發展趨勢[J]．石油地質工程，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算方法[J]．天然氣工業，2009，29(2):73-75.

［5］Saeed Moaveni．有限元分析-ANSYS理論與應用[M]．歐陽宇等譯：電子工業出版社, 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，碩士學位，2012年畢業于西安石油大學油氣井工程專業，研究方向：從事油氣井鉆完井技術研究。

TE242.9

A

1004-0935（2020）04-0425-03