井下套管阀永久锁定工具的研制.pdf

2 0 1 1 年第3 9卷第 1 2期 石 油机械 C HI NA P E TR0I UM MAC HI NE RY ． 一 经验 集锦 井下套管阀永久锁定工具的研制 崔树建 白晓捷 田鲁财 杨 毅 田玉栋 大庆钻探 工程 公司钻井工程技术研 究院 摘要 为 了解决井下套管阀出现故障后不能正常打开的问题，研制 了井下套管阀永久锁定工 具。该工具采用锁定块双台阶结构设计，可实现与套管阀锁定单元的精确配合。同时，在扶正块 的配合下，锁定块可顺利装入套管内到达套管阀锁定单元，确保不会卡在套管接箍的窄槽 内。双 台阶结构的键槽配合结构紧凑，可确保实现精确锁定。室内及现场试验表明，该工具完全可打开 套管阀并对其进行永久锁定 ，满足现场施工要求。 关键词 井下套管阀 永久锁定工具扶正锁定 0 引 言 欠平衡钻井技术在国外 已经作为一项成熟技术 广泛应用于油 田的开发 ，在 国内也进入了一个快速 发展的阶段 。目前 ，实现全过程欠平衡钻井成为该 工艺在国内发展的新要求 ，而要实现全过程欠平衡 钻井 ，即实现真 正 的欠 平衡钻 井 J ，井 下套管 阀 就是一种不可或缺的工具。井下套管阀能避免对强 行起下钻作业的依赖和在欠平衡钻井作业期间由于 起下钻柱压井导致的地层损害 - 4 J 。套管阀在井下 4 0 0～ 3 0 0 0 m的环境下工作 ，在一定温度、压力 下 ，需要同时与钻井液岩屑颗粒接触 ，大大缩短 了 套管阀的使用寿命，密封效果也会逐渐下降，一般 开关十几次后 就不能保证 良好 的密封 性 J 。同时 由于井下工况复杂 ，有时会导致套管阀密封失效甚 至套管阀不能正常工作 。为了解决井下套管阀出现 故障后不能正常打开的问题 ，大庆钻探工程公司钻 井工程技术研究 院于 2 0 0 9 --2 0 1 0年研 制 了井下套 管阀永久锁定工具 。 1 技术分析 1 ． 1 结构 井下套管阀永久锁定工具主要由心简、护套、 锁定块、压簧、扶正块及内六角平圆螺钉等组成， 结构如 图 1所示 。 图 1 井下套管阀永久锁定工具结构示意图 1 --心筒 ；2 一 护套 ；3 一锁定块 ； 4 一 压 簧 ； 5 一扶 正块 ； 6 一 螺 钉 。 心筒为该工具中的连接及承托部件 ，上部 内螺 纹设计成钻杆螺纹 ，需要进行套管 阀永久锁定时与 钻具外螺纹相连，下部孑 L 槽承托关键的锁定单元。 护套、锁定块、压簧及内六角平圆螺钉共同组成了 该工具 中的 自动锁定单元 。在未下井前 ，该 自动锁 定单元的外径尺寸为 2 3 0 m m；下井后，该 自动锁 定单元的外径尺寸在压簧的作用下将随着井眼尺寸 的变化而变化；到达套管阀预置的锁定键槽后，该 单元外径变为 2 2 9 n l m，并与套管阀阀体 内部的锁 定单元配套，实现对套管阀的卡槽锁定操作，在锁 定块的设计过程 中，考虑到井下的复杂情况 ，在锁 定块的本体上设计了 2个通孔 ，以防止永久锁定工 具在作业过程中憋压，并起到提供介质流通通道， 润滑锁定块使之能快速顺利到达锁定位置的作用。 永久锁定工具下端的扶正块位于该工具前端， 外径 2 0 6 m m，起引导、扶正钻具和保护自动锁定单元 的作用。 大庆钻探工程公司项 目 “ 9 5／ 8 井下套管阀的研制与应用” K ／ Q O 9 0 3 。 石 油机械 2 0 1 1 年第 3 9卷第 1 2期 1 ． 2 工作原理 锁定单元为井下套管阀中的关键安全装置 ，当 井下套管阀往复驱动环塞动作失效或瓣阀总成发生 严重破坏而无法通过正常途径打开时，就需用永久 锁定装置强行打开套管阀。在钻具下部连接套管阀 永久锁定工具并随钻具下入到井内，当永久锁定工 具到达套管阀下人位置后 ，该永久锁定装置通过钻 具下压力可强行将套管阀往复驱动环塞推至瓣阀总 成内部，从而强制性打开套管阀。在推靠过程中一 旦锁定块到达井下阀体的锁定单元沟槽内，该锁定 块将在压簧的推压作用下从受压状态释放。继续下 入锁定工具 ，使永久锁定工具 中部 的锁定块卡住套 管阀锁定单元 ，并继续下锁定工具 ，锁定工具发挥 作用剪断剪切环销钉将套管阀下制动器推到最低 点，将套管阀永久锁定在开位。至此，永久锁定工 具打开套管阀并完成对其锁定工作 ，起 出套管阀永 久锁定工具 ，再进行钻井 的后续作业。 1 ． 3 关键技术 1 ． 3 ． 1 远程键槽配合精确锁定技术 采用锁定块双台阶结构设计 ，可实现与套管阀 销定单元的精确配合。同时，在扶正块的配合下 ， 锁定块可顺利装入套管内到达套管阀锁定单元处， 确保不会卡在套管接箍的窄槽内。扶正块 、压缩弹 簧及锁定块的组合可确保锁定工具顺利实现远程键 槽配合。双台阶结构的键槽配合结构紧凑，径向配 合间隙0 ． 0 5 m m，轴向配合间隙 l m m， ． 确保实现 精确锁定。 1 ． 3 ． 2 动载荷稳定推靠技术 锁定块与心筒之间为特殊配合 ，锁定块锁定到 位后 ，一旦施加动载荷 ，心筒压在锁定块端 面上 ， 特殊的配合间隙确保锁定块保持稳定 ，在较大动载 荷下锁定动作的稳定实现。 1 ． 3 ． 3 上提 自动脱槽技 术 在锁定块的双台阶结构 中，4条棱角中有 3条 为 1 5 。 坡角 ，另外 1条为直棱角。直棱角的设计实 现了单向的键槽锁定 ，其他 3个 1 5 。 坡角确保 了在 工具上提时锁定工具将上提力转换为径向压力，克 服压缩弹簧的弹力，实现锁定块的缩回， 进而实现 锁定工具的脱槽。 1 ． 4 主要技术参数 本体尺寸弘 1 7 8 m m 1 7 5 0 m m； 锁定单元 3 0 m m 3 1 7 m m； 扶正单元 0 6 m i ll 1 2 8 m m； 锁定单元至工具底部距离8 5 3 m m； 装配体质量 2 4 9 k g 。 2工艺流程 永久锁定工具样机加工完成后进行了全方位的 地面模拟试验。永久锁定工具打开并锁定套管 阀主 要分为永久锁定工具快速下入、锁定块带动驱动环 塞打开阀瓣和永久锁定工具剪切锁定 3 个阶段。 2 ． 1 永久锁定工具快速下入阶段 首先模拟永久锁定工具下人井 内。在该 阶段 ， 永久锁定工具上部与钻具连接 ，然后通过钻杆快速 下入井下套管阀位置的上部 ，在将要到达套管阀位 置时放慢下入速度。 2 ． 2 锁定块带动驱动环塞打开阀瓣阶段 当永久锁定工具到达套管阀位置时 ，采取缓慢 下入的原则 ，通过锁定块带动套 管阀驱动环塞下 行 ，打开套管阀。 2 ． 3 永久锁定工具剪切锁定阶段 在打开套管阀的过程中，永久锁定工具继续下 行 ，剪断剪切环销钉，将套管阀下制动器推到最低 点 ，将套管阀永久锁定在开位 。至此 ，永久锁定工 具打开套管阀工艺流程全部完成 ，可以在起出永久 锁定工具后进行钻井的后续作业。 3 现场试验 为了检验永久锁定工具的现场实用性能 ，在大 庆油田古 4 7 1一 平 9井套管 阀的现场试验后期对永 久锁定工具进行 了现场试验 。对下人井下 4 7 5 m处 的 2 4 4 ． 4 8 m m 9 i n 井下套管 阀进行 了永久 锁定破坏性试验 。 首先把处于开位的套管阀正常关闭 ，再模拟井 下套管阀出现故障无法正常打开作业。关闭套管阀 后把永久锁定工具连接于钻具最下部并随钻具一起 下人井内，待距套管阀还剩 1 个单根时控制下钻速 度缓慢下放，慢慢用永久锁定 工具接触套管 阀阀 瓣 ，待指重表显示接触到阀瓣时缓慢下放永久锁定 工具 ，下压力控制在 8～1 5 k N之间 ，直至完全 打 开套管阀。锁定后缓慢上提永久锁定工具，拉力控 制在2 2 2 7 k N之间，直至永久锁定工具完全处于 套管阀上部，然后进行正常的起钻作业。 锁定后在地面将套管阀关闭。在操作过程中地 面显示套管阀阀瓣处于打开状态并且无法进行关闭 动作 ，之后在下钻过套管阀的过程 中未发现明显挂 碰现象，证实了永久锁定工具将套管阀永久锁定在 打开状态 ，达到了预期的设计 目的。 2 0 1 1 年 第3 9卷第 1 2期 崔树建等井下套管阀永久锁定工具的研制 4 结论与认识 1 该套管阀永久锁定工具设计合理、精密， 可靠性高，为套管阀的井下工作及正常钻井施工提 供 了保 障。 2 经室内动作模拟及 现场检验 ，证实永 久 锁定工具完全可打开套管阀并对其进行永久锁定， 满足现场施工要求 。 3 现场试验表 明，该永久锁 定工具虽然 能 够很好地锁定 套管 阀，但 由于井 下的情况错综 复 杂，为了避免出现永久锁定工具不能锁定套管阀的 现象 ，针对该永久锁定 工具 的结 构特点进行 了改 进 ， 目前正在设计一种液压复合式的锁定工具。液 压复合式锁定工具可通过投球憋压打开锁定单元， 从而锁定套管阀，能避免永久锁定工具弹簧压缩锁 定存在的弊端 。 参考文献 [ 1 ] 李晓军 ，高本文，宋朝晖，等 ． 用于全过程欠平衡 钻井施工的井下封井器 [ J ]．石油机械，2 0 0 6 ，3 4 1 O 3 4～3 6 ． [ 2 ] 李建成，宋林松，王岩鹏，等 ．井下套管阀研究及 室内试验 [ J ]．石油矿场机械，2 0 0 6，3 5 2 5 8． [ 3 ] 李俊波，赵胜英 ． 国内外欠平衡钻井装备发展及应 用现状 [ J ]．石油机械，2 0 0 3 ，3 1 增刊 1 9 3 9 5 ． [ 4 ] 童征，郑立臣，李涛，等 ．全过程欠平衡作业 用井下控制阀研制 [ J ]．石油矿场机械，2 0 0 9 ，3 8 1 7 8 8 1 ． [ 5 ] 白晓捷，高翔 ．井下套管阀技术特点及应用前景 分析 [ J ]．西部探矿 工程，2 0 1 0 ，2 2 6 5 3 5 5 ． 第一作者简介崔树建，助理工程师，生于 1 9 8 2年， 2 0 0 7年毕业于中国石油大学 北京石油工程专业 ，现从 事气体／ 欠平衡钻井科研工作。地址 1 6 3 4 1 3 黑龙江省大 庆市。Em a i l d a e u i 3 2 1 1 6 3 ． c o rn。 收稿日期2 0 1 1 0 5 3 1 本文编辑赵连禄 ●信 息广角 新型 4 0 0 0 m丛式井 电动钻机 据报道 ，一种新 型 4 0 0 0 I T I 丛式井电动钻机在南阳二机石油装备 集 团有限公司研制成功。该钻机 能够在主机不拆卸的情况下连续钻 1 3口井 ， 所采用的M型折叠槽、门型结构底座及 自动转浆等多项新技 术为国内首创 ，能够大大缩短钻机移运时间，提高工作效率。 该丛式井电动钻机主要用于丛式井的钻井作业，需要在 1 个井场或 1 个平台上钻多口井，对钻机整体 移运有较高要求。南 阳二机石油装备 集团有限公司作为我国石油钻采装备研制的专业骨干企业， 2 0 0 7年初就开始投入丛式井 电动钻机的研发 ，该公司承担 的4 0 0 0 m丛式井钻机研制项 目还被确定为河南 省扶持重大科技攻关项目。在丛式井钻机产业化过程中，该公司利用雄厚的科研制造实力，自主创新，自 主生产 ，研制出多种 系列多种型号的丛式井钻机。 这台新型丛式井 电动钻机采用平移导轨技术 ，在钻机底座下安装导轨 ，利用液压系统为动力 ，通过控 制台操作 ，可实现钻机整体前后平移 ，钻机 1次起升后 ，能够完成 1个井场 l 3口井的钻井作业 。钻机底 座采用新型 的 “ 门型结构” ，能够顺 利通过采油树 。针对丛式井 电动钻机 电缆 多，整体运输不便这一难 题，该钻机使用国内首创的 “ M型电缆槽”技术，可实现多余电缆在 M型电缆槽内折叠，满足主机移动 时不拆卸电缆的要求，可大大缩短钻机移运时间，提高工作效率。钻机的固控系统创新性使用了自动转浆 技术，采用这种新技术，在主机移动作业时，只需 1 号振动筛罐随主体移动，其他固控罐固定在原位即可 作业。另外，钻机采用4 5 m A P I 标准井架，能够悬挂 5 0 0 t 顶驱，满足国外钻井承包商对井架的要求。 该新型4 0 0 0 m丛式井电动钻机从一个井位移至另一个井位仅需 1 2 h ，大大提高了工作效率，降低了 生产成本。 罗义丹陈芳芳