井下套管阀的机械机构设计与试验.pdf

-- 46 -- 石 油机械 CHI NA P ET ROL EUM MAC H ，I N E R Y 2 0 1 2年 第 4 0卷第 6期 ． _ 钻井技术与装备 井下套 管 阀的机械 机构设计 与试验 白晓捷 姜冠楠 1 ．大庆 油田钻探 工程公司钻井工程技术研 究院2 ．大连理工大学机械工程 学院 摘要 鉴于国外公 司的井下套管阀技术 比较先进 ，但其服务费用极其 昂贵，引进 该设备将会 使钻井成本大幅提高的问题 ，研制 出功能完善且技术指标 满足使用要求的井下套管阀。整套 系统 由地面控制系统及井下 阀体 系统组成。地 面液压控制系统通过较长 的控制线远程控制套管阀井下 阀体 ，由双控液压 、控制线输 出液压能，未控制 井下 阀体 内液压缸的往复动作，从而 间接控制 阀 体 内瓣 阀的开关，实现井下封井及打开作 业。现场试验情况表 明，该 井下套管阀实现 了实时压力 检测 ，液压站工作稳定 ，满足现场施工要求。 关键词 井下套管阀；地面液压站 ；井下阀体；全过程欠平衡钻井 中图分类号 T E 9 2 1 文献标识码 B文章编号 1 0 0 1 4 5 7 8 2 0 1 2 0 6 0 0 4 60 3 De s i g n a nd Ex pe r i m e n t o f M e c ha n i c a l M e c ha ni s m f o r Do wn ho l e Ca s i n g Va l v e B a i X i a o j i e J i a n g G u a n n a n 1 ．D r i l l i n g E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e o f D a q i n g O i e l d D r i l l i n g E n g i n e e r i n g C o m p a n y 2 ．C o l l e g e of Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， D a l i a n U n i v e r s i t y of T e c h n o l o g y Ab s t r ac t Th e d o wn h o l e c a s i n g v a l v e t e c h no l o g y o f f o r e i g n c o mp a n i e s i s a d v a n c e d b u t t he i r s e r v i c e c o s t s a r e v e r y h i g h a nd i nt r o d uc t i o n o f t h e i r e q ui pme n t wi l l r a i s e t h e d r i l l i n g c o s t s r e ma r k a b l y ． Co ns i d e r i ng t h e p r o b l e m ，a n e w d o wn ho l e c a s i ng v a l v e wa s d e v e l o p e d ． I t h a s pe r f e c t f u n c t i o n s a n d i t s t e c h n o l o g i c a l i n de x e s me e t t h e n e e d s o f u s e ． Th e who l e s y s t e m c o n s i s t s o f g r o u n d c o n t r o l s y s t e m a nd d o wn h o l e v a l v e s y s t e m．Th e g r o u nd h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m c o nd u c t s a r e mo t e c o n t r o l o f t h e d o wn h o l e c a s i n g v a l v e b o d y t h r o u g h t h e l o ng c o n t r o l l i ne ．Th e h y d r a u l i c e n e r g y i s t r a ns mi t t e d t h r o u g h t he d ua l c o n t r o l h y d r a ul i c p r e s s u r e a n d c o n t r o l l i ne t o c o n t r o l t h e r e c i p r o c a l mo t i o n o f t h e h y d r a ul i c c y l i nd e r o f t h e v a l v e，t hu s i n d i r e c t l y c o n t r o l l i n g t he fla p v a l v e s wi t c h i n t he v a l v e a n d a c h i e v i n g t h e d o wn h o l e we l l p l u g g i n g a n d o p e n i n g o p e r a t i o n ．Th e fie l d e x p e r i me n t s h o ws t h a t t h e v a l v e a c h i e v e s r e a l t i me p r e s s u r e d e t e c t i o n a n d t he h y d r a u l i c s t a t i o n r u n s s t a b l y，s a t i s f y i n g t h e r e q ui r e me nt o f fie l d c o ns t r u c t i o n ． Ke y wo r ds d o wn h o l e c a s i n g v a l v e； g r o u n d h y d r a u l i c s t a t i o n； d o wn ho l e v a l v e bo d y； wh o l e p r o c e s s u n d e r b a l a n c e d r i l l i n g 井下隔离法全过程欠平衡钻井技术是 目前最实 用 、最安全的一项新技术 。井下套管阀采用井下隔 离法实现全过程欠平衡作业 ，降低带压强行起下钻 作业风险，是实现全过程欠平衡钻井的必备技术装 备之一 _ 1 J 。国外公司的井下套管 阀技术 比较先进 ， 但其服务费用极其 昂贵 ，引进该设备将会使钻井成 本大幅度提高 。鉴于此 ，大庆油田钻探工程公司钻 井工程技术研究院对井下套管阀设备进行 了设计与 完善 ，研制出功能完善且技术指标满足使用要求 的 井下套管 阀。 大庆油田钻探工程公司 2 0 1 0年验 收科研项 目 “ 9 ％ 井下套管阀的研 制与应用 ” K ／ Q 0 9～ 0 3 。套 管 阀井 下封井 阀芯 已获 得国家 实 用新 型专 利 ，专利号 Z L 2 0 0 9 2 0 0 0 0 8 8 4 。 石 油机械 2 0 1 2年第 4 0卷第 6期 工况下往复多次有效密封 ，具有 良好的低压密封性 能 ，且 额定 承压 3 5 MP a 。 图4为瓣阀总成密封单元结构示意图。瓣阀总成 的合页及销轴将阀瓣及阀座动态地连接为一体 ，拉伸 弹簧组两端分别与阀瓣和阀座相连 ，提供预紧力将阀 瓣及阀座压紧，实现低压状态下的无渗漏密封。在背 压作用下，阀瓣与阀座紧密接触 ，从而实现高压无渗 漏密封。瓣阀总成密封单元安装于阀体内部后 ，往复 驱动环塞可以实现对瓣阀总成的打开及关闭操作。 图 4瓣 阀总成密封 单元结构示意 图 Fi g ． 4 St r uc t u r a l d i a g r a m o f s e a l i ng u ni t o f fla p va l v e a s s e mb l y 1 阀瓣 ；2 一 阀瓣合 页 ；3 一销轴 ；4 一 阀座合 页 ； 5 拉 伸 弹簧 组 ； 6 一 阀 座 。 2 ． 2井下阀体工作的可靠性 经校核井下阀体的动作机构在高温 、高压状态 下变形较大 ，在与钻井液 、水泥接触后工作更加困 难 ，同时承受钻具对其的刮碰。因此 ，对井下阀体 的运动机构进行 了优化设计 ，优选 了配合面 间隙 ， 并对动密封组合方式进行 了设计 ，实现了井下 阀体 动作的灵活性和可靠性。 2 ． 3 长 距 离监控 的可靠 性 南于套管阀采用双液路的控制方式 ，且具有压 力监测功能。控制管线必须具备传递液压力 、为压 力变送器供电和传递压力信号的功能。同时，由于 控制管线需要随套管阀共同下入井 内，所以要求其 具有较好的抗拉 、抗 内压 、抗挤 、密封绝缘 和耐磨 性能 ，且外形尺寸越小越好 。根据其使用需求专 门 设计的多芯多铠层电缆解决了长距离传输的难题。 3现场试验 套管 阀在古 4 7 1 一平 9井开展了现场试 验。该 井为 3层井深结构的水平井 ，二开井深 9 2 1 I n ，二 开完钻后 下入 2 4 4 ． 4 8 mI l q 9 ％ i n 技 术套 管。 三 开井深 2 6 4 5 ． 8 4 m，造斜点 1 7 1 8 ． 6 6 m。二开测 井后 ，根据全井的井径数据 ，优选 了平均井径扩大 到 5 ％ 的4 6 5～4 7 1 n l 之间下入套管 阀。套管 阀随 2 4 4 ． 4 8 mm技术套管顺利 下人 4 7 1 m处并完成 固 井 ，同井后测声变显示合格。套管阀下入前按现场 试验方案完成了 2次地面开关动作试验。安装井 口 时完成 了 1次井 口全悬 重检测 ，3次检 测数 据均 为套管阀开启压力 8 MP a ，开关时间 1 0 ra i n ，液 压系统加压至 1 5 MP a ，静置 1 0 ra i n无压降。固井 结束后及后续起下钻作业过程 中，共完成 1 0次井 下开关动作试验。最大驱动液压 1 5 MP a ，回油量 2 ． 7 L ，平均开 、关 时间 3 0 m i n 。在井 队处理三开 卡钻事故期 间，频繁进行了 9趟起下钻作业 ，钻杆 接箍累计通过套管 阀 2 3 4 0次 ， 2 1 4 ． 9 m m钻头通 过套管阀 8次 ， 2 0 8 I B m螺旋扶正器通过套管 阀 6 次 ， 2 1 0 l i l m铣鞋通过套管阀 6次 ， 2 0 6 m m直棱 转换接头通过套管阀4次 ，井下震击器通过套管阀 4次 ，井下加速器通过套管阀 4次。上述复杂接头 反复通过套管阀未对套管 阀的工作性能造成影 响。 地面监测仪表成功地实时测量 2 3 0 0余组套管 阀处 的压力 ，协助作业人员掌握套管阀处压力变化。 4结论和认识 1 通过研究完成 了套管 阀系统的 自主设计 ， 各项技术参数达到了现场使用需求 。 2 解决了井下阀体密封性 、井下阀体工作可 靠性 、长距离监控可靠性 3项关键性技术问题 ，使 其达到较高的水平 。 3 套管阀在古 4 7 1一平 9井实现井下 1 O次 开关动作 ，实现实 时压力监测 ，液压站工作稳定 ， 满足现场施工要求 。 参考文献 [ 1 ] 周英操 ，翟洪 军 ．欠平 衡 钻井 技术 与 应用[ M]． 北 京 石油工业出版社 ，2 0 0 31 1 21 1 4 ． [ 2 ] 袁光杰，夏焱，李根生，等 ．井下套管阀下入深 度的计算方法 [ J ]．天然气工业 ，2 0 0 9，2 9 2 7375 ． [ 3 ] 崔树建 ，白晓捷 ，田鲁财，等 ．井下套管 阀永久锁定工 具的研制 [ J ]． 石油机械，2 0 1 l ，3 9 1 2 7 9 8 1 ． [ 4 ] 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 0 3 43 6 ． 第一作者简介白晓捷，工程师，生于 1 9 8 2年，2 0 0 5 年毕业于大庆石油学院机械设计制造及其 自动化专业，现 从事欠平衡钻井技术研究工作。地址 1 6 3 4 1 3 黑龙江省 大庆市 。 Em a i l b a i x i a o j i e e n p e ． e 0 1T 1 ． e n 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 31 7 本文编辑赵连禄