可测压力与阀位的井筒压力控制阀设计.pdf

20 12拒 第 5 期 第 4 1 卷 第 4 0页 石 油 矿 场 机 械 OI L FI E LD E QUI P ME NT 2 O 1 2， 4 1 5 4 O ～4 3 文 章 编 号 1 0 0 1 - 3 4 8 2 2 0 1 2 0 5 - 0 0 4 0 - 0 4 可测压力与阀位的井筒压力控制阀设计 陈思路l l 1 ． 中国石油大学 北京石油工程学院， 北京 1 0 2 2 4 9 ； 2 ． 长城钻探工程技术研究院， 辽宁 盘锦 1 2 4 0 1 0 摘要 随着全过程欠平衡钻井技术的应用越来越广泛， 其所依赖的井筒压力控制阀的安全性愈发重 要 。介 绍 了一 种新 型的 井筒压 力控制 阀 ， 该控 制 阀 内部 设 计 了可 测 阀板 下压 力 和 阀板 开位 指 示 的 参数测量机构 ， 确保 了欠平衡钻进过程 的压力控制安全， 并可以实现地面对阀板开位的判断。该控 制 阀通过 室 内试验证 明， 压 力测 量和 阀位指 示功 能可 以提 高操 作安 全性 。 关键 词 全过程 欠平衡 ； 井筒压 力控制 阀 ； 地 面试验 ； 操作 安全 中图分类号 T E 9 3 1 文献标识码 A De s i g n o f M e a s u r i n g Pr e s s u r e a n d Po s i t i o n f o r W e l l b o r e Pr e s s u r e c O n t r O l l e d Va l v e CHEN S i 一 1 u 1 ． C o l l e g e o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m， B e i j i n g ， 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a l 2 ． E n g i n e e r i n g a n d 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 G r e a t wa l l Dr i l l i n g E n g i n e e r i n g C o mp a n y Li mi t e d， P a n j i n 1 2 4 0 1 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e t e c h n o l o g y ， wh i c h ma y a c h i e v e t h e u n d e r b a l a n c e d s i t u a t i o n i n t o t a l d r i l l i n g p r o c e s s ， i s wi d e a p p l i c a t i o n i n o i l d e v e l o p me n t ． Ho we v e r ， t h e o p e r a t o r s a t t a c h i mp o r t a n c e t o t h e s a f e l y o p e r a t i o n o f p r e s s u r e - c o n t r o l l e d v a l v e ． Th i s a r t i c l e i n t r o d u c e s a n e w t y p e v a l v e ， wh i c h c a n me a s u r e t h e p r e s s u r e wh e n t h e v a l v e wa s c l o s e d ， a n d s h o w t h e v a l v e b o a r d’ S p o s i t i o n wh e n t h e v a l v e wa s o p e n e d ． Th i s d e s i g n ma y e n s u r e t h e s a f e t y o f p r e s s u r e c o n t r o l l e d i n u n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g， a n d j u d g e t h e v a l v e b o a r d ’ S p o s i t i o n wh e n t h e v a l v e i s o p e n e d ． Af t e r t h e s h o p e x p e r i me n t s ， i t wa s p r o v e d t h a t t h e f u n c t i o n s ， wh i c h i n c l u d e p r e s s u r e a n d p o s i t i o n me a s u r e me n t ， ma y a c h i e v e t h e s a f e 一 1 Y a n d r e l i a b l e o p e r a t i o n i n f i e l d t r i a 1 ．’ Ke y wo r d s u n d e r b a 1 a n c e d s i t u a t i o n i n t o t a l d r i l l i n g p r o c e s s ； we l l b o r e p r e s s u r e c o n t r o l l e d v a l v e ； s h o p e x p e r i me n t s l s a f e o p e r a t i o n s 全过程欠平衡是指在不匡井的条件下实现欠平 衡钻进和过井 目密封装置带匡起下钻具 、 电测仪器 、 完井管具等[ 1 3 。随着欠平衡钻并技术在 国内油 国 的推广应用 ， 耍实现更进一步的油气储层保护需要 应用全过程欠平衡技术 。目前 ， 实现全过程欠平衡 的技术手段主要有不压井强行起下钻技术 、 井筒压 力控制阀技术和冻胶 阀技术 3种 ， 并且在国内均有 应用。不压井强行起下钻技术 由于操作工艺复杂、 耗时 ， 推广的程度不高 ； 冻胶阀技术受储层流体性质 影响较夫 ， 不适用于较高压力和含气油藏 ， 应用也受 到限制 。井筒压力控制阀技术可满足各类油藏全过 程欠平衡钻井耍求 ， 且操作工艺简单 ， 可靠性高 ， 而 成为全过程欠平衡 的主流技术 。 1 井筒压力控制阀操作特点 在进行全过程欠平衡钻井作业时， 不采用压井 措施 ， 欠平衡状态下的井底负压差会作用在钻柱底 部平面上， 形成一个上顶力 ， 在起钻后期或下人管柱 收稿 日期 2 0 1 2 一 I 一 3 0 作者简介 陈思路 1 9 7 9 一 ， 男 ， 四川射洪人 ， 工程师 ， 主要从事欠平衡钻井技术研究 ， E ma i l l h c h e n s i l c n p c ． c o rn． C r l 。 第 4 1 卷第 5 期 陈思路 可测压力与阀位的井筒压力控制阀设计 的初期 ， 由于管柱 自重较小 ， 上顶 力大于管柱 自重 时 ， 管柱就会喷出或无法下人 。井筒压力控制阀整 体连接于技术套管 串中入井， 在起下钻过程 中钻柱 起到控制阀以上时可以关闭 ， 它安放在井下发生“ 管 轻” 的深度 ， 通过地面液压控制管线控制关 闭。在管 重状况下 ， 通过旋转控制头或旋转 防喷器胶芯密封 井 口， 可以将管柱起出来 ， 这种作业方式称为过胶芯 起下钻[ a ] 。在管轻状况 下， 应 用井筒压力 控制 阀 如图 1 所示 ， 通过 阀板控制到如图 2所示位置可 以将井筒分为上 、 下 2个部分 ， 从而实现对井筒压力 的隔离， 消除井底压力对钻柱的上顶力， 保证管轻状 态下起 钻 的安全 。 1 一下接头 I 2 一 阀板 ； 3 一弹簧 ； 4 一 阀座 ； 5 一 连接筒 ； 6 一 信号处理与传输 系统 } 7 一偏 心简 ； 8 一 活塞简 ； 9 一上接 头 图 1 井筒压力控制阀打开状态 图 2 井筒压力控制阀关闭状态 控制原理分为 2个过程 ， 起钻前井筒连通 ， 控制 阀状态如图 1所示 ， 当钻柱起到控制阀以上， 通过地 面与地下的液压管线 向液压腔 a加压， 推动图 1状 态下的活塞筒上行 ， 活塞筒不再对阀板形成推靠 ， 在 弹簧的作用下 ， 阀板旋转到如图 2所示位置， 形成对 井筒压力的隔离 ， 使管轻状态下钻柱安全起 出。下 钻过程， 当钻柱下 至控 制阀以上 ， 关 闭旋 转防喷设 备， 开泵对阀板施加平衡压力 ， 通过地面与地下的液 压管线向液压腔 b加压 ， 推动图 2状态下的活塞筒 下行 ， 推靠阀板克服弹簧的弹力 ， 到达如图 1所示状 态， 钻柱可以在 自身重力作用下安全下钻。 目前应用的井筒压力控制阀对于安全操作还存 在 2 个 问题 ①在井筒压力隔离后， 对于阀板下的压 力变化情况无法判断 ， 在圈闭压力等因素的影响下， 不能确定平衡压力的大小 ； ② 阀板能否全开到位只 能根据进出油量进行判断， 如果 阀板没开到位 ， 下 放 的钻柱会对 阀板造 成损 害 ， 控制 阀将失效 。针 对这 2个 影 响安 全操作 的 问题 ， 设计 了可 测 阀板 下压力和阀板开位的结构 ， 提高了操作的安全性。 2 可测压 力和 阀位 的控 制阀结构设计 2 ． 1 系统组 成 阀板参数测量系统主要包括阀板下压力测量和 阀板开关位置的测量。 该系统分 4个部分 井下数据测量系统、 井下信 号处理传输系统、 地面转换接 口系统、 通用计算机工 作系统软件。流程如图 3所示 。 井下数 据测量 ①压力测量 ②阀位测量 信号处理与传输 将测量结果转化 为电信号 地面转换系统 接 收电信号并 转化软件识数数 计算机 软软件系统 ①压力数据 ② 阀位显示 图 3 测量系统工作流程 1 地面接口箱的作用是将市电转换成直流电 源通过电缆供给井下 ， 同时将井下传上未的信号进 行处理后送给计算机处理 。 现场提供条件 ① 电源为交流 5 0 Hz ， 电压 3 8 0 V} ②井下至地面单芯电缆长 1 0 0 0 m， 电缆规格 为 5 mm， 电 缆 直 流 电 阻 1 8 Q ／ k m， 电 缆 电容 1 9 0 p F ／ m； ③接 口箱应提供 电源插头带线 3 m， 井 口至 值班房双芯信号电缆长 4 0 m 带收放线盘 ， 接 口箱 至通用计算机通讯电缆长 1 ． 5 m。 2 井下测量与信号传输系统的作用是将地面 送到井下的电源转换成工作 电源 ， 采样位移开关传 感器和压力传感器信号 ， 通过一系列信号处理后 ， 将 综合信号经调制并通过电缆发送到地面。 系统提供传感器参数 。 ①位移开关传感器结构 部分和位移开关传感器敏感头及外围测量 电路 l ② 压力传感器量程为 0 ～3 5 MP a ， 压力传感器输入 电 压为 9 ～3 O V D C， 压力传感器输出为 0 ～5 V D C} ③使用环境温度 一2 O ℃～1 2 0 ℃， 振动频率 3 Hz ， 振 幅 3 mm。 3 测量系统工作软件适合 Wi n d o ws X P操作 系统 ， 独立界面 ， 具有 如下功能 ①软件界面显示压 力测量 曲线 ， 即横坐标为时间， 纵坐标为压力值 ； ② 石油 矿场 机 械 2 O 1 2年 5月 软件界面显示 当前压力测量的数值和开关信号变化 域值 ； ③软件 界 面显示 的数 据更 新 时 间 为 1 S ； ④ 开 关信号域值和压力测量 的数值均设置文件存储 ， 并 可 打印 和重显 。 2 ． 2位 置设计 偏心 筒外部 局部俯 视 图如 图 4所示 。单 芯 电缆 由地面 随同液 压传输 管线 下入 至井筒 压力 控制 阀位 置 ， 序号 2处 为 1个 电 缆 接 线 柱 ， 单 芯 电 缆 与 其 相 连 ， 在井 口用 1 根 同样 的电缆 与套管 头相连 ， 从 而形 成 回路 ， 实现对井下数据的采集 。电路板腔室加工 于偏心外筒一侧， 置于电路板上的信号处理系统将 数据传输至电缆接线柱连接， 电路板 中信号处理 系 统 的信 号来 源于 与下部 连接 的传感 器 。 2 1 电路板腔室 ； 2 一 电缆接线柱 3 液压管线 b ； 4 一液压管线 a 图 4 偏心简外部局部俯视 图 无磁材料抗压骨架固定 ， 正对永磁体上方安装 1个 传 感器 ， 当 阀板 打开 到 位 后会 推 动 弹性 钢 片 从 如 图 6 所 示 T O T1 状 态变化 到如 图 7所 示 T1 一 T2状态 ， 由于永 磁铁 随弹性 钢 片 的移 动 ， 会 使 传感 器 感 应 到 磁性 的变化 ， 从而产 生信 号 ， 传 感器产 生 的信 号通 过 信号线传至图 4中电路板腔室 中， 会导致地面输入 电压 变化 ， 转 换信 号后 ， 通过 电缆将 如图 8所示 电压 变化值传输至地面处理器 ， 再用计算机软件接 收并 显示在操作界 面上， 从 而直观 地判断 阀板 的开关 位 置 。 2 ． 3 阀板 压 力测 量装 置 压力测量装置结构如图 5所示 ， 压力传感器敏 电 感应变膜将压力感应传至电路器件转换为电信号 ， 然后通过信号线传至图 4中电路板腔室 中， 再通过 电缆传输至地面处理器， 再用计算机软件将传至地 面 的压力 数据 显示 在 软 件界 面 上 ， 从 而 实现 对 阀板 下 压力 的测量 。 1 固定螺环 ； 2 密封圈 ； 3 -一敏感应 变膜 ； 4 传感器连 接骨架 ； 5 一 电路器件 ； 6 信号线 图 5压力测量装 置结 构 2 ． 4阀板 开位 指示 装置 阀板 开 位 指示 装 置 如 图 6 所 示 ， 圆柱形 永 磁 铁 通过 螺钉 与 弹性 钢 片 连 接在 一 起 ， 弹 性 钢 片上 端 与 l 弹性钢 片； 2 联动螺钉 ； 3 一 永磁 体 ； 4 传感器 ； 5 - - 抗压骨架 ； 6 ⋯ 电源与信号线 图 6 阀板开位指示装置 T O T1 状 态 图 7 阀板开位 指示装置 T1 一 T 2状态 T0 Tl T2 t 图 8 TO T1和 T1 一 T2位 置 对 应 电压 值 3 室 内试验 在 完成 样 机加 工 后 ， 分别 进 行 了 阀板 下压 力 监 测 和 阀板开 位 指 示 2项 功 能 室 内试 验 。试 验 过 程 为 当阀板处 于如 图 2所示 关 闭位置 时 ， 从 阀板下 通 过 试压 泵 加 压 ， 2个 测 量装 置分 别 测 得所 加 压 力 以 及 阀板 处于关 闭位 置 ， 在 计 算 机软 件 系 统 中显 示 出 测得 的即 时压力值 和压 力 变化 曲线 ， 以及 阀板 关 位 的模拟 图 。 当阀 板处 于 如 图 l所示 打 开位 置 时 ， 控 制 阀 内 部未加 压 ， 压 力测 量装置 显示 压力 为零 ， 阀位指示 测 得 阀板处 于开位 ， 并 在计 算 机 软 件 系统 中显 示 阀板 开位 的模 拟图 。 2 0 1 2 年第 4 1 卷 第 5 期第 4 3页 石 油矿 场机 械 0I L F I ELD E QUI P ME NT 文 章 编 号 1 0 01 - 3 48 2 2 0 1 2 0 5 00 4 3 0 5 柱塞气举天然气井用在线监测 系统设计 童征 ， 沈泽俊 ， 郑立臣 ， 师俊峰 ， 高 向前 中国石油勘探开发研究院 ， 北京 1 0 0 0 8 3 摘 要 根 据 气井的 生产 需求 ， 结合柱 塞 气举 工艺 的特 点和技 术现 状 ， 提 出一 种 可进 行 在 线监 测 的 柱 塞排 液采 气 系统 的设计 方案 。该 系统在 柱塞 运行期 间处 于封 闭状 态， 井下监 测 、 排 液采 气和 数据传 输之 间互不影 响 ， 具有 结构 紧凑 、 作 业 效率 高 、 安 全性好 、 关井停 产次数 少等优 点 。该技 术 的应 用可 在一定程度上取代传统的电缆测井方式， 为今后柱塞气举 的 自动化生产与管理提供 了重要 的技 术 保 障 。 关键 词 柱塞 气举 ； 在线监 测 ； 无线射 频 通信 ； 声 波发射 器 ； 排 液采 气 ； 自动化 中图分类 号 TE 9 3 8 ． 5 0 2 文献 标识 码 A De s i g n o f Pl u ng e r Li f t S y s t e m wi t h On l i n e M o ni t o r i n g f o r Ga s W e l l De I i qu i f i c a t i O n TONG Z h e n g ， SHEN Z e j u n， ZHENG Li c h e n， S HI J u n f e n g， GAO Xi a n g q i a n Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Pe t r o l e u m Ex pl o r a t i o n De v e l o p me n t ， Pe t r o J h i n a ， Be i j i n g 1 0 0 0 8 3， Ch i n a Ab s t r a c t I n t e r m s of c ur r e n t s i t ua t i o n o f pl u nge r l i f t t e c h ． a nd t he f i e l d de m a nd on t he d e l i q u i f i c a t i o n o f g a s we l l s， t hi s p a p e r p ut f o r wa r d a n i m p r o ve d s ol u t i o n t o t he s y s t e m wi t h o n l i ne mo ni t o r i ng ． Du r i ng o p e r a t i on o f s ys t e m ， do wn ho l e l o gg i ng a nd d a t a t r a ns m i s s i o n ha ve no s i de e f f e c t o n t h e d e l i qu i f i c a t i o n o f g a s we l l s ． I ns t e a d o f t he t r a d i t i on a l wi r e l i ne l o gg i ng， t he n e w s y s t e m wo r k s i n t h e c l o s e d e n vi r o n m e nt wi t h t h e a dv a n t a g e s o f c ompa c t me c h a ni c a l s t r u c t ur e． hi g h s e r v i c e e f f i c i e nc y， go od s a f e t y a nd l e s s no n pr o du c t i v e t i me ． Vi a o n l i ne m o n i t o r i ng t e c h． t he ne w s y s t e m p r o 一 4 结 论 设计 的井筒压力控制 阀在 阀座上安装压力传 感 器 和 阀 位 指 示 装 置 。室 内 试 验 结 果 表 明 所 设 计 测 量装 置 可 以对 欠 平 衡 状 态 下起 下 钻 过 程 中 阀 板 下 的压 力 变 化 趋 势 和 阀 板 开 位 进 行 监 测 ， 防 止 含气油藏气体置换导致 的圈闭压力对 井筒控制安 全 的 影 响 ， 而 且 所 测 压 力 值 可 以 更 精 确 地 反 映 打 开套 管 阀 时 施 加 的 平 衡 压 力 。在 下 钻 过 程 ， 对 阀 板 开 位 的指 示 可 以 确 定 阀 板 是 否 完 全 处 于 开 位 ， 防 止 钻头 对 阀板 的 刮碰 ， 避 免 损 坏 控 制 阀 ， 提 高 操 作 安 全性 。 参考文献 [ 1 ] 王辉 ， 李俊儒 ， 李滨 ， 等． 欠平衡钻井井下套管 阀的 [ 2 ] [ 3 2 E 4 2 [ 5 ] 研制 [ J ] ． 断块油气 田， 2 0 0 6 ， 1 3 4 5 2 5 4 ． 李斌 ， 沈雪峰． 全过程欠平衡钻井井下套管 阀结构 改 进 及优化 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 9 3 3 3 7 ． 陈永 明． 全过程欠平 衡钻井 中的不压 井作 业[ J ] ． 石 油 钻 探 技 术 ， 2 0 0 6， 3 4 2 2 2 2 5 ． 常玉连 ， 魏静 ， 高胜 ， 等． 独立式不压井作业装备 技 术发展 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 O 4 1 2 1 6 ． St e ve Her b al ， Rod Gr a n t， Br i a n Or a y s on， e t a 1 ．Down hol e De pl o yme n t Val ve Addr e s s es Pr o bl e ms As s o c i a t e d wi t h Tr i pp i n g Dr i l l Pi pe Du r i ng Unde r h a 1 a n c e d Dr i l l i n g Op e r a t i o n s [ R ] ． I AD C ／ S P E A s i a P a c i f i c D r i l l i n g Te c h n o l o g y， J a k a r t a ， I n d o n e s i a ， 2 0 0 2 ． 收稿 日期 2 0 1 1 1 1 O 6 项 目来源 发明专利“ 一种用于气井在线测量的柱塞装置及柱塞排液采气系统” 2 0 1 1 1 0 1 4 6 1 3 2 ． 1 作者简介 童征 1 9 7 8 一 ， 男 ， 福建龙岩人 ， 工 程师 ， 硕士 ， 主要 从事石 油钻采机 械研发 工作 ， E ma i l t o n g z h e n g l 9 3 2 p e t r o c hi na ． e o m．c n。