可测压力与阀位的井筒压力控制阀设计

陈思路

（1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249；2.长城钻探工程技术研究院，辽宁 盘锦 124010）①

全过程欠平衡是指在不压井的条件下实现欠平衡钻进和过井口密封装置带压起下钻具、电测仪器、完井管具等［1－2］。随着欠平衡钻井技术在国内油田的推广应用，要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大，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要求，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［3－5］。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。

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。

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，同时将井下传上来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50Hz，电压380 V；②井下至地面单芯电缆长1 000m，电缆规格为5mm，电缆直流电阻18Ω／km，电缆电容190 pF／m；③接口箱应提供电源插头带线3m，井口至值班房双芯信号电缆长40m（带收放线盘），接口箱至通用计算机通讯电缆长1.5m。

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；②压力传感器量程为0～35MPa，压力传感器输入电压为9～30VDC，压力传感器输出为0～5VDC；③使用环境温度－20℃～120℃，振动频率3Hz，振幅3mm。

3）测量系统工作软件适合Windows XP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1s；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。

图4 偏心筒外部局部俯视图

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。

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T0－T1状态变化到如图7所示T1－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。

图6 阀板开位指示装置T0－T1状态

图7 阀板开位指示装置T1－T2状态

图8 T0－T1和T1－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1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。

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。

［1］王 辉，李俊儒，李 滨，等.欠平衡钻井井下套管阀的研制［J］.断块油气田，2006，13（4）：52－54.

［2］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，2010，39（9）：33－37.

［3］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，2006，34（2）：22－25.

［4］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，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.