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井下套管閥發(fā)展方向預(yù)測(cè)
井下套管閥發(fā)展方向預(yù)測(cè) 高翔摘要
井下套管閥是實(shí)現(xiàn)全過(guò)程欠平衡作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)裝備。美國(guó)Weatherford公司及國(guó)內(nèi)新疆鉆井院研制的套管閥分別在國(guó)際、國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。該技術(shù)使欠平衡起下管串作業(yè)變得更加快速、安全、高效。如能按本文預(yù)測(cè)的發(fā)展方向進(jìn)一步優(yōu)化，該技術(shù)將具有更為廣闊的應(yīng)用前景。
主題詞：井下套管閥 全過(guò)程欠平衡 應(yīng)用前景 發(fā)展方向
井下隔離法全過(guò)程欠平衡鉆井技術(shù)是目前最實(shí)用、最安全的一項(xiàng)新技術(shù)。井下套管閥采用井下隔離法實(shí)現(xiàn)全過(guò)程欠平衡作業(yè)，降低帶壓強(qiáng)行起下鉆作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，是實(shí)現(xiàn)全過(guò)程欠平衡的必備技術(shù)裝備之一。本文作者通過(guò)長(zhǎng)期研究，總結(jié)了套管閥技術(shù)的特點(diǎn)并提出了對(duì)發(fā)展方向的認(rèn)識(shí)。
1 井下套管閥的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
1.1 國(guó)外Weatherford的DDV套管閥起步較早，應(yīng)用較多，國(guó)際領(lǐng)先
井下套管閥技術(shù)是上世紀(jì)90年代中后期出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，針對(duì)該項(xiàng)新技術(shù)，國(guó)外很多公司都展開(kāi)了相應(yīng)的研究工作，先后研究開(kāi)發(fā)出雙液壓管線控制、單液壓管線控制、鉆柱卡環(huán)操控、鉆柱變徑控制等結(jié)構(gòu)的井下控制閥。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用對(duì)比，最終美國(guó)Weatherford公司研制成功的雙液壓管線控制井下套管閥在技術(shù)性能及應(yīng)用方面顯示出優(yōu)越性并逐漸成熟起來(lái)，自2001年以來(lái)，該公司生產(chǎn)的井下套管閥已在美國(guó)、加拿大、東南亞等許多油田使用了100多只，取得了良好的應(yīng)用效果。據(jù)統(tǒng)計(jì)美國(guó)Weatherford的DDV套管閥前后共展開(kāi)了將近7年的工作，在經(jīng)過(guò)“設(shè)計(jì)-加工-試驗(yàn)-優(yōu)化設(shè)計(jì)-試驗(yàn)”其間進(jìn)行了3-4改進(jìn)才獲得了今天這樣良好的性能。
Weatherford公司套管閥主要由井筒壓力密封部件閥板和主體以及開(kāi)關(guān)控制筒等組成。目前已經(jīng)形成了7″和9 5/8″井下套管閥系列及應(yīng)用于全過(guò)程欠平衡鉆井的配套專用工具，其中7″套管閥最高密封壓力達(dá)70 Mpa， 9 5/8″套管閥密封壓力達(dá)到35Mpa，額定溫度均為150℃，最大下深達(dá)3000多米。
2003年國(guó)內(nèi)首次在新疆夏72井引進(jìn)應(yīng)用了Weatherford公司9 5/8″井下套管閥，下深411米，歷時(shí)61天，完成15次不壓井起下鉆及帶壓測(cè)井作業(yè)，應(yīng)用效果良好。通過(guò)初步統(tǒng)計(jì)，截至目前，該公司的套管閥在世界范圍內(nèi)共下井二百多套，我國(guó)購(gòu)進(jìn)了數(shù)十套，各大油田基本都有應(yīng)用。
國(guó)外其它公司包括斯倫貝謝、哈里伯頓都有成型的套管閥，但其技術(shù)指標(biāo)稍低于Weatherford公司的DDV，這一點(diǎn)在國(guó)外市場(chǎng)的占有量上就可充分體現(xiàn)。
1.2 國(guó)內(nèi)新疆鉆井院研究起步較早，多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
伴隨套管閥在夏72井的成功應(yīng)用，新疆鉆井院同步進(jìn)行了套管閥技術(shù)的調(diào)研和研制工作，先后投入400多萬(wàn)，于2004年科研攻關(guān)取得了突破性進(jìn)展， 2004年10月在夏202井對(duì)自行研制的9 5/8″套管閥進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該套管閥安裝于距離井口400米處，液壓控制系統(tǒng)最大壓力20MPa，工作壓力小于15MPa，在井下經(jīng)過(guò)了7次順利開(kāi)關(guān)。由于氣侵井下產(chǎn)生了9.3MPa的壓力，通過(guò)正向壓力平衡后，成功開(kāi)啟。套管閥的各項(xiàng)技術(shù)性能得到了初步的檢驗(yàn)。
截至目前新疆鉆井院已形成應(yīng)用于全過(guò)程欠平衡作業(yè)的7″和9 5/8″套管閥系列裝備，密封壓力等級(jí)達(dá)到Weatherford公司井下套管閥技術(shù)指標(biāo)。目前新疆套管閥已累計(jì)下井試驗(yàn)十幾套，其現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)次數(shù)在國(guó)內(nèi)處于絕對(duì)領(lǐng)先水平。目前新疆已研發(fā)出第二代帶傳感器的套管閥并也投入了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。
1.3 國(guó)內(nèi)其它油田基本無(wú)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
由于套管閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)部件較多。存在設(shè)計(jì)難度大，加工難度大，試驗(yàn)失敗率高等特點(diǎn)，要想有所突破，必然經(jīng)過(guò)多口井的試驗(yàn)摸索-積累過(guò)程，如果不能堅(jiān)持進(jìn)行多次試驗(yàn)，該技術(shù)裝備必然會(huì)被荒廢。據(jù)了解，國(guó)內(nèi)其它起步較早的油田（包括：北京、勝利等）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)次數(shù)極少，可以說(shuō)基本處于調(diào)試或停滯階段。
2 井下套管閥技術(shù)特點(diǎn)
井下套管閥整套系統(tǒng)包括：井下閥板、井下閥體、地面液壓系統(tǒng)、控制線、管線卡子。其中，井下閥體內(nèi)部承托的井下閥板為整套系統(tǒng)的核心部件。固井時(shí)井下閥體隨套管一同下入預(yù)定深度。使用時(shí)，地面操作人員通過(guò)控制地面液壓系統(tǒng)從而遠(yuǎn)程控制井下閥板的開(kāi)關(guān)。圖1為井下閥體裝配圖。
圖1 井下閥體裝配圖
目前國(guó)外Weatherford公司的井下DDV套管閥在世界范圍內(nèi)應(yīng)用較多，套管閥能夠?qū)崿F(xiàn)欠平衡鉆井快速、安全、高效的起下管串作業(yè)，取代不壓井起下鉆裝置，徹底消除壓井對(duì)地層的傷害。同時(shí)，套管閥技術(shù)也存在一些不足。具體總結(jié)如下：
隔離裝置位于井下，與井口隔離裝置相比，更為安全、高效。但遠(yuǎn)程控制難度
較大；
內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)精密，具有較高的密封性和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。但也具有較高的
作業(yè)成本。
一旦密封實(shí)效，內(nèi)部具有應(yīng)急裝置，套管閥仍具有可控性。提高安全系數(shù)的同
時(shí)，也提高了整體作業(yè)成本。
由于安裝、控制程序復(fù)雜，地面配套部件較多。配套部件的成本甚至超過(guò)了井
下工具的成本。
9 5/8″套管閥的最大額定壓力為35MPa，如預(yù)測(cè)的井下儲(chǔ)層壓力差過(guò)35MPa，閥
門(mén)關(guān)閉時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則存在使用風(fēng)險(xiǎn)。
6）由于氣相與液相的流動(dòng)特點(diǎn)不同，目前的套管閥只是針對(duì)液相流動(dòng)密封進(jìn)行設(shè)
計(jì)，雖然在地面試驗(yàn)中也能實(shí)現(xiàn)封氣體，但在井下的氣、不規(guī)則固相顆粒高速流沖擊作用下套管閥很難保證實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定多次的開(kāi)關(guān)密封作業(yè)。
7）套管閥在井下400-3000米的環(huán)境下工作，在一定溫度壓力下，同時(shí)需要與泥漿、
巖屑顆粒接觸，因此它的使用壽命十分有限，密封效果逐漸下降一般開(kāi)關(guān)十幾次后就不能保證良好密封。
8）目前國(guó)際上較為流行套管閥為一次性投入使用產(chǎn)品，使得套管閥的作業(yè)成本難以大幅下降。
3 應(yīng)用前景及發(fā)展方向預(yù)測(cè)
套管閥是全過(guò)程欠平衡作業(yè)關(guān)鍵裝備。隨著欠平衡技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)裝備的應(yīng)用規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大。較高的作業(yè)成本成為制約該裝備發(fā)展的關(guān)鍵因素。如果能通過(guò)技術(shù)變革降低作業(yè)成本，套管閥的競(jìng)爭(zhēng)力將大幅提高。
下面列出了預(yù)測(cè)的套管閥發(fā)展方向：
1）閥體及控制線可回收式井下套管閥。如能實(shí)現(xiàn)閥體及控制線的回收，每口井的
綜合作業(yè)成本將下降20萬(wàn)以上。
2）雙重密封的井下套管閥。針對(duì)于特別重要的井，可以考慮研制井下閥體自帶雙重密封保險(xiǎn)裝置的套管閥，保證即使出現(xiàn)閥體故障，仍能維持?jǐn)?shù)次開(kāi)關(guān)的一種保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。
3）專用于密封氣體介質(zhì)的井下套管閥
針對(duì)于氣體鉆井，應(yīng)研制一種專用于氣體打開(kāi)儲(chǔ)層使用的密封氣體的套管閥。同時(shí)該套管閥也具備密封液相的能力，但是一般不推薦使用。
4）精簡(jiǎn)型套管閥。針對(duì)于一般的使用需求，簡(jiǎn)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種零件較少、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單的套管閥。每口井的投入成本達(dá)到原有成本的一半。
5）集成更多功能的井下套管閥（例如集成井下氣體成分檢測(cè)裝置）。在略微提高成本的前提下，增加套管閥的附屬功能，提高該裝備的競(jìng)爭(zhēng)力。
上面介紹的發(fā)展方向預(yù)測(cè)基于現(xiàn)場(chǎng)需求和目前新技術(shù)的發(fā)展綜合得來(lái)。但要想將預(yù)測(cè)成為現(xiàn)實(shí)，需要研發(fā)人員大膽的嘗試設(shè)計(jì)和不斷的試驗(yàn)摸索。
4 結(jié)論和認(rèn)識(shí)
1) 采用套管閥的井下隔離技術(shù)是實(shí)現(xiàn)全過(guò)程欠平衡鉆井最為簡(jiǎn)捷、安全的技術(shù)，國(guó)外較為成熟，國(guó)內(nèi)需對(duì)該技術(shù)進(jìn)行更深入的研究。
2) 井下套管閥技術(shù)具有鮮明的優(yōu)點(diǎn)，但目前在技術(shù)的應(yīng)用范疇、技術(shù)保險(xiǎn)功能、工作壽命等方面仍存在一定的問(wèn)題。
3）目前氣體鉆井打開(kāi)儲(chǔ)層迫切需要一種既能密封氣相又能密封液相的井下套管閥，應(yīng)用領(lǐng)域迫切需要這種成熟產(chǎn)品的出現(xiàn)。但是要想在短期之內(nèi)真正形成性能優(yōu)越的該類產(chǎn)品，難度很大。
4）隨著欠平衡技術(shù)的發(fā)展，套管閥的應(yīng)用規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大。
5）提高作業(yè)安全性、提高工具穩(wěn)定性、降低作業(yè)成本，是套管閥技術(shù)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。
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