井下套管阀下入深度设计方法及实例分析

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1、井下套管阀下入深度设计方法及实例分析12白晓捷宋瑞宏（1.大庆钻探工程公司钻进工程技术研究院;2.大庆钻探工程公司工程技术管理处）摘要科学地确定出井下套管阀的下入深度是实现全过程欠平衡钻井的一项关键技术。在分析套管阀工具组成、技术参数、工艺原理的基础上,给出了套管阀下入深度的9项原则，总结了套管阀下入深度的9项理论算法，并创新的提出了下入深度公差值理论。本文同时给出了大庆达深9井套管阀下入深度设计实例分析，对钻井工程设计人员计算套管阀下入深度具有指导意义。关键词：井下套管阀；全过程欠平衡；理论算法；实例分析井下隔离法全过程欠平

2、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的必备技术装[1]备之一。本文在介绍套管阀工具组成、工艺原理及技术参数的基础上，重点对套管阀下入深度的设计方法进行了研究，给出了详细的设计原则及算法，并进行了细致的实例分析。一、井下套管阀系统概述1.井下套管阀工具组成井下套管阀是连接在套管之间的弹簧止回阀。通常安装在井下500-3000m之间，关闭后能封闭整个井眼，打开后允许复杂管串通过。按阀门密封理论分析，井下套管阀的密封机理属于“机械压紧

3、式零渗漏密封”。井下套管阀系统集合机械、电子、液压等多学科前沿技术，图1为井下套管阀系统组成图。整套系统按图中标注：①定滑轮；②控制线；③地面液压控制系统；④井口穿越系统；⑤管线护卡；⑥井下阀体工具系统。图中为套管阀安装调试时的系统连接流程，正常使用时需卸掉定滑轮[2]及其连线。图1井下套管阀系统组成图图2套管阀系统工艺流程图2.井下套管阀工艺原理欠平衡钻井过程中需要起钻时,首先将钻具带压起钻至井下套管阀以上,然后通过地面控制装置关闭阀板,泄掉上部套管内的压力,敞开井口,按照常规方法起钻。下钻时按常规方法下至阀板上方后,首先利

4、用旋转防喷系统和常规闸板防喷器密封井口,然后从井口泵入流体以平衡阀板下方的压力,通[3]过地面控制装置打开阀板,最后打开闸板防喷器,带压下钻到井底并进行欠平衡钻进。图2为套管阀系统工艺流程图。其中:点划线代表地面组装调试时的系统工艺流程图；虚线代表安装调试时的系统工艺流程图；实线代表正常操作时的系统工艺流程图。3.井下套管阀工具参数及技术指标目前国内外多家公司均在进行井下套管阀工具的优化，笔者归纳了9-5/8"套管阀最优参数及技术指标，见表1。1表195/8"套管阀工具参数及技术指标参数项目具体参数技术指标外径（mm）Φ305

5、mm下入Φ311mm直井眼最深3000m。内径（mm）Φ220.5mm与95/8"套管本体内径一致。长度（mm）3.3m（Φ305mm本体）对井身质量无苛刻要求。本体钢级40CrMnMoσb≥1080MPa允许最大流体压差35MPa在35MPa压差下金属密封安全系数≥1.5抗拉、抗内压、抗外挤抗拉安全系数：1.8，抗挤安全系数：35MPa性能1.3，抗内压安全系数：1.3。控制压力0～35MPa控制压力与套管阀背压的比压为1:8。抗拉强度390t套管阀下入时允许的最大上提力390t。额定耐温-40～127℃在该温度范围内，各项

6、功能保持稳定。二、井下套管阀下入深度设计原则井下套管阀随技术套管下入井内，其下入的理论深度由工程设计人员根据该井前期资料推算得来。下井作业前，现场作业人员根据实际情况对理论数值适当调整后确定实际下入深度。笔者结合理论研究和现场经验，给出了井下套管阀下入深度的设计原则：1．考虑欠平衡作业复杂管串长度，套管阀的下深应大于钻井、测井、完井下部复杂管串（地面防喷器无法密封的部分）长度；2．考虑负压差下作业管串所受的上顶力，套管阀关闭前管串重量应大于最大上顶力；3．考虑套管阀关闭时间与背压建立速度之间的关系，关闭时间根据背压建立速度灵活

7、调节；4．考虑套管阀关闭憋压后，地面设备的平衡能力；5．考虑地层温度、流体温度对整套设备的限制，应控制套管阀处温度不超过127℃；6．考虑井身质量与工具下井难度之间的协调关系，外径越小、长度越短则对井身质量的要求越低；7．考虑液压远程控制系统响应时间与套管阀下深的关系，深度越大液压管线越长，由此导致的沿程响应时间就越长；8．考虑套管阀关闭后，阀板在流体中的受力情况。在套压平衡点附近，阀板两侧压力一致；9．考虑套管阀下入深度加深与作业成本的关系，加深后控制线、卡子的用量增加，且套管阀安装及使用的风险增大。三、井下套管阀下入深度理

8、论算法套管阀下入深度应采取统筹计算的方式，取各分项计算结果交叠的部分，并取中间值。笔者结合现场经验创新的提出了下深公差值的理论：由于现场作业时存在较多不确定性，套管阀下井前往往存在临时微调下深的情况。如果下深的设计者能够前期提供一个基准下深并给出上下允许偏差值，作业人员临时调