井下套管阀发展方向预测

井下套管阀发展方向预测 高翔
摘要
 井下套管阀是实现全过程欠平衡作业的关键技术装备。美国Weatherford公司及国内新疆钻井院研制的套管阀分别在国际、国内处于领先地位。该技术使欠平衡起下管串作业变得更加快速、安全、高效。如能按本文预测的发展方向进一步优化，该技术将具有更为广阔的应用前景。 
主题词：井下套管阀 全过程欠平衡 应用前景 发展方向
    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的必备技术装备之一。本文作者通过长期研究，总结了套管阀技术的特点并提出了对发展方向的认识。
1 井下套管阀的国内外现状
1.1 国外Weatherford的DDV套管阀起步较早，应用较多，国际领先
 井下套管阀技术是上世纪90年代中后期出现的一项新技术，针对该项新技术，国外很多公司都展开了相应的研究工作，先后研究开发出双液压管线控制、单液压管线控制、钻柱卡环操控、钻柱变径控制等结构的井下控制阀。经过现场应用对比，最终美国Weatherford公司研制成功的双液压管线控制井下套管阀在技术性能及应用方面显示出优越性并逐渐成熟起来，自2001年以来，该公司生产的井下套管阀已在美国、加拿大、东南亚等许多油田使用了100多只，取得了良好的应用效果。据统计美国Weatherford的DDV套管阀前后共展开了将近7年的工作，在经过“设计-加工-试验-优化设计-试验”其间进行了3-4改进才获得了今天这样良好的性能。
 Weatherford公司套管阀主要由井筒压力密封部件阀板和主体以及开关控制筒等组成。目前已经形成了7″和9 5/8″井下套管阀系列及应用于全过程欠平衡钻井的配套专用工具，其中7″套管阀最高密封压力达70 Mpa， 9 5/8″套管阀密封压力达到35Mpa，额定温度均为150℃，最大下深达3000多米。
 2003年国内首次在新疆夏72井引进应用了Weatherford公司9 5/8″井下套管阀，下深411米，历时61天，完成15次不压井起下钻及带压测井作业，应用效果良好。通过初步统计，截至目前，该公司的套管阀在世界范围内共下井二百多套，我国购进了数十套，各大油田基本都有应用。
 国外其它公司包括斯伦贝谢、哈里伯顿都有成型的套管阀，但其技术指标稍低于Weatherford公司的DDV，这一点在国外市场的占有量上就可充分体现。
1.2 国内新疆钻井院研究起步较早，多次现场试验
 伴随套管阀在夏72井的成功应用，新疆钻井院同步进行了套管阀技术的调研和研制工作，先后投入400多万，于2004年科研攻关取得了突破性进展， 2004年10月在夏202井对自行研制的9 5/8″套管阀进行了现场试验，该套管阀安装于距离井口400米处，液压控制系统最大压力20MPa，工作压力小于15MPa，在井下经过了7次顺利开关。由于气侵井下产生了9.3MPa的压力，通过正向压力平衡后，成功开启。套管阀的各项技术性能得到了初步的检验。
 截至目前新疆钻井院已形成应用于全过程欠平衡作业的7″和9 5/8″套管阀系列装备，密封压力等级达到Weatherford公司井下套管阀技术指标。目前新疆套管阀已累计下井试验十几套，其现场试验次数在国内处于绝对领先水平。目前新疆已研发出第二代带传感器的套管阀并也投入了现场试验。
1.3 国内其它油田基本无现场应用
 由于套管阀内部结构复杂，运动部件较多。存在设计难度大，加工难度大，试验失败率高等特点，要想有所突破，必然经过多口井的试验摸索-积累过程，如果不能坚持进行多次试验，该技术装备必然会被荒废。据了解，国内其它起步较早的油田（包括：北京、胜利等）现场试验次数极少，可以说基本处于调试或停滞阶段。
2 井下套管阀技术特点
 井下套管阀整套系统包括：井下阀板、井下阀体、地面液压系统、控制线、管线卡子。其中，井下阀体内部承托的井下阀板为整套系统的核心部件。固井时井下阀体随套管一同下入预定深度。使用时，地面操作人员通过控制地面液压系统从而远程控制井下阀板的开关。图1为井下阀体装配图。
  
 图1 井下阀体装配图
 目前国外Weatherford公司的井下DDV套管阀在世界范围内应用较多，套管阀能够实现欠平衡钻井快速、安全、高效的起下管串作业，取代不压井起下钻装置，彻底消除压井对地层的伤害。同时，套管阀技术也存在一些不足。具体总结如下：
隔离装置位于井下，与井口隔离装置相比，更为安全、高效。但远程控制难度
较大；
内部结构复杂，运动精密，具有较高的密封性和运动稳定性。但也具有较高的
作业成本。
一旦密封实效，内部具有应急装置，套管阀仍具有可控性。提高安全系数的同
时，也提高了整体作业成本。
由于安装、控制程序复杂，地面配套部件较多。配套部件的成本甚至超过了井
下工具的成本。
9 5/8″套管阀的最大额定压力为35MPa，如预测的井下储层压力差过35MPa，阀
门关闭时间过长则存在使用风险。
 6）由于气相与液相的流动特点不同，目前的套管阀只是针对液相流动密封进行设
计，虽然在地面试验中也能实现封气体，但在井下的气、不规则固相颗粒高速流冲击作用下套管阀很难保证实现稳定多次的开关密封作业。
 7）套管阀在井下400-3000米的环境下工作，在一定温度压力下，同时需要与泥浆、
岩屑颗粒接触，因此它的使用寿命十分有限，密封效果逐渐下降一般开关十几次后就不能保证良好密封。
 8）目前国际上较为流行套管阀为一次性投入使用产品，使得套管阀的作业成本难以大幅下降。
3 应用前景及发展方向预测
 套管阀是全过程欠平衡作业关键装备。随着欠平衡技术的发展，该技术装备的应用规模将进一步扩大。较高的作业成本成为制约该装备发展的关键因素。如果能通过技术变革降低作业成本，套管阀的竞争力将大幅提高。
 下面列出了预测的套管阀发展方向：
 1）阀体及控制线可回收式井下套管阀。如能实现阀体及控制线的回收，每口井的
综合作业成本将下降20万以上。
 2）双重密封的井下套管阀。针对于特别重要的井，可以考虑研制井下阀体自带双重密封保险装置的套管阀，保证即使出现阀体故障，仍能维持数次开关的一种保险机构。
 3）专用于密封气体介质的井下套管阀
 针对于气体钻井，应研制一种专用于气体打开储层使用的密封气体的套管阀。同时该套管阀也具备密封液相的能力，但是一般不推荐使用。
 4）精简型套管阀。针对于一般的使用需求，简化内部结构，设计一种零件较少、机构简单的套管阀。每口井的投入成本达到原有成本的一半。
 5）集成更多功能的井下套管阀（例如集成井下气体成分检测装置）。在略微提高成本的前提下，增加套管阀的附属功能，提高该装备的竞争力。
 上面介绍的发展方向预测基于现场需求和目前新技术的发展综合得来。但要想将预测成为现实，需要研发人员大胆的尝试设计和不断的试验摸索。
4 结论和认识
1) 采用套管阀的井下隔离技术是实现全过程欠平衡钻井最为简捷、安全的技术，国外较为成熟，国内需对该技术进行更深入的研究。
2) 井下套管阀技术具有鲜明的优点，但目前在技术的应用范畴、技术保险功能、工作寿命等方面仍存在一定的问题。
3）目前气体钻井打开储层迫切需要一种既能密封气相又能密封液相的井下套管阀，应用领域迫切需要这种成熟产品的出现。但是要想在短期之内真正形成性能优越的该类产品，难度很大。
4）随着欠平衡技术的发展，套管阀的应用规模将进一步扩大。
5）提高作业安全性、提高工具稳定性、降低作业成本，是套管阀技术的核心竞争力。
参考文献
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