鉆井多次循環(huán)開關(guān)閥技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展建議

于明武，何俊杰，靳 強(qiáng)，王德貴，王前敏，朱浩銘

(1.中海油服油田化學(xué)事業(yè)部，河北 三河 065201；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002；3.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002)

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鉆井多次循環(huán)開關(guān)閥技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展建議

于明武1，何俊杰2，3，靳 強(qiáng)3，王德貴2，3，王前敏3，朱浩銘3

(1.中海油服油田化學(xué)事業(yè)部，河北 三河 065201；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002；3.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002)

多次循環(huán)開關(guān)閥可在鉆柱的某一特定位置多次進(jìn)行流體通道的切換，廣泛應(yīng)用于水平井、大位移井中解決巖屑床堆積、地層漏失等問題，還可保護(hù)下方工具(MWD、LWD、渦輪、螺桿等)不受流體排量及流體性質(zhì)的損害。介紹了國內(nèi)外多家公司研制的多次循環(huán)開關(guān)閥，并進(jìn)行了技術(shù)對比分析。提出了多次循環(huán)開關(guān)閥的幾點(diǎn)發(fā)展建議。

鉆井；循環(huán)閥；發(fā)展趨勢

在油氣開發(fā)中，循環(huán)閥廣泛應(yīng)用于鉆完井作業(yè)，從而無需起鉆就可提高環(huán)空流速、促進(jìn)井眼中碎屑的排出或進(jìn)行隨鉆堵漏作業(yè)等[1]。循環(huán)閥一般安裝在對流體敏感性工具(MWD、LWD、渦輪、螺桿等)上方，用于更改井下流體流動(dòng)方向。常規(guī)循環(huán)閥在井下只能進(jìn)行一次流體循環(huán)通道的轉(zhuǎn)換，一旦激發(fā)無法重復(fù)使用，須起出地面復(fù)位后方可再次使用，作業(yè)時(shí)工具起下鉆次數(shù)多，作業(yè)中非有效工作時(shí)間長，嚴(yán)重影響了作業(yè)效率，增加了作業(yè)成本，無法滿足現(xiàn)場作業(yè)需求。為了解決這一問題，國內(nèi)外已經(jīng)開展了多次循環(huán)開關(guān)閥的技術(shù)研究。本文介紹了國內(nèi)外多次循環(huán)開關(guān)閥的技術(shù)現(xiàn)狀，分析了其技術(shù)特點(diǎn)，指出了產(chǎn)品的發(fā)展建議。

1 多次循環(huán)開關(guān)閥技術(shù)優(yōu)勢

相對常規(guī)循環(huán)閥，多次循環(huán)開關(guān)閥具有顯著優(yōu)勢：

1) 一次下入，可進(jìn)行多次開關(guān)。采用特殊機(jī)構(gòu)，可通過控制泵排量或投球使循環(huán)閥復(fù)位，從而實(shí)現(xiàn)多次開關(guān)。

2) 節(jié)約作業(yè)時(shí)間及成本。工具可多次開關(guān)，無需每次開關(guān)后將工具起出地面復(fù)位，從而減少起下鉆次數(shù)，減少作業(yè)時(shí)間，降低作業(yè)成本。

3) 保護(hù)下方螺桿馬達(dá)和鉆頭等工具。當(dāng)流量超出螺桿馬達(dá)和鉆頭等的額定參數(shù)時(shí)，激活循環(huán)閥，使流體分流或全部流向環(huán)空，從而保護(hù)循環(huán)閥下方工具不受損害。

4) 可循環(huán)顆粒狀、纖維狀以及酸性等流體，進(jìn)行堵漏作業(yè)或酸化作業(yè)。當(dāng)循環(huán)這類流體時(shí)，打開循環(huán)閥，使流體全部通過循環(huán)閥上的旁通孔流向環(huán)空，從而不損壞循環(huán)閥下方的MWD、LWD、渦輪和螺桿等。

5) 促進(jìn)巖屑排出，防止形成巖屑床。在井眼清洗出現(xiàn)問題時(shí)打開旁通孔，可增大排量，提高流體運(yùn)移能力，從而促進(jìn)巖屑排出。

2 國內(nèi)外多次循環(huán)開關(guān)閥技術(shù)現(xiàn)狀

國內(nèi)外已研制出多種可多次重復(fù)打開和關(guān)閉的循環(huán)開關(guān)閥，其中，國外具有代表性的有BAKER HUGHES公司、OILSCO技術(shù)公司、NOV公司以及PBL公司，國內(nèi)具有代表性的有寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司和北方雙佳鉆采機(jī)具公司。

2.1 國外現(xiàn)狀

2.1.1 BAKER HUGHES公司XP系列球激發(fā)式多次循環(huán)開關(guān)閥

BAKER HUGHES公司研制的XP系列球激發(fā)式多次循環(huán)開關(guān)閥(MBCV)[1-2]，其結(jié)構(gòu)如圖1示，主要由主體、上下球座、換位活塞、換位銷、捕球器等組成。MBCV主體上設(shè)有旁通孔，通過在地面上投球控制旁通孔的開啟與關(guān)閉，球最終儲存在捕球器中。流體泵送球進(jìn)入循環(huán)閥球座后，上球座下移激發(fā)換位活塞從而打開或關(guān)閉主體上的旁通孔，換位活塞的行程由上球座的行程控制。工作狀態(tài)的切換通過反復(fù)投大、中、小3種不同尺寸的球來實(shí)現(xiàn)。

1—主體；2—上球座；3—換位活塞；4—換位銷；5—彈簧；6—下球座；7—捕球器。

MBCV的技術(shù)優(yōu)勢是擁有3種流通方式：①流體通過主通道流向下方工具，進(jìn)行鉆磨銑等作業(yè)；②流體通過旁通孔全部流向環(huán)空，進(jìn)行堵漏作業(yè)；③流體按比例進(jìn)行分流，一部分流向下方工具，另一部分流向環(huán)空，保護(hù)下方鉆具不受流體損害，提高環(huán)空流體運(yùn)載能力，利于巖屑排出，降低形成巖屑床的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.2 National Oilwell Varco公司MOCS工具

NOV公司研制的多次打開循環(huán)接頭(MOCS)[3-4]，其結(jié)構(gòu)如圖2示，主要由主體、換位活塞、芯軸以及彈簧等組成。主體上設(shè)有旁通孔，換位活塞上設(shè)有球座和徑向孔。首次激發(fā)時(shí)，流體泵送球進(jìn)入循環(huán)閥，球坐封在球座后，換位活塞下移進(jìn)行換位，從而打開或關(guān)閉主體上的旁通孔及換位活塞上的徑向孔，實(shí)現(xiàn)流道的轉(zhuǎn)換；同時(shí)換位活塞繞中心旋轉(zhuǎn)，下移限位通過其下端的花鍵控制。它的顯著特點(diǎn)是只需要投1個(gè)球就可用流體控制實(shí)現(xiàn)流道多次轉(zhuǎn)換。

圖2 多次打開循環(huán)接頭

MOCS有2種流通方式：①流體通過主通道流向下方工具，進(jìn)行鉆磨銑等作業(yè)；②流體通過旁通孔全部流向環(huán)空，進(jìn)行堵漏或井眼清洗作業(yè)。其工作狀態(tài)可通過觀察立管壓力進(jìn)行判斷。

2.1.3 OILSCO技術(shù)公司Multi Activation Circulation Sub(MACS)工具

OILSCO技術(shù)公司研制的Multi Activation Circulation Sub(MACS)工具[5-6]，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由主體、噴嘴、換位活塞、換位銷以及彈簧等組成。MACS主體上設(shè)有旁通孔，孔上安裝有噴嘴并可更換。換位活塞表面均布有特殊的J形槽，底面設(shè)計(jì)有行程限位凸塊，與換位銷、彈簧配合形成換位機(jī)構(gòu)。通過地面上的泥漿泵控制井下噴嘴的開啟和關(guān)閉，無需投球或投入其他輔助設(shè)備。

1—主體；2—噴嘴；3—換位活塞；4—換位銷；5—彈簧。

MACS工具有2種流通方式：①流體通過主通道流向下方工具，進(jìn)行鉆磨銑等作業(yè)；②流體通過旁通孔上的噴嘴全部流向環(huán)空，進(jìn)行堵漏或井眼清洗作業(yè)。

2.1.4 PBL公司Multiple Activation Bypass System

PBL公司研制的Multiple Activation Bypass System(MABS)多次激發(fā)旁通系統(tǒng)[7]，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由主體、球座、彈簧、捕球器等組成。旁通系統(tǒng)主體上設(shè)有旁通孔，通過投大尺寸塑料球坐封憋壓激發(fā)，打開主體上的旁通孔；復(fù)位時(shí)需要投2個(gè)小尺寸鋼球鎖定，進(jìn)而憋壓剪切塑料球，打開主通道，球最終儲存在下方的捕球器中。

1—主體；2—球座；3—彈簧；4—捕球器。

MABS有兩種流道方式：①流體繞過球通過主通道流向下方工具，進(jìn)行鉆磨銑等作業(yè)；②流體通過旁通孔全部流向環(huán)空，進(jìn)行堵漏或井眼清洗作業(yè)。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

2.2.1 寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司多次鉆井循環(huán)閥

寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司研發(fā)的多次鉆井循環(huán)閥，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由主體、換位活塞、換位銷、芯軸、彈簧等組成。多次鉆井循環(huán)閥采用主通道常開設(shè)計(jì)，主體上設(shè)有旁通孔并安裝有限位機(jī)構(gòu)，通過在地面上開關(guān)泵控制旁通孔的開閉。多次鉆井循環(huán)閥是利用流體激發(fā)推動(dòng)活塞進(jìn)行換位，從而實(shí)現(xiàn)流體通道的轉(zhuǎn)換。工具的工作狀態(tài)由排量大小和換位銷在換位活塞上J形槽中的位置來決定[8]。只有當(dāng)換位銷處于換位活塞導(dǎo)向槽長槽一端時(shí)，旁通孔打開且主通道關(guān)閉，流體只能通過旁通孔流向環(huán)空。該公司已經(jīng)完成了171.45 mm(6英寸)、209.55 mm(8英寸)規(guī)格的多次鉆井循環(huán)閥設(shè)計(jì)，將此技術(shù)在連續(xù)油管作業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行了延伸，成功研制了73.0 mm(2英寸)、 88.9 mm(3英寸)連續(xù)管用多次循環(huán)閥，如圖6所示。

1—主體；2—換位活塞；3—換位銷；4—芯軸；5—彈簧。

a 主通道狀態(tài)

b 旁通狀態(tài)

這種多次循環(huán)閥具有兩種流道方式：①流體通過主通道流向下方工具；②流體通過旁通孔全部流向環(huán)空。

2.2.2 北方雙佳鉆采機(jī)具公司多級循環(huán)頭

北方雙佳鉆采機(jī)具公司研制的多級循環(huán)頭[9]，其結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要由主體、換位活塞、換位銷、推力軸承、彈簧等組成。多級循環(huán)頭主體上設(shè)有旁通孔，下部接有捕球器，通過在地面上投彈性球控制旁通孔的開啟與關(guān)閉，球最終儲存在捕球器中，捕球器管壁上設(shè)有過流孔，不影響流體流向下方。每次投球可產(chǎn)生一個(gè)明確的開關(guān)位置。

1—主體；2—換位活塞；3—換位銷；4—推力軸承；5—彈簧。

多次循環(huán)頭一次下入可開關(guān)6～8次，具有2種流道模式：①流體通過循環(huán)頭主通道流向下方工具；②流體按設(shè)計(jì)比例進(jìn)行分流，一部分流向下方工具，另一部分通過旁通孔流向環(huán)空。

2.3 各公司產(chǎn)品技術(shù)對比分析

國內(nèi)外幾家公司的多次循環(huán)開關(guān)閥在結(jié)構(gòu)原理上各具特色，技術(shù)特點(diǎn)對比如表1所示。

表1 多次循環(huán)開關(guān)閥產(chǎn)品性能對比

2.3.1 激發(fā)方式和開關(guān)次數(shù)

多次循環(huán)開關(guān)閥激發(fā)方式分為投球激發(fā)和流體激發(fā)兩種。投球式開關(guān)反應(yīng)速度慢，且開關(guān)次數(shù)受捕球器容積限制，一般為6～8次，受投球影響鉆柱組合不能靈活選擇，只能采用MWD進(jìn)行測斜，無法進(jìn)行機(jī)械測斜。流體激發(fā)式循環(huán)開關(guān)閥開關(guān)反應(yīng)速度快且受井斜角的影響小，開關(guān)次數(shù)不受限制，其實(shí)現(xiàn)方式基本都是通過調(diào)節(jié)排量使換位活塞在排量作用下產(chǎn)生不同的軸向位移，進(jìn)而控制開關(guān)，其安裝位置靈活，給鉆井工程師提供很大的靈活性，可采用多種測斜方式。

2.3.2 功能和優(yōu)缺點(diǎn)

所有產(chǎn)品都能保護(hù)其下方工具不受自身額定工作參數(shù)限制，能根據(jù)作業(yè)需要加大排量，提高環(huán)空流體返速，但不具有旁通流道方式的循環(huán)開關(guān)閥不能保護(hù)下方工具不受顆粒磨蝕性流體損害，因此不能進(jìn)行堵漏等需要帶顆粒性流體的作業(yè)，例如堵漏作業(yè)。

投球式工具可靠性高，工具工作狀態(tài)容易判斷，但需要精確的投球計(jì)數(shù)，誤投球會增加作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。流體激發(fā)式工具工作狀態(tài)與排量息息相關(guān)，對操作人員要求較高，需要仔細(xì)記錄泵排量，工具的工作狀態(tài)可通過觀察立管壓力進(jìn)行輔助判斷。

3 結(jié)論

1) 多次循環(huán)開關(guān)閥在解決巖屑床堆積、地層漏失、保護(hù)下方工具等方面比常規(guī)循環(huán)閥節(jié)約作業(yè)時(shí)間及成本，能大幅提高作業(yè)效率，具有很大的技術(shù)優(yōu)勢，是循環(huán)閥的發(fā)展趨勢，也是國內(nèi)外競相研究的熱點(diǎn)。

2) 目前，國內(nèi)外在多次循環(huán)開關(guān)閥的工程應(yīng)用方面還處于探索階段，應(yīng)加強(qiáng)對該工具及配套工藝的研究，推進(jìn)其發(fā)展應(yīng)用，以發(fā)揮其特有優(yōu)勢。

3) 多次循環(huán)開關(guān)閥主流的控制方式有投球激發(fā)和流體激發(fā)兩種。流體激發(fā)式可無限次開關(guān)，開關(guān)反應(yīng)速度快且受井斜角影響小，比投球式更節(jié)約設(shè)備和作業(yè)時(shí)間，因此流體激發(fā)式更符合用戶需求。流體激發(fā)式多次循環(huán)開關(guān)閥的核心技術(shù)是換位機(jī)構(gòu)，因此研發(fā)可靠性高的換位機(jī)構(gòu)是開發(fā)多次循環(huán)開關(guān)閥的研究重點(diǎn)。

[1] Mohsen Ali，Gregory Hern，Yang Xu.An Innovative Ball-Activated Multi-Cycle Circulation Valve for Completion and Drilling Applications[R].SPE 166777，2013.

[2] BAKER HUGHES.XP Multi-Cycle Ball-Activated Circulation Valve[EB/OL].(2012-12)[2015-07-25].http：//www.bakerhughes.com/news-and-media/resources/brochures/xp-multi-cycle-ball-activated-circulation-valve-po.

[3] National Oilwell Varco.Multiple Opening Circulation Sub[ EB/OL].[2016-04-10].http：//www.nov.com/Segments/Wellbore_Technologies/Downhole/Drilling_Tools/Multiple_Opening_Circulation_Sub/ Multiple_Opening_Circulation_Sub.aspx.

[4] Jeffery Ronald Clausen，Nicholas Ryan Marchand.Circulation Sub with Indexing Mechanism：US，8844634B2[P].2014.

[5] OILSCO Technologies.Multiple Activation Circulation Sub[EB/OL].[2016-04-10].http：//www.oilsco-tech.com/products/multi-activation-circulation-sub.

[6] Machocki，Krzysztof.Apparatus and Method for Controlling a Downhole Device：WO，2013/079929A2[P].2013.

[7] PBL.Multiple Activation Bypass System[EB/OL].[2016-04-10].http：//www.dsi-pbl.com/cms.php?pageName=9.

[8] 王德貴，閻永宏，董毅軍，等.一種能重復(fù)開閉的循環(huán)短節(jié)：中國，CN104632109A[P].2014.

[9] 潘志偉，杜克忠，董際春，等.多級循環(huán)頭：中國，CN201635682U[P].2010.

Technical Status and Development Suggestions of Multiple Activated Circulation Valve

YU Mingwu1，HE Junjie2，3，JIN Qiang3，WANG Degui2，3，WANG Qianmin3，ZHU Haoming3

(1.OilfieldChemicalsBusinessDivisionofCOSL，Sanhe065201,China；2.NationalOil&GasDrillingEquipmentResearchCenter，Baoji721002，China；3.CNPCBaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China)

Multiple activated circulation valve can change the fluid channel at a specific location several times，can be widely used in horizontal wells，large displacement wells to solve the cuttings bed accumulation，formation leakage etc.，can also protect below tool (MWD，LWD，turbine，screw，etc.) not to be damaged by fluid rate and fluid properties.Introduction has been conducted on the technical features of foreign and domestic companies multiple activated circulation valve.And some suggestions for the development of multiple activated circulation valve are put forward.

drilling；circulating valve；developing trend

2016-06-30

于明武(1978-)，男，吉林四平人，高級工程師，主要從事海洋油氣固井工程作業(yè)技術(shù)研究，E-mail：yumw@cosl.com.cn。

1001-3482(2016)11-0098-04

TE926

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.021