鉆井多次循環開關閥技術現狀及發展建議

于明武，何俊杰，靳 強，王德貴，王前敏，朱浩銘

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

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鉆井多次循環開關閥技術現狀及發展建議

于明武1，何俊杰2，3，靳 強3，王德貴2，3，王前敏3，朱浩銘3

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

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

鉆井；循環閥；發展趨勢

在油氣開發中，循環閥廣泛應用于鉆完井作業，從而無需起鉆就可提高環空流速、促進井眼中碎屑的排出或進行隨鉆堵漏作業等[1]。循環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方向。常規循環閥在井下只能進行一次流體循環通道的轉換，一旦激發無法重復使用，須起出地面復位后方可再次使用，作業時工具起下鉆次數多，作業中非有效工作時間長，嚴重影響了作業效率，增加了作業成本，無法滿足現場作業需求。為了解決這一問題，國內外已經開展了多次循環開關閥的技術研究。本文介紹了國內外多次循環開關閥的技術現狀，分析了其技術特點，指出了產品的發展建議。

1 多次循環開關閥技術優勢

相對常規循環閥，多次循環開關閥具有顯著優勢：

1) 一次下入，可進行多次開關。采用特殊機構，可通過控制泵排量或投球使循環閥復位，從而實現多次開關。

2) 節約作業時間及成本。工具可多次開關，無需每次開關后將工具起出地面復位，從而減少起下鉆次數，減少作業時間，降低作業成本。

3) 保護下方螺桿馬達和鉆頭等工具。當流量超出螺桿馬達和鉆頭等的額定參數時，激活循環閥，使流體分流或全部流向環空，從而保護循環閥下方工具不受損害。

4) 可循環顆粒狀、纖維狀以及酸性等流體，進行堵漏作業或酸化作業。當循環這類流體時，打開循環閥，使流體全部通過循環閥上的旁通孔流向環空，從而不損壞循環閥下方的MWD、LWD、渦輪和螺桿等。

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

2 國內外多次循環開關閥技術現狀

國內外已研制出多種可多次重復打開和關閉的循環開關閥，其中，國外具有代表性的有BAKER HUGHES公司、OILSCO技術公司、NOV公司以及PBL公司，國內具有代表性的有寶雞石油機械有限責任公司和北方雙佳鉆采機具公司。

2.1 國外現狀

2.1.1 BAKER HUGHES公司XP系列球激發式多次循環開關閥

BAKER HUGHES公司研制的XP系列球激發式多次循環開關閥(MBCV)[1-2]，其結構如圖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主體上設有旁通孔，通過在地面上投球控制旁通孔的開啟與關閉，球最終儲存在捕球器中。流體泵送球進入循環閥球座后，上球座下移激發換位活塞從而打開或關閉主體上的旁通孔，換位活塞的行程由上球座的行程控制。工作狀態的切換通過反復投大、中、小3種不同尺寸的球來實現。

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的技術優勢是擁有3種流通方式：①流體通過主通道流向下方工具，進行鉆磨銑等作業；②流體通過旁通孔全部流向環空，進行堵漏作業；③流體按比例進行分流，一部分流向下方工具，另一部分流向環空，保護下方鉆具不受流體損害，提高環空流體運載能力，利于巖屑排出，降低形成巖屑床的風險。

2.1.2 National Oilwell Varco公司MOCS工具

NOV公司研制的多次打開循環接頭(MOCS)[3-4]，其結構如圖2示，主要由主體、換位活塞、芯軸以及彈簧等組成。主體上設有旁通孔，換位活塞上設有球座和徑向孔。首次激發時，流體泵送球進入循環閥，球坐封在球座后，換位活塞下移進行換位，從而打開或關閉主體上的旁通孔及換位活塞上的徑向孔，實現流道的轉換；同時換位活塞繞中心旋轉，下移限位通過其下端的花鍵控制。它的顯著特點是只需要投1個球就可用流體控制實現流道多次轉換。

圖2 多次打開循環接頭

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

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

OILSCO技術公司研制的Multi Activation Circulation Sub(MACS)工具[5-6]，其結構如圖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，底面設計有行程限位凸塊，與換位銷、彈簧配合形成換位機構。通過地面上的泥漿泵控制井下噴嘴的開啟和關閉，無需投球或投入其他輔助設備。

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，進行鉆磨銑等作業；②流體通過旁通孔上的噴嘴全部流向環空，進行堵漏或井眼清洗作業。

2.1.4 PBL公司Multiple Activation Bypass System

PBL公司研制的Multiple Activation Bypass System(MABS)多次激發旁通系統[7]，其結構如圖4所示，主要由主體、球座、彈簧、捕球器等組成。旁通系統主體上設有旁通孔，通過投大尺寸塑料球坐封憋壓激發，打開主體上的旁通孔；復位時需要投2個小尺寸鋼球鎖定，進而憋壓剪切塑料球，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，進行鉆磨銑等作業；②流體通過旁通孔全部流向環空，進行堵漏或井眼清洗作業。

2.2 國內現狀

2.2.1 寶雞石油機械有限責任公司多次鉆井循環閥

寶雞石油機械有限責任公司研發的多次鉆井循環閥，其結構如圖5所示，主要由主體、換位活塞、換位銷、芯軸、彈簧等組成。多次鉆井循環閥采用主通道常開設計，主體上設有旁通孔并安裝有限位機構，通過在地面上開關泵控制旁通孔的開閉。多次鉆井循環閥是利用流體激發推動活塞進行換位，從而實現流體通道的轉換。工具的工作狀態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]。只有當換位銷處于換位活塞導向槽長槽一端時，旁通孔打開且主通道關閉，流體只能通過旁通孔流向環空。該公司已經完成了171.45 mm(6英寸)、209.55 mm(8英寸)規格的多次鉆井循環閥設計，將此技術在連續油管作業領域進行了延伸，成功研制了73.0 mm(2英寸)、 88.9 mm(3英寸)連續管用多次循環閥，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

b 旁通狀態

這種多次循環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空。

2.2.2 北方雙佳鉆采機具公司多級循環頭

北方雙佳鉆采機具公司研制的多級循環頭[9]，其結構如圖7所示，主要由主體、換位活塞、換位銷、推力軸承、彈簧等組成。多級循環頭主體上設有旁通孔，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閉，球最終儲存在捕球器中，捕球器管壁上設有過流孔，不影響流體流向下方。每次投球可產生一個明確的開關位置。

1—主體；2—換位活塞；3—換位銷；4—推力軸承；5—彈簧。

多次循環頭一次下入可開關6～8次，具有2種流道模式：①流體通過循環頭主通道流向下方工具；②流體按設計比例進行分流，一部分流向下方工具，另一部分通過旁通孔流向環空。

2.3 各公司產品技術對比分析

國內外幾家公司的多次循環開關閥在結構原理上各具特色，技術特點對比如表1所示。

表1 多次循環開關閥產品性能對比

2.3.1 激發方式和開關次數

多次循環開關閥激發方式分為投球激發和流體激發兩種。投球式開關反應速度慢，且開關次數受捕球器容積限制，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進行測斜，無法進行機械測斜。流體激發式循環開關閥開關反應速度快且受井斜角的影響小，開關次數不受限制，其實現方式基本都是通過調節排量使換位活塞在排量作用下產生不同的軸向位移，進而控制開關，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 功能和優缺點

所有產品都能保護其下方工具不受自身額定工作參數限制，能根據作業需要加大排量，提高環空流體返速，但不具有旁通流道方式的循環開關閥不能保護下方工具不受顆粒磨蝕性流體損害，因此不能進行堵漏等需要帶顆粒性流體的作業，例如堵漏作業。

投球式工具可靠性高，工具工作狀態容易判斷，但需要精確的投球計數，誤投球會增加作業風險。流體激發式工具工作狀態與排量息息相關，對操作人員要求較高，需要仔細記錄泵排量，工具的工作狀態可通過觀察立管壓力進行輔助判斷。

3 結論

1) 多次循環開關閥在解決巖屑床堆積、地層漏失、保護下方工具等方面比常規循環閥節約作業時間及成本，能大幅提高作業效率，具有很大的技術優勢，是循環閥的發展趨勢，也是國內外競相研究的熱點。

2) 目前，國內外在多次循環開關閥的工程應用方面還處于探索階段，應加強對該工具及配套工藝的研究，推進其發展應用，以發揮其特有優勢。

3) 多次循環開關閥主流的控制方式有投球激發和流體激發兩種。流體激發式可無限次開關，開關反應速度快且受井斜角影響小，比投球式更節約設備和作業時間，因此流體激發式更符合用戶需求。流體激發式多次循環開關閥的核心技術是換位機構，因此研發可靠性高的換位機構是開發多次循環開關閥的研究重點。

[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.一種能重復開閉的循環短節：中國，CN104632109A[P].2014.

[9] 潘志偉，杜克忠，董際春，等.多級循環頭：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技術研究，E-mail：yumw@cosl.com.cn。

1001-3482(2016)11-0098-04

TE926

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.021