钻井多次循环开关阀技术现状及发展建议

于明武，何俊杰，靳 强，王德贵，王前敏，朱浩铭

(1.中海油服油田化学事业部，河北 三河 065201；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002；3.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002)



钻井多次循环开关阀技术现状及发展建议

于明武1，何俊杰2，3，靳 强3，王德贵2，3，王前敏3，朱浩铭3

(1.中海油服油田化学事业部，河北 三河 065201；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002；3.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002)

多次循环开关阀可在钻柱的某一特定位置多次进行流体通道的切换，广泛应用于水平井、大位移井中解决岩屑床堆积、地层漏失等问题，还可保护下方工具(MWD、LWD、涡轮、螺杆等)不受流体排量及流体性质的损害。介绍了国内外多家公司研制的多次循环开关阀，并进行了技术对比分析。提出了多次循环开关阀的几点发展建议。

钻井；循环阀；发展趋势

在油气开发中，循环阀广泛应用于钻完井作业，从而无需起钻就可提高环空流速、促进井眼中碎屑的排出或进行随钻堵漏作业等[1]。循环阀一般安装在对流体敏感性工具(MWD、LWD、涡轮、螺杆等)上方，用于更改井下流体流动方向。常规循环阀在井下只能进行一次流体循环通道的转换，一旦激发无法重复使用，须起出地面复位后方可再次使用，作业时工具起下钻次数多，作业中非有效工作时间长，严重影响了作业效率，增加了作业成本，无法满足现场作业需求。为了解决这一问题，国内外已经开展了多次循环开关阀的技术研究。本文介绍了国内外多次循环开关阀的技术现状，分析了其技术特点，指出了产品的发展建议。

1 多次循环开关阀技术优势

相对常规循环阀，多次循环开关阀具有显著优势：

1) 一次下入，可进行多次开关。采用特殊机构，可通过控制泵排量或投球使循环阀复位，从而实现多次开关。

2) 节约作业时间及成本。工具可多次开关，无需每次开关后将工具起出地面复位，从而减少起下钻次数，减少作业时间，降低作业成本。

3) 保护下方螺杆马达和钻头等工具。当流量超出螺杆马达和钻头等的额定参数时，激活循环阀，使流体分流或全部流向环空，从而保护循环阀下方工具不受损害。

4) 可循环颗粒状、纤维状以及酸性等流体，进行堵漏作业或酸化作业。当循环这类流体时，打开循环阀，使流体全部通过循环阀上的旁通孔流向环空，从而不损坏循环阀下方的MWD、LWD、涡轮和螺杆等。

5) 促进岩屑排出，防止形成岩屑床。在井眼清洗出现问题时打开旁通孔，可增大排量，提高流体运移能力，从而促进岩屑排出。

2 国内外多次循环开关阀技术现状

国内外已研制出多种可多次重复打开和关闭的循环开关阀，其中，国外具有代表性的有BAKER HUGHES公司、OILSCO技术公司、NOV公司以及PBL公司，国内具有代表性的有宝鸡石油机械有限责任公司和北方双佳钻采机具公司。

2.1 国外现状

2.1.1 BAKER HUGHES公司XP系列球激发式多次循环开关阀

BAKER HUGHES公司研制的XP系列球激发式多次循环开关阀(MBCV)[1-2]，其结构如图1示，主要由主体、上下球座、换位活塞、换位销、捕球器等组成。MBCV主体上设有旁通孔，通过在地面上投球控制旁通孔的开启与关闭，球最终储存在捕球器中。流体泵送球进入循环阀球座后，上球座下移激发换位活塞从而打开或关闭主体上的旁通孔，换位活塞的行程由上球座的行程控制。工作状态的切换通过反复投大、中、小3种不同尺寸的球来实现。

1—主体；2—上球座；3—换位活塞；4—换位销；5—弹簧；6—下球座；7—捕球器。

MBCV的技术优势是拥有3种流通方式：①流体通过主通道流向下方工具，进行钻磨铣等作业；②流体通过旁通孔全部流向环空，进行堵漏作业；③流体按比例进行分流，一部分流向下方工具，另一部分流向环空，保护下方钻具不受流体损害，提高环空流体运载能力，利于岩屑排出，降低形成岩屑床的风险。

2.1.2 National Oilwell Varco公司MOCS工具

NOV公司研制的多次打开循环接头(MOCS)[3-4]，其结构如图2示，主要由主体、换位活塞、芯轴以及弹簧等组成。主体上设有旁通孔，换位活塞上设有球座和径向孔。首次激发时，流体泵送球进入循环阀，球坐封在球座后，换位活塞下移进行换位，从而打开或关闭主体上的旁通孔及换位活塞上的径向孔，实现流道的转换；同时换位活塞绕中心旋转，下移限位通过其下端的花键控制。它的显著特点是只需要投1个球就可用流体控制实现流道多次转换。

图2 多次打开循环接头

MOCS有2种流通方式：①流体通过主通道流向下方工具，进行钻磨铣等作业；②流体通过旁通孔全部流向环空，进行堵漏或井眼清洗作业。其工作状态可通过观察立管压力进行判断。

2.1.3 OILSCO技术公司Multi Activation Circulation Sub(MACS)工具

OILSCO技术公司研制的Multi Activation Circulation Sub(MACS)工具[5-6]，其结构如图3所示，主要由主体、喷嘴、换位活塞、换位销以及弹簧等组成。MACS主体上设有旁通孔，孔上安装有喷嘴并可更换。换位活塞表面均布有特殊的J形槽，底面设计有行程限位凸块，与换位销、弹簧配合形成换位机构。通过地面上的泥浆泵控制井下喷嘴的开启和关闭，无需投球或投入其他辅助设备。

1—主体；2—喷嘴；3—换位活塞；4—换位销；5—弹簧。

MACS工具有2种流通方式：①流体通过主通道流向下方工具，进行钻磨铣等作业；②流体通过旁通孔上的喷嘴全部流向环空，进行堵漏或井眼清洗作业。

2.1.4 PBL公司Multiple Activation Bypass System

PBL公司研制的Multiple Activation Bypass System(MABS)多次激发旁通系统[7]，其结构如图4所示，主要由主体、球座、弹簧、捕球器等组成。旁通系统主体上设有旁通孔，通过投大尺寸塑料球坐封憋压激发，打开主体上的旁通孔；复位时需要投2个小尺寸钢球锁定，进而憋压剪切塑料球，打开主通道，球最终储存在下方的捕球器中。

1—主体；2—球座；3—弹簧；4—捕球器。

MABS有两种流道方式：①流体绕过球通过主通道流向下方工具，进行钻磨铣等作业；②流体通过旁通孔全部流向环空，进行堵漏或井眼清洗作业。

2.2 国内现状

2.2.1 宝鸡石油机械有限责任公司多次钻井循环阀

宝鸡石油机械有限责任公司研发的多次钻井循环阀，其结构如图5所示，主要由主体、换位活塞、换位销、芯轴、弹簧等组成。多次钻井循环阀采用主通道常开设计，主体上设有旁通孔并安装有限位机构，通过在地面上开关泵控制旁通孔的开闭。多次钻井循环阀是利用流体激发推动活塞进行换位，从而实现流体通道的转换。工具的工作状态由排量大小和换位销在换位活塞上J形槽中的位置来决定[8]。只有当换位销处于换位活塞导向槽长槽一端时，旁通孔打开且主通道关闭，流体只能通过旁通孔流向环空。该公司已经完成了171.45 mm(6英寸)、209.55 mm(8英寸)规格的多次钻井循环阀设计，将此技术在连续油管作业领域进行了延伸，成功研制了73.0 mm(2英寸)、 88.9 mm(3英寸)连续管用多次循环阀，如图6所示。

1—主体；2—换位活塞；3—换位销；4—芯轴；5—弹簧。

a 主通道状态

b 旁通状态

这种多次循环阀具有两种流道方式：①流体通过主通道流向下方工具；②流体通过旁通孔全部流向环空。

2.2.2 北方双佳钻采机具公司多级循环头

北方双佳钻采机具公司研制的多级循环头[9]，其结构如图7所示，主要由主体、换位活塞、换位销、推力轴承、弹簧等组成。多级循环头主体上设有旁通孔，下部接有捕球器，通过在地面上投弹性球控制旁通孔的开启与关闭，球最终储存在捕球器中，捕球器管壁上设有过流孔，不影响流体流向下方。每次投球可产生一个明确的开关位置。

1—主体；2—换位活塞；3—换位销；4—推力轴承；5—弹簧。

多次循环头一次下入可开关6～8次，具有2种流道模式：①流体通过循环头主通道流向下方工具；②流体按设计比例进行分流，一部分流向下方工具，另一部分通过旁通孔流向环空。

2.3 各公司产品技术对比分析

国内外几家公司的多次循环开关阀在结构原理上各具特色，技术特点对比如表1所示。

表1 多次循环开关阀产品性能对比

2.3.1 激发方式和开关次数

多次循环开关阀激发方式分为投球激发和流体激发两种。投球式开关反应速度慢，且开关次数受捕球器容积限制，一般为6～8次，受投球影响钻柱组合不能灵活选择，只能采用MWD进行测斜，无法进行机械测斜。流体激发式循环开关阀开关反应速度快且受井斜角的影响小，开关次数不受限制，其实现方式基本都是通过调节排量使换位活塞在排量作用下产生不同的轴向位移，进而控制开关，其安装位置灵活，给钻井工程师提供很大的灵活性，可采用多种测斜方式。

2.3.2 功能和优缺点

所有产品都能保护其下方工具不受自身额定工作参数限制，能根据作业需要加大排量，提高环空流体返速，但不具有旁通流道方式的循环开关阀不能保护下方工具不受颗粒磨蚀性流体损害，因此不能进行堵漏等需要带颗粒性流体的作业，例如堵漏作业。

投球式工具可靠性高，工具工作状态容易判断，但需要精确的投球计数，误投球会增加作业风险。流体激发式工具工作状态与排量息息相关，对操作人员要求较高，需要仔细记录泵排量，工具的工作状态可通过观察立管压力进行辅助判断。

3 结论

1) 多次循环开关阀在解决岩屑床堆积、地层漏失、保护下方工具等方面比常规循环阀节约作业时间及成本，能大幅提高作业效率，具有很大的技术优势，是循环阀的发展趋势，也是国内外竞相研究的热点。

2) 目前，国内外在多次循环开关阀的工程应用方面还处于探索阶段，应加强对该工具及配套工艺的研究，推进其发展应用，以发挥其特有优势。

3) 多次循环开关阀主流的控制方式有投球激发和流体激发两种。流体激发式可无限次开关，开关反应速度快且受井斜角影响小，比投球式更节约设备和作业时间，因此流体激发式更符合用户需求。流体激发式多次循环开关阀的核心技术是换位机构，因此研发可靠性高的换位机构是开发多次循环开关阀的研究重点。

[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] 王德贵，阎永宏，董毅军，等.一种能重复开闭的循环短节：中国，CN104632109A[P].2014.

[9] 潘志伟，杜克忠，董际春，等.多级循环头：中国，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，高级工程师，主要从事海洋油气固井工程作业技术研究，E-mail：yumw@cosl.com.cn。

1001-3482(2016)11-0098-04

TE926

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.021