T型三通换向工具结构设计及分析

王利军，王世强，李清涛，王 晓

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452)①

T型三通换向工具结构设计及分析

王利军，王世强，李清涛，王 晓

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452)①

连续循环技术是近几年出现的一项新技术，适用于钻井、完井冲砂解堵及修井连续套铣打捞等作业，能够在接钻柱的过程中实现钻井液连续循环，降低因反复开停泵造成井下压力波动以及循环作业中砂粒下沉砂卡管柱等事故发生的概率。介绍了一种可应用于连续循环作业中的新型T型三通换向工具，从结构设计、工作原理及密封性能等方面进行了分析。该工具可以实现在整个钻完井作业过程中钻井液的不间断循环，维持接、卸钻杆过程中井底压力的恒定，减少井下事故，应用前景广阔。

连续循环；T型三通；结构；密封

随着石油天然气勘探开发的不断深入，复杂井、超深井、大位移井等特殊工艺井的作业越来越多，作业难度不断增加。在常规钻井作业中，起下钻接、卸钻杆时，需要停止泥浆循环，作业过程中会形成环空动态压差，井底压力波动，容易产生井眼不稳定、井壁坍塌、卡钻及泥浆循环漏失等钻井问题或事故[1]。另外，在完井刮管冲砂解堵或修井连续套铣打捞等作业中，接、卸钻杆过程中也需要停止泥浆循环，停泵后井筒携砂液中的砂粒回落，增大了砂卡管柱的几率，尤其在套铣井段较长的井时，稍有不慎，就有砂粒下沉卡死作业管柱的风险。

1 国内外技术现状

连续循环技术是近几年出现的一项新技术，应用该技术可保证接、卸钻柱期间钻井液不间断循环，维持地层压力稳定，有效降低井下事故发生的概率。该技术的实现方式主要有2种：①连续循环系统(CCS)。该系统综合了顶部驱动系统、钻杆排放系统、铁钻工系统、防喷密封技术及计算机控制系统等技术，运行中利用计算机控制带有三重闸板的钻具连接器和旁路管汇的合理开合，保证泥浆的不间断循环。②连续循环短节。连续循环短节两端与钻柱相连，短节内装有三通阀芯并在侧面开有侧口，当阀芯上下主通道打开时，侧通道关闭，保证正常作业循环要求；当转动阀芯，侧向通道打开时，上下主通道关闭，此时可在侧向通道接泥浆泵，继续循环作业。连续循环短节结构简单，现场操作简便，通过2个通道的不断切换，可实现在整个作业过程中钻井液的不间断循环[2-4]。

2 T型三通换向工具

2.1 工作原理

T型三通换向工具连接在2根钻柱之间。正常作业时，钻井液通过工具主通道进入下部钻杆，形成一个内部循环通路；在起下钻接、卸钻柱时，将旁通管插入换向工具侧向通孔，通过操作工具内部转向机构，转动换向工具三通球阀，关闭换向工具上下主通道，打开侧向循环通道，钻井液通过旁通管流经侧向通道进入下部钻杆，保证钻井液不间断循环；当钻柱连接完成后，操作工具内部转向机构，转动换向工具三通球阀，打开换向工具上下主通道，关闭侧向循环通道，将旁通管拔出、移开，进行起、下钻作业。

2.2 结构

T型三通换向工具主要由阀本体、旋钮、固定旋钮、上下密封球座、左右侧面密封球座及相应的波形弹簧、密封圈、螺纹固定件等组成[5]。三通球为固定式，上下为主通道，三通球一侧开有带密封的旁通孔，上下球座通过波形弹簧保证与三通球的预紧力。为确保高压流体不会进入球与本体的环空，保证带压安装旁通管线的安全性，通过波形弹簧在三通球侧面及接口密封施加预紧力，保证侧面密封。如图1所示。

a 结构

b 密封总成

2.3 技术特点

1) T型三通换向工具通过旋转内部转向机构，可实现主通道与侧向通道的转换，保证钻井液的连续循环。

2) 现有的循环短节侧向密封大多密封不严，循环作业时高压流体会进入球与本体的环空，可能对拆卸旁通管线作业造成一定的风险[6]。T型三通换向工具与现有循环短节相比较，在三通球侧面及接口密封均施加预紧力，一个在旁通口接通时起密封作用，另一个在主通道接通时起密封作用，使三通球阀侧面处于密封状态，降低作业风险。

3 密封性能校核

三通球阀及密封套选用40CrMnMo材料，强度极限980 MPa，屈服极限785 MPa，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3[7]。密封性能主要与三通球的研磨光度、密封压力及三通球与密封配件的接触压力等因素相关。参照现场作业需求，对T型三通换向工具施加35 MPa的工作压力，将三通本体结构2个端面进行完全约束，限制三通本体的移动，采用静态求解器，通过拉普拉斯迭代求解算法，对三通本体进行整体强度计算。采用多分析步求解计算，第1步对三通本体施加35 MPa的内压载荷；第2步对模型弹簧提供的压力进行逼近求解，采用载荷增量为1 N的方式，进行求解计算。

对模型施加内压35 MPa，通过静态有限元计算，计算结果如图2～3所示。

图2 三通阀主通道关闭，侧向通道打开时压力载荷云图

图3 三通阀主通道打开，侧向通道关闭时压力载荷云图

由图2～3可见，当三通本体阀门关闭时，最大接触压力为103 MPa；当三通本体阀门打开时，最大接触压力为113.3 MPa，均符合密封要求。

4 应用前景

连续循环技术优化了钻井液的循环方式，降低了作业过程中因接、卸钻柱停泵而造成的一系列井下事故发生的概率，提高了作业的安全性。但鉴于目前连续循环钻井系统(CCS)体积庞大，作业成本高，操作复杂，连续循环短节的研究十分迫切。T型三通换向工具可广泛应用于钻井、完井及修井作业中，能够保证钻井液不间断循环，且操作简便，作业成本低，作业效率高。因此，随着石油天然气勘探开发的不断深入，T型三通换向工具应用前景良好，对该工具的自主化研发十分必要。

5 结论

1) 不间断循环钻井技术可保证在作业过程中井下钻井液的不间断循环，从而维持在接、卸钻杆操作过程中井底压力的恒定，减少井下事故的发生。

2) T型三通换向工具通过旋转内部转向机构，可实现主通道与侧向通道的切换，实现钻井液不间断循环。该工具主要应用于钻井作业，也可用于完井及修井作业，例如连续冲砂及连续套铣打捞等作业。

3) T型三通换向工具结构简单、操作方便、制造成本低，可有效提高作业效率，降低钻完井作业中事故发生的概率。

[1] 周爽.连续循环钻井[J].国外油田工程，2003，19(10)：25-26.

[2] Tare U，Whitfill D，Mody F.Drilling Fluid Losses and Gains Case Histories and Practical Solutions[R].SPE 71368，2001：156-164.

[3] Jenner J W，Elkins H，Springett F.The Continuous Circulation System An Advance in Constant[J].Spe Drilling & Completion，2005，20(3)：168-178.

[4] 张微，李英明，王佳露，等.连续循环钻井技术装备与应用[J].中外能源，2011，16(8)：44-47.

[5] 陆培文.阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，2004.

[6] 任灵超，何东升.不间断循环阀的设计[J].石油机械，2009，37(9)：129-132.

[7] 机械设计手册编委会.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2007.

Structure Design and Analysis of T-type Three-way Cycle Tool

WANG Lijun，WANG Shiqiang，LI Qingtao，WANG Xiao

(Ener Tech-Drilling & Production Company，CNOOC，Tianjin 300452，China)

Continuous cycle is an emerging technology emerged in recent years.The technology is suitable for drilling sand washing or washover and fishing operation.it can realize the continuous circulation of drilling fluid in the process of connecting and unloading drill pipe.Reduce the probability of accidents caused by bottomhole pressure fluctuations or sand settlement.A new T-tee tool is focused on in this article，which can be applied on the continuous cycle operation.Mainly，the structural，working principle，sealing performance are analyzed and so on.The T-tee tool enables drilling fluid continuous cycle in the drilling and completion operations.Maintain the bottom hole pressure stability during connecting and unloading drill pipe，reduce downhole accidents，has broad application prospects.

continuous cycle；T-tee；structure；sealing

1001-3482(2016)12-0025-03

2016-06-16

中国海洋石油总公司能源发展股份有限公司科研项目 “刮管冲砂一体化工艺技术研究”(HFXMLZ-GJ2015006)

王利军(1984-)，男，工程师，主要从事海洋石油钻完井工具研发工作，E-mail：wanglj9@cnooc.com.cn。

TE921.2

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.007