井下多次激活循环阀的研制与现场应用

陈科旭， 羡维伟， 任 伟

(1川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院 2中石油欠平衡与气体钻井试验基地)

在钻井过程中井漏与溢流是常见的井内复杂情况，在常规堵漏与压井作业时，大颗粒堵漏材料容易对井下MWD等仪器造成损害；同时在钻井过程中如遇钻具水眼堵塞，需快速建立旁通循环，防止复杂事故发生；在大位移深井、超深井钻井过程中，其稳斜段及水平段常沉积大量的岩屑床，通过常规小尺寸钻具循环方法难以及时清理[1]，可能卡阻钻具或影响完井质量。通常采用在螺杆钻具上部安装旁通阀工具来解决上述问题。但常规旁通阀具有只能进行单次使用，需要频繁起下钻，效率低，且作业不及时会存在一定井控风险。目前国外公司已有商业应用[2]。本文研发了井下可多次激活循环旁通阀。该工具在随钻堵漏、压井、快速旁通循环、清洁井筒岩屑床等方面有着显著的优势。该工具的应用能够有效节约作业时间与成本，提高作业效率。

一、 井下多次激活循环阀结构

多次激活循环阀从上至下包括旁通阀本体、收球短节以及泄压短节三大部分，分别通过标准钻具螺纹连接，其主要结构如图1所示。其中，旁通阀本体包括有接头、外套、滑套、阀座、弹簧以及密封等主要机构，其主要作用是通过投球与泵压控制实现旁通孔的开关操作。收球短节主要包括外套、内筒以及支撑件等机构，主要用于收纳已经完成开关操作的球组。泄压短节主要包括壳体、阀芯、弹簧以及压力调节座等机构，主要作用是用于在下部钻具水眼堵塞时，通过钻具内泄压，进而保证旁通孔顺利开启。

二、 工具工作原理

多次激活循环阀采用投球憋压的方式打开阀体。正常钻井过程中，阀体处于关闭状态，滑套受弹簧上顶力抵靠在接头端面，滑套上的通孔与外套上旁通孔受密封限制不能连通，弹簧初始力足够大以抵抗正常钻井过程中钻井液流过阀体产生的局部阻力。需要打开旁通阀时，投入开阀球至钻具内。球进入阀座，由于密封，钻具内流道封闭，泵压逐渐升高。滑套受泵压作用克服弹力向下滑动，旁通孔打开，可以进行旁通堵漏等循环作业。当停泵时，滑套受弹力作用向上滑动，阀体关闭。其操作过程如图2所示。

图2 开启工具示意图

需恢复正常钻进时，投入两粒关阀球。进入阀体后，关阀球受吸附作用封堵旁通孔，此时泵压会急速升高到一定程度后，开阀球变形穿过球座，下部通道重新打开，关阀球随开球阀一起落入下部收球短节内，自此完成阀体的打开和关闭动作。其操作过程如图3所示。

图3 关闭工具示意图

三、 工具流阻分析

正常钻进时，钻井液向下循环，钻井液对旁通阀本体内的滑套冲击作用。为防止工具提前打开，需计算弹簧弹力能否克服钻井液对滑套的冲击力。将滑套机构简化模型，如图4所示。设定以控制面1-1、2-2、滑套内壁以及外套内壁组成的控制体。以向下方向为x正向方向。控制体所受向下作用力为Rx，向上的反作用力为Rx′。控制体上部流体压力与流速分别为p1、V1，其下部流体压力与流速分别为p2、V2。

图4 滑套冲击力控制体示意图

由控制体能量方程可知：

∑Fx=ρQ(V2-V1)

式中：ρ—钻井液密度；Q—泵排量。

控制体x方向受力为：

(1)

又由伯努利方程可知：

因此式(1)可简化为：

(2)

设钻井泵压为p泵，泵出口流速为V0，井深为H，由伯努利方程可得：

式中：hf—钻井泵到阀处的平均沿程阻力损失。

由此可计算控制体1-1面的压力p1。

(3)

式中：λ—沿程阻力因数。

再联合式(1)和式(2)，可以计算出控制体受力，即滑套受冲击力∑Fx。通过计算可以分析知道，滑套所受冲击力∑Fx远小于弹簧弹力。

四、 井下多次激活循环阀室内试验研究

在现场试验前，为验证井下多次激活循环旁通阀在较大排量循环条件下的投球开关的功能性与可靠性，进行了系列模拟开关试验。试验介质为清水。在工具内投入开阀球后，开泵循环，球落入球座后，泵压有一定升高后旁通阀打开，升高的压力值即为开阀压力。由于不同的弹簧尺寸的滑套机构，对应的开阀压力也会不同。通过采用不同弹簧进行投球来对比试验测试开阀压力变化情况。图5为种不同弹簧尺寸条件下的开阀压力试验结果。泵循环排量约为15.3 L/s。

图5 不同弹簧试验开阀压力

通过试验可以看出，三种不同弹簧的开阀平均压力值分别为1.26 MPa、1.49 MPa与1.92 MPa。为了能在井下开阀时能够较为明显的判断打开状态，选用3#弹簧进行后续试验。

在工具内投入关阀球。开泵后，流体先从两侧旁通孔流出，两侧旁通孔再依次关闭。压力升高到一定值后急剧下降，同时阀下部水眼打开，旁通孔关闭完成。通过多次投入关阀球进行试验，试验压力值数据统计如图6所示，有试验结果统计可知，其关阀压力平均值约为10.59 MPa。

图6 关阀压力试验数据统计

五、 现场试验研究

试验井段为高石001-X21井灯影组(4 997～5 058 m)。钻具组合为：Ø149.2 mm三牙轮钻头+0.7 m双母接头+0.4 m止回阀+Ø120.65 mm×57 m钻铤+Ø88.9 mm×370.5 m加重钻杆+300×ST39×0.85 m转换接头+Ø101.6 mm×3 105 m钻杆+Ø165.1 mm×3.18 m多次激活循环阀+Ø127 mm×1 518 m钻杆。钻完水泥附件后并循环准备起钻时进行投球开关试验。投入开阀球后，工具打开，循环立管压力从正常循环时的14.5 MPa(排量16.9 L/s)下降到约1.36 MPa(排量30 L/s)。投关阀球后，最高憋压至25.1 MPa后压力恢复至约14.6 MPa(排量16.9 L/s)。循环一定时间后，相同排量下立管压力恢复正常循环压力，证明旁通阀顺利关闭，试验期间，钻井液密度1.12 g/cm3，温度45.5℃，试验数据记录如图7所示。按照下入深度1 500 m以及平均6 m/min起下钻速度计算，多次激活循环阀使用一次较常规旁通阀平均可节约8.3 h。

图7 工具试验泵压与排量数据变化记录

六、 结论

(1)研发了井下可多次激活的循环旁通阀工具，介绍了工具的主体结构与工作原理，并分析了工具的流阻状态。

(2)通过室内试验，验证了工具反复多次投球开关的功能性与可靠性，开阀压力1.92 MPa。

(3)现场试验表明，钻井过程中，该工具运行正常，井下开关操作安全可靠，应用效果良好，到达了快速建立井下旁通循环，并快速恢复钻进的目的，减少了作业时间，提高了钻井效率。