連續(xù)油管多次循環(huán)開關(guān)閥研制

王德貴，何俊杰，朱浩銘，董毅軍，游 娜，吳小雄

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)①

連續(xù)油管多次循環(huán)開關(guān)閥研制

王德貴1，2，何俊杰1，2，朱浩銘1，2，董毅軍1，2，游 娜1，2，吳小雄1，2

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)①

為了解決連續(xù)油管鉆磨碎屑返排技術(shù)難題，研制了一種旁通可以反復(fù)打開和關(guān)閉的多次循環(huán)開關(guān)閥。該閥采用流體激發(fā)原理，有旁通關(guān)閉時(shí)流體全部流向鉆頭、旁通打開時(shí)流體全部流向環(huán)空2種工作狀態(tài)，通過開、關(guān)泵控制工具在這2種模式下進(jìn)行反復(fù)切換。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，該開關(guān)閥換位順暢，通過開、關(guān)泵，旁通能夠順利打開和關(guān)閉。

連續(xù)油管；鉆磨；返排；開關(guān)閥；多次循環(huán)

復(fù)合橋塞分級(jí)壓裂作為儲(chǔ)層分級(jí)首選方式，隨著頁巖氣的大力發(fā)展，該技術(shù)逐步開展并大規(guī)模應(yīng)用[1-3]。連續(xù)油管鉆磨橋塞工藝作為橋塞分級(jí)壓裂配套技術(shù)，是確保井筒暢通、氣井迅速投產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。美國僅在2013年就使用和鉆磨掉14～20萬個(gè)復(fù)合橋塞；2014年在川渝地區(qū)，使用復(fù)合橋塞超過1 200個(gè)。

連續(xù)油管鉆磨復(fù)合橋塞技術(shù)，工藝風(fēng)險(xiǎn)較高，鉆磨工具的應(yīng)用是影響施工效率和工藝安全的重要因素[4-5]。鉆磨的動(dòng)力來自于螺桿馬達(dá)[6-8]，因受到螺桿馬達(dá)排量限制，鉆磨作業(yè)時(shí)循環(huán)排量一般需控制在500 L/min以內(nèi)，而鉆磨產(chǎn)生的碎屑?jí)K狀大，鉆屑難以返排，需要增大排量來提高環(huán)空流速。另外，套管變形影響橋塞鉆磨，個(gè)別頁巖氣區(qū)塊套管變形占總井?dāng)?shù)超過50%，套管變形井要使用小磨鞋鉆磨，使用小磨鞋產(chǎn)生的鉆屑較大，不利于返排，從而增加遇卡風(fēng)險(xiǎn)，也需要增大排量來提高環(huán)空流速。解決鉆磨后碎屑返排困難的關(guān)鍵工具是旁通閥，而簡單的旁通閥(如雙作用循環(huán)閥)激發(fā)后旁通處于常開狀態(tài)，泵注時(shí)對馬達(dá)的流量進(jìn)行分流，需要長時(shí)間大排量注入，而且大排量返排時(shí)，螺桿馬達(dá)處于工作狀態(tài)，損耗其使用壽命。為此，研制一種旁通可以反復(fù)打開和關(guān)閉的多次循環(huán)開關(guān)閥[9-10]。

1 結(jié)構(gòu)原理

1.1 結(jié)構(gòu)

多次循環(huán)開關(guān)閥主要由殼體、上芯軸、下芯軸、上活塞、內(nèi)活塞、換位活塞、換位銷、限位銷、緩沖彈簧和換位彈簧等組成，如圖1所示。

1—?dú)んw；2—上芯軸；3—上活塞；4—緩沖彈簧；5—內(nèi)活塞；6—換位活塞；7—下芯軸；8—換位銷；9—換位彈簧；10—限位銷；11—上活塞旁通孔；12—?dú)んw旁通孔；13—下芯軸旁通孔；14—導(dǎo)向槽。

上活塞、換位活塞與換位銷控制工具的開關(guān)，是工具的核心部件。上活塞通過螺紋與換位活塞連接成一個(gè)整體；換位活塞下端面均布有凸塊和凹坑，表面分布有J型槽，換位銷一端固定在殼體上，另一端插入J型槽中，如圖2所示。換位彈簧起著緩沖以及協(xié)助換位活塞復(fù)位的作用；內(nèi)活塞與下芯軸控制中心通道的開閉；限位銷限制換位活塞的行程，避免換位銷承受過大推力，并保護(hù)下方換位彈簧。殼體與其他工具連接是采用標(biāo)準(zhǔn)螺紋接口。

圖2 換位活塞結(jié)構(gòu)示意

1.2 工作原理

多次循環(huán)開關(guān)閥有旁通關(guān)閉流體全部流向鉆頭、旁通打開流體全部流向環(huán)空2種工作狀態(tài)。它由通過管柱的流體驅(qū)動(dòng)，利用流量控制循環(huán)閥打開和關(guān)閉，并能在這2種模式下進(jìn)行反復(fù)切換，作業(yè)過程中無需反復(fù)起出復(fù)位。

開關(guān)閥流量與工作狀態(tài)的關(guān)系如圖3所示。L2為工具正常工作的最低流量，L1為換位時(shí)需要將流量控制的最高上限。將工具下入到井底工作位置后，開泵，將流量控制在L2以上，就可以進(jìn)行正常的鉆磨作業(yè)；當(dāng)需要進(jìn)行鉆磨后返排作業(yè)時(shí)，可以停泵或者將泵排量控制在L1以下，保持30 s以上，再次開泵后，將排量控制在L2以上，就可以進(jìn)行大排量返排作業(yè)，此時(shí)，流體全部通過旁通孔流向井眼環(huán)空，螺桿馬達(dá)處于待命狀態(tài)；返排結(jié)束后，又需要進(jìn)行鉆磨作業(yè)時(shí)，再次關(guān)泵和開泵即可轉(zhuǎn)換工作模式。

圖3 流量與工作狀態(tài)示意

開關(guān)閥工作狀態(tài)的切換是通過流體控制換位活塞在換位彈簧和導(dǎo)向銷、定位銷的作用下產(chǎn)生不同的軸向位移來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)流體通過多次循環(huán)開關(guān)閥時(shí)，推動(dòng)上活塞和換位活塞下行，壓縮換位彈簧，由于J型槽和換位銷的作用，換位活塞會(huì)在下行的同時(shí)繞工具中心旋轉(zhuǎn)，最終換位活塞凸塊被限位銷限位，不再繼續(xù)下行，下芯軸旁通孔未被堵塞，上活塞旁通孔和殼體旁通孔未連通，流體仍流向下方工具；關(guān)泵后，推動(dòng)換位活塞下行的力消失，換位彈簧復(fù)位，工具回到初始狀態(tài)；再次開泵后，換位活塞凹坑被限位銷限位不在繼續(xù)下行，下芯軸旁通孔被堵塞，上活塞旁通孔和殼體旁通孔連通，流體全部流向環(huán)空。因此，泵每開、關(guān)一次，工作狀態(tài)就切換一次。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

多次循環(huán)開關(guān)閥是一種流體激發(fā)、可多次打開和關(guān)閉的工具，取代傳統(tǒng)的投球式循環(huán)閥，具有以下特點(diǎn)：

1) 結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。采用流體激發(fā)，只需開、關(guān)泵就能控制工具的開關(guān)，安全可靠，故障率低。

2) 無需投球，工具激發(fā)受井斜角影響小。

3) 節(jié)約作業(yè)時(shí)間與成本。流體激發(fā)反應(yīng)速度快，無需等待投球坐封，且一次下入可根據(jù)需要多次轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)，無需反復(fù)起下鉆，有效提高作業(yè)效率，降低作業(yè)成本。

4) 可進(jìn)行大排量洗井作業(yè)而不損壞下方工具及受流量限制的工具。

5) 當(dāng)鉆頭或鉆具水眼堵塞時(shí)，通過換位打開旁通孔，使流體流向環(huán)空，可重新建立流體循環(huán)通道。

1.4 技術(shù)參數(shù)

外徑 ?73.0 mm

密封壓力 35 MPa

旁通打開次數(shù) 無限次

激發(fā)壓力 (1.2±0.3)MPa

可承受最大拉力 350 kN

1.5 操作方法

多次循環(huán)開關(guān)閥安裝在馬達(dá)頭以下，馬達(dá)之上為鉆磨橋塞的標(biāo)準(zhǔn)配置。下井前，先在地面上測試開關(guān)位置，并記錄循環(huán)孔打開瞬間管串產(chǎn)生的壓降，確保下井開泵后，工具處于旁通關(guān)閉狀態(tài)；測試后下入井中，到達(dá)指定位置后，開泵進(jìn)行作業(yè)。當(dāng)需要進(jìn)行換位時(shí)，關(guān)泵，30 s后再次開泵。可根據(jù)相同排量下井口壓力的變化判斷旁通是否打開。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

為了測試多次循環(huán)開關(guān)閥的技術(shù)指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了廠內(nèi)密封強(qiáng)度試驗(yàn)和循環(huán)開關(guān)功能試驗(yàn)。

1) 密封強(qiáng)度試驗(yàn)。用手壓泵進(jìn)行試驗(yàn)，加壓35 MPa保持5 min后，未見任何可見滲漏，壓降小于0.3 MPa；試驗(yàn)后對工具進(jìn)行了解體，并對主承載件進(jìn)行了磁粉探傷，均符合NB/T47013.4標(biāo)準(zhǔn)中II級(jí)規(guī)范的要求。

2) 功能試驗(yàn)。介質(zhì)采用清水，在廠內(nèi)進(jìn)行了近50次開、關(guān)泵試驗(yàn)，每開、關(guān)泵一次，工具工作狀態(tài)就轉(zhuǎn)換一次，且轉(zhuǎn)換順暢，停泵后30 s內(nèi)能恢復(fù)到初始位置。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。如圖4所示。

a 旁通關(guān)閉

b 旁通打開

3 結(jié)論

1) 這種多次循環(huán)開關(guān)閥只需開、關(guān)泵即可實(shí)現(xiàn)旁通的打開和關(guān)閉，并能在2種模式下進(jìn)行反復(fù)切換，操作簡單。

2) 特殊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使其不用投球，工具激發(fā)反應(yīng)速度快、受井斜角影響小、使用范圍廣。

3) 使用該多次循環(huán)開關(guān)閥，不僅能進(jìn)行大排量返排洗井作業(yè)，而且當(dāng)鉆頭或鉆具水眼堵塞時(shí)，可重新建立流體循環(huán)通道。

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Development of the Coiled Tubing Multiple Activated Circulation Valve

WANG Degui1，2，HE Junjie1，2，ZHU Haoming1，2，DONG Yijun1，2，YOU Na1，2，WU Xiaoxiong1，2

(1.BaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China； 2.NationalOil&GasDrillingEquipmentResearchCenter，Baoji721002，China)

To solve the coiled tubing drilling cuttings flowback technology difficult problem，a multiple activated circulation valve that can be turned on or closed many times was worked out.The circulation valve provides two flow modes：bypass ports closed with flow flowing to the bit only，and bypass ports opened with flow flowing to the annulus.The circulation valve can be manipulated between two flow modes by flow，only controlled the pump.All the laboratory experiment results show that the circulation valve transposition is fluent and bypass would be able to open and close.

coiled tubing；milling；flow back；valve；multiple activated circulation

2016-09-09 作者簡介：王德貴(1985-)，男，工程師，碩士，主要從事石油井下工具的研究工作，E-mail：wangdegui1985@126.com。

1001-3482(2017)02-0055-03

TE933.8

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.012