多次激活旁通閥技術及應用

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(1.西南石油大學 石油與天然氣工程學院，成都 610500；2.中海石油(中國)有限公司 番禺作業公司，廣東 深圳 518000)

多次激活旁通閥技術及應用

王志偉1，2，張杰1，李文金2，田志欣2

(1.西南石油大學 石油與天然氣工程學院，成都 610500；2.中海石油(中國)有限公司 番禺作業公司，廣東 深圳 518000)

多次激活旁通閥是指連接在鉆柱某一位置、可多次改變井下流體流動方向的工具。介紹了M-I SWACO投球式多次激活旁通閥的工作原理、技術優勢和操作流程。通過在番禺油田大位移井中的應用表明：該閥可實現不起鉆堵漏；保護下方的MWD、LWD等流體敏感性工具不受流體排量和性質的影響；清除大位移井巖屑床，清潔井眼。并對投球式多次激活旁通閥的局限性進行了分析，提出了幾點旁通閥的發展建議。

多次激活旁通閥；隨鉆堵漏；井眼清潔；大位移井；應用

在油氣田的勘探開發中，深井、大位移井、大斜度井等高難度井越來越多。在這些井的施工過程中，會遇到鉆遇斷層遭遇井下漏失、長穩斜井段易形成巖屑床、小尺寸工具循環排量受限無法充分清潔井眼等問題。旁通閥在隨鉆堵漏、提高環空返速、促進井筒中巖屑的返出等方面有著顯著的優勢。常規旁通閥在井下只能進行一次流體通道的轉換，一旦激活，打開旁通孔，工具無法在井下復位，恢復至正常循環狀態；若復位，需將工具起出井口進行操作，增加了起下鉆的次數，從而增加了作業中的非鉆進時間，鉆井效率降低，作業成本增加[1]，無法滿足鉆完井現場的作業需求。多次激活旁通閥很好地解決了上述問題。本文通過介紹M-I SWACO投球式多次激活旁通閥的技術特點、工作原理，分析了其在油田現場的應用效果。總結了該工具在應用中的一些局限性，提出了幾點旁通閥的發展建議。

1 M-I SWACO投球式多次激活旁通閥

多次激活旁通閥是一種可多次打開和關閉的短節，用于改變井下流體的流動方向[2]，提高環空流體返速、促進井筒中巖屑的返出，隨鉆堵漏作業等[3]。多次激活旁通閥一般安裝在MWD、LWD、渦輪、螺桿等流體敏感性工具的上方[4]。

1.1 工作原理

M-I SWACO公司的多次激活旁通閥由循環短節和捕球筒組成。工具采用投球激活和復位，有開關球和隔離球2種不同尺寸的球組。循環短節采用滑套閥控制流道啟閉，在投入較大尺寸的開關球時，球落在球座上，通過鉆柱內憋壓壓縮彈簧，內滑套下行打開旁通孔，當井下流體壓力達到預設的臨界壓力時，剪切球座，開關球落入到下部的捕球筒中。此時，大部分流體通過旁通孔進入環空，少部分流體冷卻潤滑下部的鉆具組合和鉆頭后，進入環空。在旁通閥打開的前提下，投入尺寸較小的隔離球，泵送隔離球到循環短節球座上，此時完全隔離下部鉆具組合，全部流體通過旁通孔進入環空。作業結束后，需要恢復至正常循環狀態時，投入相同尺寸的開關球，關閉旁通閥，全部流體通過下部鉆具組合和鉆頭進入環空。特殊設計的球座可以使打開和關閉工具使用相同尺寸的球，避免了投入錯誤尺寸的球的風險。捕球筒容積為18個球，若每次開關旁通閥使用1個打開球、1個隔離球和1個關閉球，工具一次入井，最多可實現6次開關。

M-I SWACO公司的旁通閥工具有?127.0、?177.8、?209.6和?241.3 mm 4種規格，技術參數如表1所示。

表1 M-I SWACO投球式多次激活旁通閥技術參數

旁通閥在打開的情況下，會產生一定的壓降，可根據式(1)計算。

(1)

式中：p為壓力降，MPa；G為排量，L/min；D為鉆井液密度，g/cm3；C為常數。

例如：當工具尺寸為127 mm，處于關閉狀態，鉆井液密度為2.16 g/cm3，排量為1 514 L/min，投球打開旁通閥。旁通閥產生的壓降為：

1.2 技術優勢

1) 一次入井，可進行多次開關。多次激活旁通閥內部含有特殊構件，可通過投球的方式使旁通閥復位，從而實現多次開關。

2) 有效保護井下儀器和動力鉆具免受高排量流體、腐蝕性流體或堵漏材料的損害[5]。當旁通閥處于打開狀態時，全部或大部分流體通過旁通閥直接進入環空，可以有效保護旁通閥下部流體敏感性工具免受流體排量或流體性質的影響。

3) 提高環空返速，有效清除巖屑床，清潔井眼。對于大位移井來說，井眼清潔是個難題[6]。正常鉆進時，循環排量受限于小尺寸工具、MWD工具或高循環泵壓，無法滿足清潔井眼的要求。當打開井下旁通閥，大部分流體通過旁通閥直接進入環空，可提高循環排量，增大環空返速，提升鉆井液攜巖效率，有效清除高井斜、長穩斜井段的巖屑床，達到清潔井眼的目的[7]。

4) 減少起鉆次數，節省作業時間，提高作業效率，降低作業成本。

1.3 操作流程

1) 停泵，向鉆柱內投入開關球。

2) 開泵，小排量送球，泵壓不超過鉆進期間的循環泵壓，如鉆具組合下部有馬達，不可旋轉管柱，僅能上提下放管柱。

3) 送球到達球座后，立管壓力上升，此時不要停泵，小排量緩慢提高壓力至旁通閥持球壓力，穩壓30 s，使工具內部構件有時間向下運行。

4) 繼續提高壓力至剪切壓力值，若泵壓出現明顯下降，說明旁通閥已打開(如圖1)，若泵壓未下降，再次提高壓力3.5 MPa，穩壓30 s。依此程序直至球座剪切為止。

5) 如需隔離旁通閥下部鉆具組合，可在旁通閥打開狀態下投入隔離球，隔離球進入球座沒有明顯的壓力變化。

6) 關閉旁通閥時，投入開關球，按照打開旁通閥的程序關閉旁通閥(如圖2)。

圖1 旁通閥打開狀態

圖2 旁通閥關閉狀態

2 現場應用

番禺油田位于南海東部海域珠江口盆地，油田所在海域水深約100 m。2014—2016年，共完鉆6口大位移井，6口井平均井深5 800 m，最大井深7 646 m。在未使用旁通閥工具的PY10-8-A3井和PY11-5-A3H井，作業過程中遇到很多問題。例如：鉆遇斷層發生漏失；受制于MWD、LWD及馬達等工具，無法泵入混有大顆粒堵漏材料的鉆井液；穩斜段長，易形成巖屑床[8]，增加了設備負荷，造成起下鉆困難[9]；小尺寸井眼鉆進時，排量受到限制，無法滿足鉆井液攜巖和清潔井眼的要求等。在其余4口井作業中，使用了M-I SWACO投球式多次激活旁通閥技術，順利地解決了在鉆進過程中遇到的問題。

1) 實現不起鉆堵漏，縮短鉆井周期。PY11-5-A1H井311.2 mm井段鉆進到4 545 m時，發生井漏，最大漏速9.5 m3/h，泵入小顆粒隨鉆堵漏材料，漏速未見減小。由于鉆具組合下部帶有MWD、LWD和馬達工具，無法直接泵入大顆粒的堵漏材料進行堵漏。投63.5 mm開關球，打開旁通閥，接著投入61.9 mm隔離球，隔離下部的鉆具組合，泵入11 m3混有大顆粒堵漏材料的鉆井液到環空，漏速緩慢減小，直至正常。投入63.5 mm開關球，關閉旁通閥，繼續鉆進至目標深度4 972 m。

2) 保護井下工具免受大排量流體損害，滿足清潔井眼的要求。以PY10-5-A1H井為例，該井152.4 mm水平段從7 148 m鉆進到7 646 m時，受制于MWD工具排量限制，最大循環排量僅為1 040 L/min，無法滿足清潔井眼的要求。在MWD工具上方連接旁通閥，鉆進時排量為984 L/min，在MWD工具允許的排量范圍內。循環時，打開旁通閥，提高排量至1 893 L/min，此時大部分鉆井液通過旁通閥進入環空，提高了環空返速。

3) 有效清除大位移井穩斜段的巖屑床。對于長穩斜段的大位移井來說，井眼清潔是個難題。PY11-5-A2H井311.2 mm井段裸眼段長3 514 m，穩斜角度73°，該井段在鉆到4 143 m時，起出鉆具組合。由于穩斜段長，穩斜角度大，巖屑床堆積，直接起鉆，遇阻嚴重，遂采用倒劃眼方式起鉆至3 480 m。為了降低井下作業風險，在3 480 m處投開關球，打開旁通閥，將循環排量從3 407 L/min提高至4 164 L/min，循環清潔井眼。期間振動篩有大量的巖屑返出，如圖3所示。隨著穩斜段的巖屑床被逐漸清理，鉆柱旋轉轉矩明顯減小，當頂驅轉速為120 r/min時，旋轉轉矩從循環前的29.8 kN·m降低到循環后的25.7 kN·m。投入開關球，關閉旁通閥，直接從3 480 m起鉆到井口，期間沒有進行倒劃眼起鉆。

a 旁通閥打開前

b 旁通閥打開后

番禺油田大位移井旁通閥使用統計如表2。

表2 番禺油田大位移井旁通閥使用統計

3 局限性及發展建議

投球式多次激活旁通閥可靠性高、工具工作狀態易判斷，但也存在著諸多局限。開關反應速度慢，受井斜角影響大，泵沖次需要精確計算，存在投錯球的風險；開關次數受捕球筒容積限制，捕球筒需通過起下鉆進行清理；投球后鉆柱通徑減小，增大壓力損耗[10]；連接有旁通閥的鉆具組合只能采用隨鉆測斜，無法進行機械測斜等。對多次激活旁通閥的發展提出如下建議：

1) 單趟下入、無限次激活。目前已有部分廠商生產出了單趟下入、無限次激活的旁通閥，激活方式分別為一次投球激活工具，后續通過調節排量控制旁通閥的打開和關閉；激活球采用可自然降解的特殊材料；投入射頻芯片來打開和關閉旁通閥。單趟下入、無限次激活的旁通閥無需起鉆清理捕球筒，進一步提高了作業效率。

2) 不影響鉆具組合的通徑。未來的旁通閥在投球激活后，鉆柱的通徑保持不變，不會影響機械測斜工具或者打撈工具的進入。

3) 多個旁通閥自由組合入井，且可獨立控制每個旁通閥的開關。在一些井的鉆進過程中，會面臨著同一井段存在多個間隔較遠的漏失層，長穩斜段巖屑堆積形成巖屑床等問題，如果可以在鉆具組合的不同深度位置放置多個旁通閥，并可獨立控制每個旁通閥的打開和關閉，就可以滿足不同深度位置漏失層堵漏和定向清除巖屑床的需求。

4 結論

1) 多次激活旁通閥實現了一次入井，多次開關，在清除巖屑床、清潔井眼、地層堵漏、保護井下流體敏感性工具等方面具有優勢，節約作業時間和成本，大幅提高作業效率。

2) 投球式多次激活旁通閥在番禺油田大位移井中的應用表明，實現了不起鉆堵漏、有效保護了井下MWD等流體敏感性工具、清除了巖屑床，避免了井下復雜情況的發生，保障了大位移井的作業安全。

3) 針對投球式多次激活旁通閥存在反應速度慢、開關次數受限于捕球筒容量、投球后減小鉆柱通徑等局限性，提出了多次激活旁通閥的發展建議。

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[6] Herrington D，Barton S，Hepp T，et al..Billingsley.A step Change in Circulating Technology：Increased Efficiency and Cost Reduction Through Simplifying Circulating Sub Technology and Use[R].SPE 143215，2011.

[7] 姜偉.大位移井鉆井技術在渤海油田中的應用[D].成都：西南石油學院，2002.

[8] 劉雙亮.大位移大斜度井井眼凈化研究[D].武漢：長江大學，2012.

[9] 連吉弘，張華.惠州25-4油田大位移井鉆井新技術應用效果[J].長江大學學報(自然科學版)，2010，7(2)：208-210.

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ApplicationofMultipleActivationBypassValveTechnology

WANG Zhiwei1，2，ZHANG Jie1，LI Wenjin2，TIAN Zhixin2

(1.CollegeofOilandNaturalGasEngineering，SouthwestPetroleumUniversity，Chengdu610500，China；2.PanyuOperatingCompany，CNOOC，Shenzhen518000，China)

Multiple activation bypass valve is a downhole tool which is installed at a specific location of drill string and could change the fluid channel.The technical advantages，working principle and operation procedure of M-I SWACO multiple ball activation bypass valve are introduced in this paper.Field application have been conducted successfully in Panyu oilfield Extended Reach Wells (ERWs)，the potential benefits of multiple activation bypass valve were elaborated.Plugging while drilling without pull Bottom Hole Assembly (BHA) out of the hole，protect the Measurement While Drilling (MWD)，Logging While Drilling (LWD) and other fluid sensitivity tools were not damaged by high flow rate or hazardous fluid，reduce the cutting bed in ERWs’ long hold section and keep the hole cleaning.Furthermore，the limitation of multiple ball activation bypass valve were summarized and several future development suggestions were put forward for applying the multiple activation bypass valve in oilfields.

multiple activation bypass valve；plugging while drilling；hole cleaning；extended reach well；application

1001-3482(2017)06-0068-05

2017-06-07

國家自然基金項目(51274168)；國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2013CB228003)

王志偉(1989-)，男，碩士研究生，主要從事海洋鉆井研究工作，E-mail：wangzhiwei0517@163.com。

TE921.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.014