鉆井液防噴濺工具的技術現狀及發展趨勢

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(1.中國石油集團鉆井工程技術研究院 北京石油機械廠，北京102206；2.川慶鉆探工程有限公司 長慶井下技術作業公司，陜西 咸陽 712000)

隨著油氣勘探開發不斷向深層、復雜地層和海洋地區發展，鉆井日費暴漲。因此，提高鉆井效率和降低作業成本一直是油公司、鉆井承包商和技術服務公司追求的重要目標，相應地對鉆井過程中每一步驟、每一細節的要求更為嚴苛。

在鉆井過程中，由于鉆井液攜帶巖屑上返地面，造成環空內流體與管內流體之間的密度差。不論轉盤鉆井還是頂驅鉆井模式，當停泵后，方鉆桿/頂驅裝置內流體液面高于環空內流體液面，由于壓差的作用，使得方鉆桿/頂驅裝置和水龍帶內存留的鉆井液全部噴濺到鉆臺面上，污染工作環境，甚至導致作業事故。從作業效率角度來講，等待鉆井液噴泄完畢的時間消耗也是巨大的。國外鉆井相關數據表明，對于一口深井，按每小時鉆井進尺18.29 m(60英尺)計算，等待鉆井液流盡過程在每次上扣連接中至少浪費1～2 min，從而每天用于上扣連接的時間至少多消耗了1 h，造成了大量的財力浪費及過多的鉆時消耗。

由此可見，鉆井液防噴濺工具是解決管柱連接作業過程中鉆井液噴濺問題的核心工具，對于減少污染、提高作業安全性和生產效率起到十分重要的作用。

1 國內相關工具發展現狀

基于國內鉆井作業實踐，鉆井工作者相繼研發了諸多結構類型的鉆井液防噴濺工具。同時，針對以前的鉆井液防濺工具使用壽命短、結構單一、防濺效果不明顯及制造成本高等問題，也開展了一系列改進、優化工作。本文分析了國內典型產品的結構及功能特點。

1.1 活塞式結構

活塞式鉆井液防濺接頭是當前應用最為廣泛的結構之一，李士敏、李科、何俊才、孔凡華、劉紅莉等鉆井工作者先后研制了各類活塞式鉆井液防濺接頭[1-5]，其典型結構如圖1所示。基本結構主要由本體、閥座、閥芯、活塞、彈簧和各類密封圈構成。閥芯或固定安裝在閥座上，或與閥座相關聯，用于鉆井液通道的開閉；閥座連接在可以沿主體的圓柱形回轉中心軸線滑動的活塞上；活塞內部設有Y形或其他異形鉆井液通道，活塞背向有壓力鉆井液進口的一面設有復位彈簧。當正常鉆進時，由于泵壓的存在，液體壓力克服彈簧的阻力，閥芯與活塞下移，使閥芯與活塞處于開啟狀態，打開水眼通道，與活塞內部液體通道相通；停泵后，閥芯與活塞在彈簧的作用下上移，將方鉆桿的水眼堵住，防止鉆井液濺出。其中，密封組件(閥芯、活塞套等)多采用硬質合金熱鑲工藝或涂敷復合材料加以保護，用以抵抗鉆井液長時間的沖蝕。

1—主體；2—彈簧擋圈；3—半圓擋圈；4—套；5—閥座；6—密封圈；7—閥芯；8—活塞；9—通道；10—彈簧；11—密封圈。a 活塞式防濺接頭(結構一)

1—本體；2—密封頭；3—密封頭；4、9、11、13—密封圈；5—絲堵；6—活塞套；7—彈簧；8、10—觀察孔；12—密封頭支架；14—擋圈。b 活塞式防濺接頭(結構二)

1—本體；2—閥座體；3—閥座；4—閥芯；5—活塞；6—彈簧；7—流道；8～10—密封圈；11、12—支撐套；13—固定螺母。c 活塞式防濺接頭(結構三)圖1 典型活塞式鉆井液防濺接頭結構示意

1.2 限位式結構

孫起昱、趙厚良、梁書奇、張志剛等鉆井工作者先后研制了各類限位式鉆井液防濺接頭[6-10]，其典型結構如圖2所示。基本結構主要由本體、閥座壓帽、閥座、閥球或閥芯、彈簧、彈簧座和各類密封圈構成。在本體上部的中空孔內通過螺紋連接有閥座壓帽，閥座壓帽下依次安裝有閥座、閥球或閥芯和彈簧座，閥座與彈簧座之間為支撐環，閥球或閥芯套裝在彈簧座上，閥體內壁有一處內環形臺階，與閥球或閥芯配合形成環形密封；其上端面上設有與閥座配合的錐形密封面，在閥球或閥芯與彈簧座的中空孔內安裝有一彈簧，在彈簧座下端面上開有與閥球或閥芯和支撐環形成的環空相通的鉆井液流道。在石油鉆井施工過程中，開泵后，當泵壓大于壓縮彈簧的彈力時，閥球或閥芯下行，鉆井液通過閥體內部循環通道進入下部鉆具，同時部分鉆井液通過彈簧座管壁上的分流孔得以分流，以減小流動阻力。停泵后，當鉆具內發生回流時，閥體被推上移，其與接頭內臺階之間的環形通道被打開，鉆井液從閥體上的回流孔釋放回壓；同時，閥球或閥芯在壓縮彈簧的彈力作用下上行，并與閥體內壁的環形臺階形成密封，即可避免卸開方鉆桿時鉆井液濺漏。

此類限位式鉆井液防濺接頭具有以下特點：

1) 發揮了閥體臺肩的限位作用。

2) 球面或環形密封處堆焊耐磨材料，彈簧外套一層保護套，能夠抗擊鉆井液的沖蝕。

3) 增加了鉆井液的人工泄流孔，有效防止了彈簧易疲勞損壞的發生。

1—本體；2—閥帽；3—閥座；4—套；5—單向測壓閥芯；6—閥芯；7～8—支承環；9—通道；10—彈簧；11—彈簧座；12—固定頭；13—鉆井液通道。a 限位式防濺接頭(結構一)

1—接頭體；2—導向套；3—閥體；4—閥座；5—支撐套；6—擋圈；8—彈簧；7、9、10—密封圈。c 限位式防濺接頭(結構三)圖2 典型限位式鉆井液防濺接頭結構示意

1.3 螺旋式結構

趙厚良、王迎橋等研制了一種螺旋式雙作用鉆井液防濺接頭[11-12]，其典型結構如圖3所示。基本結構主要由閥座、閥體、支撐內套、導向盤、導向銷、主/副彈簧、接頭體和各類密封圈構成。底座安裝在接頭體的下端，對閥體起支撐和導向作用。閥座安裝在接頭體的上端與閥體一起形成球面密封。閥體的一端加工成滑套形式，并在此端上面加工螺旋導向槽。由插在底座上的導向銷和閥體上的螺旋槽共同作用，使閥體在底座上做滑動和螺旋運動。主彈簧的兩端分別頂在底座和導向盤上，對閥體的關閉起主推力作用。副彈簧安裝在閥體內，當主彈簧被壓縮達到一定位置后，副彈簧對閥體起推力作用。導向盤套在閥體上，把主彈簧的作用力傳遞給閥體。四分體的支撐內套與內擋圈起固定閥座的作用。

此類限位式鉆井液防濺接頭具有以下特點：

1) 采用螺旋式關閉方式，其優點是可以帶走夾在閥體與閥座之間的干涉物，閥體與閥座在關閉后的密封效果好。

2) 采用主、副彈簧推動閥體運動，實現閥體在關閉時形成“快關、慢接觸”，既有利于防止鉆井液噴濺，又可避免閥體與閥座之間發生快速接觸而撞擊損害。

1—內擋圈；2—支撐內套；3—閥座；4—密封圈；5—導向盤；6—副彈簧；7—閥體；8—導向銷；9—主彈簧；10—底座；11—接頭體。圖3 典型螺旋式鉆井液防濺閥結構示意

1.4 反向開啟式結構

現有的防濺閥主要有閥芯正向開啟和反向開啟兩種結構形式，其中反向開啟的防濺閥，閥座通過結構固定或安全剪切銷釘固定，閥芯開啟時向上運動，一旦發生故障，則易產生憋泵等問題，閥芯頻繁開啟和關閉，閥座安全銷釘長期受交變載荷作用，易產生疲勞破壞而剪斷。

針對上述問題，唐東岳等研制了一種反向開啟式鉆井液防濺閥[13]，其設計中無閥座固定結構和安全剪切銷釘，可避免憋泵和安全剪切銷釘疲勞剪斷等問題，結構示意如圖4所示。其主要包括向下貫通的接頭本體，其內部設計有一上端封閉、開口向下的并且上、下段外徑不同的中空閥體，閥體上段與本體上段內腔形成用于液體通過環空一，閥體下段外壁與本體內壁貼緊且密封配合，并通過閥芯支撐機構連接在本體的內表面；閥體內設有上口敞開下端封閉的中空的閥芯，閥芯上段外徑大于下段外徑并且通過一臺階面過渡，閥芯大外徑上段與閥體內壁滑動密封配合，環空一與環空二通過周向均布的通孔連通。

此類鉆井液防濺接頭具有以下特點：

1) 通過環空內液體對閥芯的壓力差產生推力，開啟閥芯與閥座之間的密封錐面以及泵后閥芯與閥座之間的密封。

2) 通過彈性支撐機構的設計，使得支撐彈簧對閥座的彈力大于壓縮彈簧對閥心的彈力，以保證閥芯被卡死時鉆進液通道的正常開啟，而不會產生憋泵問題。

1—本體；1A—內螺紋；1B—外螺紋；2—閥體；2A—環空一；2B—通孔；3—螺梯螺柱；4—彈性卡爪；5—閥芯；5A—臺階面；5B—環空二；5C—外錐面；6—凸臺軸；7—壓縮彈簧；8—閥座；9—支撐彈簧；10—密封圈；11—支撐簧座；11A—環形蓋體。圖4 典型反向開啟式鉆井液防濺閥結構示意

1.5 無彈簧結構式結構

楊君、劉成貴、董洪生等先后研制了無彈簧機構式鉆井液防濺接頭[14-16]，其典型結構如圖5所示。基本結構主要由閥體、閥芯、閥桿、配合接頭、支撐體、定位座及防泄活塞筒構成。主體接頭上部采用螺紋與方鉆桿連接，下部為鉆桿螺紋接單根時與鉆桿連接，內部為閥腔，閥座安裝在主體接頭內部閥腔臺階上。閥芯總成的防泄活塞筒安裝在主體接頭內的閥座上，定位座通過螺紋與伸出主體接頭下端的防泄活塞筒連接。通過伸出主體接頭防泄活塞筒的定位座，與主體接頭的下端保持一定的開關距離。

1—主體接頭；2—安全閥壓帽；3—閥桿扶正座；4—防泄活塞筒；5—定位座；6—安全閥桿；7—密封圈；8—安全銷；9—密封圈；10—閥座。b 無彈簧機構式防濺閥(結構二)圖5 典型無彈簧鉆井液防濺閥結構示意

1.6 機電一體化式結構

胡永建等研制了一種新型鉆井液防濺裝置[17]，該設備包括用于流量控制的氣動高壓球閥、壓力變送器、PLC控制器及人機界面等，其工作原理如圖6所示。

圖6 氣動式鉆井液防濺裝置的工作原理

停泵后，將壓縮氣體從立管中注入并上升至鵝頸管處，驅動方鉆桿及鉆柱內的鉆井液下行，只要有合適的壓力，氣體會在適當的時間內將鉆井液驅動到鉆臺之下，隨后再卸開螺紋、接單根。由于螺紋上方的方鉆桿及水龍帶內的鉆井液已排空，短時間內，下方鉆柱內的鉆井液不會上涌，在接單根時就可以避免鉆井液濺出。停泵后，開啟充氣閥，壓縮氣體從立管接頭注入后上行通往水龍頭，然后驅動鉆井液下行，當鉆井液液面下行到適當位置后，關閉充氣閥，開啟卸壓閥，當卸壓完成后，就可以卸開螺紋接單根。在該裝置中，使用機電一體化控制系統，所有閥門操作均可自動進行。

2 國外先進技術概述

目前，國外具有代表性的研究工作主要是圍繞兩方面開展：一是基于頂驅裝置進行短尺寸的閥體設計；二是從工作原理上進行徹底革新。

2.1 活塞式雙向結構

Jeffrey A.Reddoch研發了一種短尺寸鉆井液防濺閥[18]，可以安裝在一個短節內部，用于頂驅鉆井或轉盤鉆井系統，其結構如圖7所示。主要包括固定的閥座和可移動的閥體，閥體內部設計有軸向通孔，可作為液體流動通道，閥座與閥體的接觸區域設置有環形密封組件。閥座上表面設置有流道口，流道口上覆蓋有彈性墊圈，閥體上設計有可取式插頭，實現對整個閥體的打撈回收。

Schlumberger公司的Mud-Check AP以及DrawWork公司的CF-Series Mud Saver Valve[19-20]兩款產品的工作原理與上述基本相同，但在結構方面做了一定的革新。其產品結構圖如圖8～9所示。

此類鉆井液防濺接頭具有以下特點：

1) 有效地增大了閥體內的流通面積，減小壓降，傳給鉆頭更大的鉆壓。

近年來，玉米幼苗矮小細弱，葉窄葉薄發黃，心葉扭曲不舒展，輕者生長緩慢，重者幼苗枯死。也有的玉米地塊葉片發紫逐漸枯死。因此，造成不少地塊玉米參差不齊缺苗斷條，導致部分農民對個別廠家的肥料質量產生質疑。

2) 密封組件表面采用硬質合金材料，減少對閥體部件的流體侵蝕。

3) 設計了反向循環釋放回壓的流動通道，可以利用靜態或動態壓力打開流道。

4) 可以使用沖擊式鉆桿擊破限位帽，實現鋼絲打撈作業。

5) 閥體由于尺寸足夠短，不會增加頂驅裝置下方轉換接頭的長度。

圖7 雙向流道結構示意

圖8 Mud-Check AP產品工作狀態

圖9 CF-Series產品結構

2.2 膠囊式結構

Wenzel公司的Mud Saver Valve[21]屬于膠囊式結構，其產品工作狀態如圖10所示。其正反向流動通道共用一個路徑，徹底革新了常規鉆井液閥的工作原理。當泵壓超過450 kPa時，鉆井液流動通道自動開啟；停止循環后，流動通道隨之關閉，有效地防止鉆井液噴濺。該工具有以下特點：

1) 正、反向循環流動通道開啟壓力低。

2) 閥體內的流通面積大，壓降低。

3) 有效減少誤操作，不會造成憋泵的危害。

4) 外表面采用青銅或者橡膠套筒，減少磨損和流體侵蝕。

5) 設計了一種用于鋼絲作業的擴張筒。將擴張筒泵入到閥體內，膠囊擴大并使得該擴張筒進入到膠囊下方的臺階處，可以防止停泵后膠囊的皺縮。

該工具在橡膠工藝上屬于精品，其經濟性指標也非常突出，據Wenzel公司的統計數據顯示：應用該產品可直接節省鉆井液10%，每次管柱連接可節省時間30 s，節省的時間和鉆井液占鉆井總成本的1.5%。

圖10 Mud Saver Valve產品工作狀態

3 發展趨勢

縱觀國內外相關技術的研究歷程和成果可以發現，鉆井液的噴濺問題在工程試驗探討和解決等方面均進行了卓有成效的開展。近年來研究及工程實踐的焦點主要集中在結構原理的革新以及對現有各類防濺閥的改進優化等方面。

3.1 短尺寸結構集成化

在頂驅鉆井作業模式下，保護接頭與鉆桿之間沒有足夠的空間容納用于鉆盤鉆井的常規旋塞閥接頭。由于上述限制，鉆工長期將頂驅裝置內防噴器(Internal Blowout Prevent，即IBOP)當作鉆井液控制閥來使用。然而，IBOP的首要目的是防止不可控的井涌、井噴或壓力激增的發生，頻繁使用IBOP進行鉆井液的流向控制，會導致其過早磨損，而設備的磨損可能造成在井噴、井涌關鍵時刻IBOP關閉不嚴，甚至造成重大事故。

短尺寸鉆井液防濺閥由于尺寸足夠短，不會增加頂驅裝置下方轉換接頭的長度。同時，通過彈簧高度的靈活設計，可以進一步與頂驅裝置的IBOP集成，節省額外高度，極大地增強了集成度。

3.2 通用性需求

值得說明的是，隨著超深井、大位移水平井及復雜井的日益增多，由于地層的復雜性以及井眼的不規則性，給套管的順利下入帶來了極大的困難。頂驅下套管裝置、自動灌漿循環裝置等作為新興設備，越來越多地應用于具有高難度的套管下放作業中。然而，在使用上述各類裝置進行作業的過程中，鉆井液噴濺問題仍然非常突出，且一直未得到有效解決，而在國外井場作業，外方要求必須配備具有鉆井液流向控制功能的設備或裝置。

由此可見，市場對于鉆井液防噴濺工具的通用性要求極高，要求該類工具可以根據需要擴展應用到頂驅下套管裝置、自動灌漿循環裝置、起下管柱可循環裝置等系列設備之中，并適用于包括轉盤鉆井、頂驅鉆井在內的所有鉆井模式及套管下放作業。

3.3 機理性研究

以前的工作大多是孤立地研究某一方向的問題，或是集中在工程試驗探討和解決等方面，基礎性的理論研究較欠缺。因此，從產品研發角度，需要開展多方面理論分析工作，從多界面、多模式下的流體動力學特性入手，建立基于現場試驗數據的可靠性數值模擬分析方法，分析其可靠性的影響因素及失效模式，為提高其動態性能和工作穩定性，奠定堅實的理論基礎。

4 結論

1) 鉆井液防噴濺工具是解決管柱連接作業過程中鉆井液噴濺問題的關鍵工具，對于避免污染、保證安全生產和提高生產效率起到十分重要的作用。

2) 基于目前在工程試驗探討和解決方案等方面的實踐，應加大基礎性的理論研究力度。從產品研發角度，需要開展結構特性分析、流體動力學特性分析、可靠性分析、失效模式分析等多方面理論工作。

3) 作為一類專項技術，其還應延伸并移植到頂驅下套管裝置、自動灌漿循環裝置、起下管柱可循環裝置以及其他井下工具的作業中，對于加大該類產品的應用面和適應性具有重要意義。

[1] 李士敏，付敏清，林建國，等．活塞式方鉆桿防濺接頭：200420018820.5[P]．2005-03-30.

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[3] 何俊才，宋維春，鄭瑞強，等． 新型防噴濺接頭：200920174584. 9[P]． 2010-07-07.

[4] 孔凡華，鄭瑞強，張士明，等．活塞式方鉆桿防濺接頭的研制[J]．西部探礦工程，2010(12)：95-96.

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[6] 孫起昱，胡群愛，李金貴，等.方鉆桿防濺閥：200520128295.7[P]. 2007-02-28.

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[9] 梁書奇，馬玉斌，孫成龍，等．方鉆桿防濺閥：201020570895.X[P]．2011-05-04.

[10] 張志剛，吳方卓，劉紅斌，等．方鉆桿防濺閥：201120501200.3[P]．2012-07-25.

[11] 趙厚良，邵長東，張建，等．可防濺鉆井液的螺旋式雙作用方鉆桿接頭[J]．石油機械，2005，33(5)：79-80.

[12] 王迎橋．一種新型方鉆桿鉆井液防濺接頭的研制[J]．才智，2008(3)：83.

[13] 唐東岳，高大軍．一種反向開啟的方鉆桿泥漿防濺閥：201420402233.X[P]．2014-12-10.

[14] 楊君，郝榮明，何元君．鉆井泥漿防濺閥：00256880.2[P]．2001-10-03.

[15] 劉成貴，周飛，毛國忠，等．一種方鉆桿防濺接頭：00256998.1[P]．2002-01-02.

[16] 董洪生，董雷．方鉆桿泥漿閥：200420098521.7[P]．2006-06-28.

[17] 胡永建，鄒和均，席梅卿，等．一種新型接鉆具鉆井液防濺裝置[J]．石油礦場機械，2011，40(5)：77-80.

[18] Jeffrey A.Reddoch．Short Mud Saver For Use With Top Drive or Kelly：US008434569B2[P]．2013-03-07.

[19] Product manuals：The Schlumberger Mud-Check APTM[Z]．

[20] Product manuals：The DrawWork CF-Series Mud Saver ValveTM[Z]．

[21] Product manuals：The Wenzel Mud Saver ValveTM[Z].