连续油管多次循环开关阀研制

王德贵，何俊杰，朱浩铭，董毅军，游 娜，吴小雄

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002)①

连续油管多次循环开关阀研制

王德贵1，2，何俊杰1，2，朱浩铭1，2，董毅军1，2，游 娜1，2，吴小雄1，2

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002)①

为了解决连续油管钻磨碎屑返排技术难题，研制了一种旁通可以反复打开和关闭的多次循环开关阀。该阀采用流体激发原理，有旁通关闭时流体全部流向钻头、旁通打开时流体全部流向环空2种工作状态，通过开、关泵控制工具在这2种模式下进行反复切换。室内试验结果表明，该开关阀换位顺畅，通过开、关泵，旁通能够顺利打开和关闭。

连续油管；钻磨；返排；开关阀；多次循环

复合桥塞分级压裂作为储层分级首选方式，随着页岩气的大力发展，该技术逐步开展并大规模应用[1-3]。连续油管钻磨桥塞工艺作为桥塞分级压裂配套技术，是确保井筒畅通、气井迅速投产的关键技术。美国仅在2013年就使用和钻磨掉14～20万个复合桥塞；2014年在川渝地区，使用复合桥塞超过1 200个。

连续油管钻磨复合桥塞技术，工艺风险较高，钻磨工具的应用是影响施工效率和工艺安全的重要因素[4-5]。钻磨的动力来自于螺杆马达[6-8]，因受到螺杆马达排量限制，钻磨作业时循环排量一般需控制在500 L/min以内，而钻磨产生的碎屑块状大，钻屑难以返排，需要增大排量来提高环空流速。另外，套管变形影响桥塞钻磨，个别页岩气区块套管变形占总井数超过50%，套管变形井要使用小磨鞋钻磨，使用小磨鞋产生的钻屑较大，不利于返排，从而增加遇卡风险，也需要增大排量来提高环空流速。解决钻磨后碎屑返排困难的关键工具是旁通阀，而简单的旁通阀(如双作用循环阀)激发后旁通处于常开状态，泵注时对马达的流量进行分流，需要长时间大排量注入，而且大排量返排时，螺杆马达处于工作状态，损耗其使用寿命。为此，研制一种旁通可以反复打开和关闭的多次循环开关阀[9-10]。

1 结构原理

1.1 结构

多次循环开关阀主要由壳体、上芯轴、下芯轴、上活塞、内活塞、换位活塞、换位销、限位销、缓冲弹簧和换位弹簧等组成，如图1所示。

1—壳体；2—上芯轴；3—上活塞；4—缓冲弹簧；5—内活塞；6—换位活塞；7—下芯轴；8—换位销；9—换位弹簧；10—限位销；11—上活塞旁通孔；12—壳体旁通孔；13—下芯轴旁通孔；14—导向槽。

上活塞、换位活塞与换位销控制工具的开关，是工具的核心部件。上活塞通过螺纹与换位活塞连接成一个整体；换位活塞下端面均布有凸块和凹坑，表面分布有J型槽，换位销一端固定在壳体上，另一端插入J型槽中，如图2所示。换位弹簧起着缓冲以及协助换位活塞复位的作用；内活塞与下芯轴控制中心通道的开闭；限位销限制换位活塞的行程，避免换位销承受过大推力，并保护下方换位弹簧。壳体与其他工具连接是采用标准螺纹接口。

图2 换位活塞结构示意

1.2 工作原理

多次循环开关阀有旁通关闭流体全部流向钻头、旁通打开流体全部流向环空2种工作状态。它由通过管柱的流体驱动，利用流量控制循环阀打开和关闭，并能在这2种模式下进行反复切换，作业过程中无需反复起出复位。

开关阀流量与工作状态的关系如图3所示。L2为工具正常工作的最低流量，L1为换位时需要将流量控制的最高上限。将工具下入到井底工作位置后，开泵，将流量控制在L2以上，就可以进行正常的钻磨作业；当需要进行钻磨后返排作业时，可以停泵或者将泵排量控制在L1以下，保持30 s以上，再次开泵后，将排量控制在L2以上，就可以进行大排量返排作业，此时，流体全部通过旁通孔流向井眼环空，螺杆马达处于待命状态；返排结束后，又需要进行钻磨作业时，再次关泵和开泵即可转换工作模式。

图3 流量与工作状态示意

开关阀工作状态的切换是通过流体控制换位活塞在换位弹簧和导向销、定位销的作用下产生不同的轴向位移来实现的。当流体通过多次循环开关阀时，推动上活塞和换位活塞下行，压缩换位弹簧，由于J型槽和换位销的作用，换位活塞会在下行的同时绕工具中心旋转，最终换位活塞凸块被限位销限位，不再继续下行，下芯轴旁通孔未被堵塞，上活塞旁通孔和壳体旁通孔未连通，流体仍流向下方工具；关泵后，推动换位活塞下行的力消失，换位弹簧复位，工具回到初始状态；再次开泵后，换位活塞凹坑被限位销限位不在继续下行，下芯轴旁通孔被堵塞，上活塞旁通孔和壳体旁通孔连通，流体全部流向环空。因此，泵每开、关一次，工作状态就切换一次。

1.3 技术特点

多次循环开关阀是一种流体激发、可多次打开和关闭的工具，取代传统的投球式循环阀，具有以下特点：

1) 结构简单，使用方便。采用流体激发，只需开、关泵就能控制工具的开关，安全可靠，故障率低。

2) 无需投球，工具激发受井斜角影响小。

3) 节约作业时间与成本。流体激发反应速度快，无需等待投球坐封，且一次下入可根据需要多次转换工作状态，无需反复起下钻，有效提高作业效率，降低作业成本。

4) 可进行大排量洗井作业而不损坏下方工具及受流量限制的工具。

5) 当钻头或钻具水眼堵塞时，通过换位打开旁通孔，使流体流向环空，可重新建立流体循环通道。

1.4 技术参数

外径 ø73.0 mm

密封压力 35 MPa

旁通打开次数 无限次

激发压力 (1.2±0.3)MPa

可承受最大拉力 350 kN

1.5 操作方法

多次循环开关阀安装在马达头以下，马达之上为钻磨桥塞的标准配置。下井前，先在地面上测试开关位置，并记录循环孔打开瞬间管串产生的压降，确保下井开泵后，工具处于旁通关闭状态；测试后下入井中，到达指定位置后，开泵进行作业。当需要进行换位时，关泵，30 s后再次开泵。可根据相同排量下井口压力的变化判断旁通是否打开。

2 室内试验

为了测试多次循环开关阀的技术指标是否达到设计要求，进行了厂内密封强度试验和循环开关功能试验。

1) 密封强度试验。用手压泵进行试验，加压35 MPa保持5 min后，未见任何可见渗漏，压降小于0.3 MPa；试验后对工具进行了解体，并对主承载件进行了磁粉探伤，均符合NB/T47013.4标准中II级规范的要求。

2) 功能试验。介质采用清水，在厂内进行了近50次开、关泵试验，每开、关泵一次，工具工作状态就转换一次，且转换顺畅，停泵后30 s内能恢复到初始位置。样机试验结果表明各项参数达到了设计要求。如图4所示。

a 旁通关闭

b 旁通打开

3 结论

1) 这种多次循环开关阀只需开、关泵即可实现旁通的打开和关闭，并能在2种模式下进行反复切换，操作简单。

2) 特殊设计结构，使其不用投球，工具激发反应速度快、受井斜角影响小、使用范围广。

3) 使用该多次循环开关阀，不仅能进行大排量返排洗井作业，而且当钻头或钻具水眼堵塞时，可重新建立流体循环通道。

[1] 叶登胜，李斌，周正，等.新型速钻复合桥塞的开发与应用[J].天然气工业，2014，34(4)：62-66.

[2] 尚琼，王伟佳，王汤，等.连续油管钻复合桥塞工艺研究[J].钻采工艺，2016，39(1)：68-71.

[3] 向刚，卢秀德，宋丹，等.连续油管钻磨工艺螺杆马达特性分析及现场应用[J].钻采工艺，2014，37(1)：75-77.

[4] 郭彪，卢秀德，雍和毅.连续油管在某页岩气A井钻磨解卡与认识[J].钻采工艺，2015，38(4)：107-109.

[5] 孙国辉.浅谈桥塞磨铣工艺技术现状及应对措施[J].内蒙古石油化工，2013，(4)：100-102.

[6] 郭瑞华，黄杰，姚传高，等.连续管磨钻工艺的研究与应用[J].石油机械，2013，41(8)：87-89.

[7] 叶登胜，李斌，周正，等.新型速钻复合桥塞的开发与应用[J].天然气工业，2014，34(4)：62-66.

[8] 黄志潜.连续油管作业技术[M]．北京：石油工业出版社，1998．

[9] 池胜高，代琼曦，张策，等.国外多次激活旁通阀技术现状[J].石油机械，2015，43(10)：108-111.

[10] 何俊杰，王德贵，王前敏，等.多次循环开关阀技术现状及发展建议[J].石油石化技术与装备，2016(3)：3-6.

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 作者简介：王德贵(1985-)，男，工程师，硕士，主要从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