多次激活旁通阀技术及应用

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(1.西南石油大学 石油与天然气工程学院，成都 610500；2.中海石油(中国)有限公司 番禺作业公司，广东 深圳 518000)

多次激活旁通阀技术及应用

王志伟1，2，张杰1，李文金2，田志欣2

(1.西南石油大学 石油与天然气工程学院，成都 610500；2.中海石油(中国)有限公司 番禺作业公司，广东 深圳 518000)

多次激活旁通阀是指连接在钻柱某一位置、可多次改变井下流体流动方向的工具。介绍了M-I SWACO投球式多次激活旁通阀的工作原理、技术优势和操作流程。通过在番禺油田大位移井中的应用表明：该阀可实现不起钻堵漏；保护下方的MWD、LWD等流体敏感性工具不受流体排量和性质的影响；清除大位移井岩屑床，清洁井眼。并对投球式多次激活旁通阀的局限性进行了分析，提出了几点旁通阀的发展建议。

多次激活旁通阀；随钻堵漏；井眼清洁；大位移井；应用

在油气田的勘探开发中，深井、大位移井、大斜度井等高难度井越来越多。在这些井的施工过程中，会遇到钻遇断层遭遇井下漏失、长稳斜井段易形成岩屑床、小尺寸工具循环排量受限无法充分清洁井眼等问题。旁通阀在随钻堵漏、提高环空返速、促进井筒中岩屑的返出等方面有着显著的优势。常规旁通阀在井下只能进行一次流体通道的转换，一旦激活，打开旁通孔，工具无法在井下复位，恢复至正常循环状态；若复位，需将工具起出井口进行操作，增加了起下钻的次数，从而增加了作业中的非钻进时间，钻井效率降低，作业成本增加[1]，无法满足钻完井现场的作业需求。多次激活旁通阀很好地解决了上述问题。本文通过介绍M-I SWACO投球式多次激活旁通阀的技术特点、工作原理，分析了其在油田现场的应用效果。总结了该工具在应用中的一些局限性，提出了几点旁通阀的发展建议。

1 M-I SWACO投球式多次激活旁通阀

多次激活旁通阀是一种可多次打开和关闭的短节，用于改变井下流体的流动方向[2]，提高环空流体返速、促进井筒中岩屑的返出，随钻堵漏作业等[3]。多次激活旁通阀一般安装在MWD、LWD、涡轮、螺杆等流体敏感性工具的上方[4]。

1.1 工作原理

M-I SWACO公司的多次激活旁通阀由循环短节和捕球筒组成。工具采用投球激活和复位，有开关球和隔离球2种不同尺寸的球组。循环短节采用滑套阀控制流道启闭，在投入较大尺寸的开关球时，球落在球座上，通过钻柱内憋压压缩弹簧，内滑套下行打开旁通孔，当井下流体压力达到预设的临界压力时，剪切球座，开关球落入到下部的捕球筒中。此时，大部分流体通过旁通孔进入环空，少部分流体冷却润滑下部的钻具组合和钻头后，进入环空。在旁通阀打开的前提下，投入尺寸较小的隔离球，泵送隔离球到循环短节球座上，此时完全隔离下部钻具组合，全部流体通过旁通孔进入环空。作业结束后，需要恢复至正常循环状态时，投入相同尺寸的开关球，关闭旁通阀，全部流体通过下部钻具组合和钻头进入环空。特殊设计的球座可以使打开和关闭工具使用相同尺寸的球，避免了投入错误尺寸的球的风险。捕球筒容积为18个球，若每次开关旁通阀使用1个打开球、1个隔离球和1个关闭球，工具一次入井，最多可实现6次开关。

M-I SWACO公司的旁通阀工具有ø127.0、ø177.8、ø209.6和ø241.3 mm 4种规格，技术参数如表1所示。

表1 M-I SWACO投球式多次激活旁通阀技术参数

旁通阀在打开的情况下，会产生一定的压降，可根据式(1)计算。

(1)

式中：p为压力降，MPa；G为排量，L/min；D为钻井液密度，g/cm3；C为常数。

例如：当工具尺寸为127 mm，处于关闭状态，钻井液密度为2.16 g/cm3，排量为1 514 L/min，投球打开旁通阀。旁通阀产生的压降为：

1.2 技术优势

1) 一次入井，可进行多次开关。多次激活旁通阀内部含有特殊构件，可通过投球的方式使旁通阀复位，从而实现多次开关。

2) 有效保护井下仪器和动力钻具免受高排量流体、腐蚀性流体或堵漏材料的损害[5]。当旁通阀处于打开状态时，全部或大部分流体通过旁通阀直接进入环空，可以有效保护旁通阀下部流体敏感性工具免受流体排量或流体性质的影响。

3) 提高环空返速，有效清除岩屑床，清洁井眼。对于大位移井来说，井眼清洁是个难题[6]。正常钻进时，循环排量受限于小尺寸工具、MWD工具或高循环泵压，无法满足清洁井眼的要求。当打开井下旁通阀，大部分流体通过旁通阀直接进入环空，可提高循环排量，增大环空返速，提升钻井液携岩效率，有效清除高井斜、长稳斜井段的岩屑床，达到清洁井眼的目的[7]。

4) 减少起钻次数，节省作业时间，提高作业效率，降低作业成本。

1.3 操作流程

1) 停泵，向钻柱内投入开关球。

2) 开泵，小排量送球，泵压不超过钻进期间的循环泵压，如钻具组合下部有马达，不可旋转管柱，仅能上提下放管柱。

3) 送球到达球座后，立管压力上升，此时不要停泵，小排量缓慢提高压力至旁通阀持球压力，稳压30 s，使工具内部构件有时间向下运行。

4) 继续提高压力至剪切压力值，若泵压出现明显下降，说明旁通阀已打开(如图1)，若泵压未下降，再次提高压力3.5 MPa，稳压30 s。依此程序直至球座剪切为止。

5) 如需隔离旁通阀下部钻具组合，可在旁通阀打开状态下投入隔离球，隔离球进入球座没有明显的压力变化。

6) 关闭旁通阀时，投入开关球，按照打开旁通阀的程序关闭旁通阀(如图2)。

图1 旁通阀打开状态

图2 旁通阀关闭状态

2 现场应用

番禺油田位于南海东部海域珠江口盆地，油田所在海域水深约100 m。2014—2016年，共完钻6口大位移井，6口井平均井深5 800 m，最大井深7 646 m。在未使用旁通阀工具的PY10-8-A3井和PY11-5-A3H井，作业过程中遇到很多问题。例如：钻遇断层发生漏失；受制于MWD、LWD及马达等工具，无法泵入混有大颗粒堵漏材料的钻井液；稳斜段长，易形成岩屑床[8]，增加了设备负荷，造成起下钻困难[9]；小尺寸井眼钻进时，排量受到限制，无法满足钻井液携岩和清洁井眼的要求等。在其余4口井作业中，使用了M-I SWACO投球式多次激活旁通阀技术，顺利地解决了在钻进过程中遇到的问题。

1) 实现不起钻堵漏，缩短钻井周期。PY11-5-A1H井311.2 mm井段钻进到4 545 m时，发生井漏，最大漏速9.5 m3/h，泵入小颗粒随钻堵漏材料，漏速未见减小。由于钻具组合下部带有MWD、LWD和马达工具，无法直接泵入大颗粒的堵漏材料进行堵漏。投63.5 mm开关球，打开旁通阀，接着投入61.9 mm隔离球，隔离下部的钻具组合，泵入11 m3混有大颗粒堵漏材料的钻井液到环空，漏速缓慢减小，直至正常。投入63.5 mm开关球，关闭旁通阀，继续钻进至目标深度4 972 m。

2) 保护井下工具免受大排量流体损害，满足清洁井眼的要求。以PY10-5-A1H井为例，该井152.4 mm水平段从7 148 m钻进到7 646 m时，受制于MWD工具排量限制，最大循环排量仅为1 040 L/min，无法满足清洁井眼的要求。在MWD工具上方连接旁通阀，钻进时排量为984 L/min，在MWD工具允许的排量范围内。循环时，打开旁通阀，提高排量至1 893 L/min，此时大部分钻井液通过旁通阀进入环空，提高了环空返速。

3) 有效清除大位移井稳斜段的岩屑床。对于长稳斜段的大位移井来说，井眼清洁是个难题。PY11-5-A2H井311.2 mm井段裸眼段长3 514 m，稳斜角度73°，该井段在钻到4 143 m时，起出钻具组合。由于稳斜段长，稳斜角度大，岩屑床堆积，直接起钻，遇阻严重，遂采用倒划眼方式起钻至3 480 m。为了降低井下作业风险，在3 480 m处投开关球，打开旁通阀，将循环排量从3 407 L/min提高至4 164 L/min，循环清洁井眼。期间振动筛有大量的岩屑返出，如图3所示。随着稳斜段的岩屑床被逐渐清理，钻柱旋转转矩明显减小，当顶驱转速为120 r/min时，旋转转矩从循环前的29.8 kN·m降低到循环后的25.7 kN·m。投入开关球，关闭旁通阀，直接从3 480 m起钻到井口，期间没有进行倒划眼起钻。

a 旁通阀打开前

b 旁通阀打开后

番禺油田大位移井旁通阀使用统计如表2。

表2 番禺油田大位移井旁通阀使用统计

3 局限性及发展建议

投球式多次激活旁通阀可靠性高、工具工作状态易判断，但也存在着诸多局限。开关反应速度慢，受井斜角影响大，泵冲次需要精确计算，存在投错球的风险；开关次数受捕球筒容积限制，捕球筒需通过起下钻进行清理；投球后钻柱通径减小，增大压力损耗[10]；连接有旁通阀的钻具组合只能采用随钻测斜，无法进行机械测斜等。对多次激活旁通阀的发展提出如下建议：

1) 单趟下入、无限次激活。目前已有部分厂商生产出了单趟下入、无限次激活的旁通阀，激活方式分别为一次投球激活工具，后续通过调节排量控制旁通阀的打开和关闭；激活球采用可自然降解的特殊材料；投入射频芯片来打开和关闭旁通阀。单趟下入、无限次激活的旁通阀无需起钻清理捕球筒，进一步提高了作业效率。

2) 不影响钻具组合的通径。未来的旁通阀在投球激活后，钻柱的通径保持不变，不会影响机械测斜工具或者打捞工具的进入。

3) 多个旁通阀自由组合入井，且可独立控制每个旁通阀的开关。在一些井的钻进过程中，会面临着同一井段存在多个间隔较远的漏失层，长稳斜段岩屑堆积形成岩屑床等问题，如果可以在钻具组合的不同深度位置放置多个旁通阀，并可独立控制每个旁通阀的打开和关闭，就可以满足不同深度位置漏失层堵漏和定向清除岩屑床的需求。

4 结论

1) 多次激活旁通阀实现了一次入井，多次开关，在清除岩屑床、清洁井眼、地层堵漏、保护井下流体敏感性工具等方面具有优势，节约作业时间和成本，大幅提高作业效率。

2) 投球式多次激活旁通阀在番禺油田大位移井中的应用表明，实现了不起钻堵漏、有效保护了井下MWD等流体敏感性工具、清除了岩屑床，避免了井下复杂情况的发生，保障了大位移井的作业安全。

3) 针对投球式多次激活旁通阀存在反应速度慢、开关次数受限于捕球筒容量、投球后减小钻柱通径等局限性，提出了多次激活旁通阀的发展建议。

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[5] Herrington D，Barton S，Hepp T，et al.Innovative Circulating Technology Delivers Reduction in Lost Time and Materials While Drilling Depleted Formations[R].SPE 160427，2012.

[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] 姜伟.大位移井钻井技术在渤海油田中的应用[D].成都：西南石油学院，2002.

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[10] 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)：30-33.

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

国家自然基金项目(51274168)；国家重点基础研究发展计划(973计划)(2013CB228003)

王志伟(1989-)，男，硕士研究生，主要从事海洋钻井研究工作，E-mail：wangzhiwei0517@163.com。

TE921.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.014