0 引 言

多次激活旁通阀是一套可多次打开和关闭的短节，一般安装在定向、提速和随钻测井等特殊钻具组合中，可根据井下工况及时开、关旁通孔进行特种作业，增强特殊钻具组合的适用性，有利于提高生产效率，降低井控风险。

在井下作业中，如随钻堵漏作业、注酸作业、修井及完井作业，多次激活旁通阀可保护井下钻具组合。多次激活旁通阀在扩眼作业中可辅助提高切削效率，在水平井、定向井钻井中可提高环隙流速，增强井壁下侧清洗能力。

多次激活旁通阀主要技术优势如下：

(1)可实现不起钻堵漏等特殊作业，缩短钻井周期；

(2)停泵时旁通阀自动关闭，避免可能出现的U形管效应或井控问题；

(3)不受井下工具、仪器和钻头水眼限制，可实现大排量洗井；

(4)可有效清除定向井和水平井段岩屑床；

(5)可有效保护井下仪器及动力钻具；

(6)可实现多次井下开关作业。

国外最早的多次激活旁通阀产品是DSI(Drilling Systems International)公司的PBL工具，该工具于1988年商业化，迄今为止已在全球范围内使用上万井次，成功率达100%。此外，Baker Hughes、NOV、XDT(X Drilling Tools)、Weatherford、SPS国际能源和Intelligent Drilling Tools等公司都拥有自己的特色产品。其中，威德福公司的JetStream钻井循环阀是目前唯一一家采用RFID射频识别技术激活的产品。

DSI公司的PBL多次激活旁通阀由开关球组、旁通短节和球篮短节3部分组成。开关球组按照球径由大到小排序，依次是激活球、2个完全相同的复位球以及锁定球，其中激活球和锁定球采用树脂材料制成。旁通短节采用滑套阀控制流道启闭，激活方式为投球激活，投球后钻柱内憋压压缩弹簧，内滑套下行打开旁通端口。内滑套以及工具外壳上的2个旁通端口都设有球座，当井下流体压力达到预设的临界压力时剪断落在球座上的激活球或锁定球。PBL工具激活方式的关键是通过地面钻井泵控制井下流体压力大小。

PBL多次激活旁通阀工作原理如图1所示，它有激活和锁定2种工作状态。激活状态时2个旁通端口全打开，钻柱内封堵，可进行井眼清洗、随钻堵漏或其他作业。锁定状态时仅1个旁通端口打开，锁定球在较小的流速和压力下被泵送到井下，通过立压上升确定锁定球到位后，地面停泵，实现锁定，在该状态下可以进行流体驱替、起出空钻杆和填充钻杆等作业^[1]。

图 1 PBL多次激活旁通阀工作原理示意图 Fig.1 Operating principle of PBL multiple activation bypass valve

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Baker Hughes公司的XP循环阀主要由开关球组、上接头、循环短节、球篮短节以及下接头组成。开关球组包括球径分别为60.33、57.15和53.98 mm的大、中、小3种球。XP循环阀的循环通道以及钻柱内通道的启闭关键是通过壳体上的多段球座环实现。如图2和图3所示，循环短节的上球座和球篮短节的下球座是一个有缝夹套，套爪的末端分别形成笼状球座；循环短节的壳体上设有凹槽①和凹槽②，形成多段球座环，球篮短节的壳体上设有凹槽③。当球落到球座，且钻柱内憋压时，推动球座压缩弹簧下行，只有球座行至尺寸符合的凹槽时笼状球座才可撑开，并释放投球，其中凹槽①允许小、中号球通过，凹槽③允许大号球通过。球篮短节的笼状球座不撑开时只允许小球通过并进入螺旋通道，对于中、大号球，只有当循环孔关闭，钻柱内可憋压时才能推动下球座及螺旋导向筒下行，释放投球，从而实现钻柱内通道的启闭控制。循环阀状态位的锁定通过J形转位机构实现，如图4所示。索引钉固定在工具外壳上，索引套筒在井下液压力和弹簧力的作用下，按照索引路径进行周期转动，索引钉进行卡位锁定。

图 2 循环短节结构示意图 Fig.2 Structural diagram of circulation sub 1-上球座； 2-套爪； 3-笼状球座； 4-索引 套筒；5-凹槽①；6-凹槽②；7-索引钉。

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图 3 球篮短节结构示意图 Fig.3 Structural diagram of ball catcher 1-下球座； 3-笼状球座； 3-凹槽③； 4-螺旋导向套。

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图 4 转位机构结构示意图 Fig.4 Schematic of indexing mechanism

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XP循环阀有3种工作状态：①循环孔、钻柱内通道同时开启，可加大循环排量；②循环通道关闭、钻柱内通道开启，也是复位状态，可进行正常钻进；③循环通道开启、钻柱内通道关闭，可进行随钻堵漏。3种状态分别通过小、大、中号球激活，激活顺序与索引套筒的索引路径相关^{[2, 3, 4, 5]}。

XDT公司于2011年4月研发出TAZ无限次激活旁通阀，该产品是第1个可在井下实现无限次激活的工具，目前产品有165.10 mm(6 1/2 in)系列。无限次激活的关键在于激活球采用可降解材料制成，并且降解周期比激活球到达球座的时间长。旁通阀启闭同样利用滑套阀来实现，壳体上均布3个可调节喷嘴，可按现场需求调节循环流量。旁通阀状态锁位通过J形转位机构实现，其原理与贝克休斯公司的XP循环阀相同，如图5所示。若规定未启用时，滑套阀所处的位置为上，那么滑套阀的位置呈“上→下→中→下→上”周期变换，分别对应工具休眠状态→投球憋压，循环阀开启状态→激活球降解，循环阀开启状态→再次投球，循环阀关闭状态→激活球降解，恢复工具休眠状态。

图 5 TAZ工具工作原理示意图 Fig.5 Operating principle of TAZ Tool 1-可降解球； 2-可调喷嘴； 3-滑套阀； 4-J形转位机构。

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TAZ工具的优势在于：①可无限次激活；②激活球降解后不影响其他工具施工，如测井工具的通过；③可避免多次起下钻造成的成本浪费^[6]。

国民油井公司的MOCS(Multiple Opening Circulating Sub)多次激活循环阀工具有Ø120.65、Ø165.10和Ø203.20 mm等3个系列，它与PBL工具较类似，如图6所示。循环阀同样通过滑套阀启闭，状态位锁定也通过转位机构实现，但MOCS工具最大的特点是单个球即可实现多次工具激活。其实现原理是：休眠状态时，内滑套处于上位，在转换接头、工具壳体和内滑套之间形成一个环形密封腔；当内滑套处于下位时，环形腔和旁通口均打开，液体只能从环形腔室流经旁通口；停泵时，内滑套复位至上位；内滑套处于中位时，环形腔打开而旁通口仍然关闭，此时液体由环形腔流入内滑套。旁通状态激活和非旁通状态激活的差别在于通过不同的泵压和井下液体流速控制^{[7, 8, 9, 10]}。

图 6 MOCS工具工作原理示意图 Fig.6 Operating principle of MOCS Tool

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威德福公司的JetStream钻井循环阀激活方式运用了威德福的特色技术——RFID射频识别技术。该循环阀主要由RFID控制模块、液压控制模块和循环阀模块组成，如图7所示。

图 7 JetStream钻井循环阀结构示意图 Fig.7 Structural diagram of JetStream drilling circulation valve 1-天线； 2-RFID控制模块； 3-电 池；4-液压模块；5-循环阀模块。

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循环通道的启闭由滑套阀实现，钻柱内通道的启闭由分瓣阀板实现。滑套上有2排循环孔，正常钻进时，循环通道关闭、钻柱内通道开启；接收到相应激活信号时，滑套上行；前排循环孔与壳体上循环孔对齐时，循环通道打开，钻柱内通道开启；当滑套继续上行至第2排循环孔对齐时，阀板关闭，从而实现钻柱内通道关闭，循环通道开启。

RFID控制模块包括天线、电池、传感器和电控单元等。携带不同指令的RFID标签随钻井液泵入井下，天线“读”指令，并将信号传递给电控单元，电控单元随之控制执行器实现相应动作。

如图8所示，液压控制模块的基本原理基于电机驱动的微型泵和电磁阀的液压控制技术。微型泵和电磁阀受电控单元控制，主要有3个液压腔，分别是上液压腔、下液压腔和补偿腔。补偿腔通过弹簧及允许钻井液自由进出的孔道与上液压腔形成液压平衡。当电机驱动微型泵从下液压腔向上液压腔泵入液体时，补偿腔自动平衡液压，滑套上行。霍耳传感器及磁铁用于监测位移信息，滑套到位后即停止泵入。

图 8 循环短节液压模块结构原理 Fig.8 Structural diagram of circulation sub hydraulic modular

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国外几家公司的多次激活旁通阀在结构原理上各有特色，技术特点对比见表1。

目前，多次激活旁通阀主流的控制方式仍然是机械(投球)液压激活方式，该方式还分为纯投球液压式，以及在投球激活的基础上辅助以通过地面钻井泵控制井下流体压力和流量。投球激活方式需要增加地面投球设备，从而延长作业时间，增加成本，并且会对钻柱内通径造成影响，降低流速，增大压力损耗，并且影响其他工具下入。此外，威德福公司最新的RFID激活方式可将多个循环阀组合使用，实现选择性激活。

采用多次投球激活的工具需要精确的投球计数，激活次数受限于球篮短节的最大容量，并且球篮短节需专门起下钻进行清理，影响作业效率，增加作业成本，增大作业风险。目前可实现单趟下入无限次激活的旁通阀有3种形式，一是类似于国民油井公司的MOCS工具，改进部分机械结构，可实现无限次激活；二是如TAZ工具，激活球采用特殊材料制成，可在井下自然降解，无需球篮短节，不影响其他工具如测井工具的通过；三是采用如威德福公司的RFID电控方式，可实现无限次激活，且可以同时监测井下的状态信息，便于工具性能验证。

机械投球式的主流结构通过滑套阀启闭旁通口，通过转位机构锁定状态位，而采用转位机构会使状态位的切换受限于索引套筒的路径，无法实现状态位之间的自由切换。威德福公司的RFID循环阀采用液压缸自动补偿锁定的方式，克服了这个缺点。

由以上分析可知，多次激活旁通阀的发展趋势是单趟下入无限次激活和远程智能控制。

随着MWD、LWD、旋转导向装置、螺杆钻具和涡轮钻具等特殊井下工具在钻井作业中的广泛应用，多次激活旁通阀以其消除随钻堵漏和循环洗井等特殊作业对以上工具敏感性元件不利影响的优势，应用日益广泛。目前，国内尚无多次激活旁通阀产品及相关应用，建议尽早开展多次激活旁通阀的研究，力求缩小与国外的技术差距，提高我国的石油装备研发水平。