0 引言

在定向钻进遇到井漏时，为防止堵漏钻井液造成憋堵，需要起钻甩掉定向仪器，再重新下钻堵漏，不仅耗时，还增加了成本。国外研发了一种随钻防漏堵漏新技术^[1-8]，其关键技术是在MWD或LWD上端安装多次激活旁通阀，堵漏时无需起下钻具，堵漏剂从循环短节旁通孔流出，避免堵塞和腐蚀底部钻具组合。目前国内没有成功应用类似工具，一直以来租赁国外工具，租金偏高，大大增加了钻井成本。由渤海钻探工程技术研究院研制的可多次开关随钻堵漏阀可以随钻具一起下入，不影响正常钻进作业。当遇到漏层需要大颗粒堵漏剂堵漏时，无需起下钻，可以在地面通过投球的方式控制其开关来进行堵漏作业，单井次可进行多次堵漏施工作业，从而大大降低事故风险和难度，节约了事故处理时间，降低了钻井成本。

1 技术分析 1.1 结构

可多次开关随钻堵漏阀由循环短节和捕球器组成，其结构如图 1所示。循环短节本体上端与转换接头钻杆螺纹连接，本体上设有2个循环孔。导向轴套上同样设有循环孔，并与本体上的循环孔对齐，用防转喷嘴连接，防止导向轴套发生轴向移动和周向转动。在芯管上端设有导引块，与导向轴套内的导向槽配合，并开有2个循环孔以及在内腔加工的球座。芯管与导引管通过螺纹连接，构成循环短节芯轴。导引管上加工有多个排气孔。压轴套安装于芯管和本体之间，限制循环短节芯轴向上移动。压轴套下端采用弹性爪结构设计，与循环短节本体内爪槽配合，有效增大工具开启压力。工作弹簧安装于导引管与循环短节本体之间的间隙内，其上端固定在芯管下端面上，下端固定在循环短节本体内台肩上。在防转喷嘴上安装有防尘帽，防止在运输过程中有杂物进入。

捕球器结构如图 2所示。捕球器由捕球器本体和捕球器芯轴组成，捕球器本体上端为钻杆螺纹，与循环短节本体相连接，下端与钻杆螺纹相连接。捕球器芯轴安装在捕球器本体内，其下端设有圆形流通孔，并在管体上开有多个矩形流通孔。可适当增加捕球器短节的长度，以提高堵漏施工作业的次数。

1.2 工作原理

正常钻进时，根据钻井设计的要求，在可能发生漏失的地层，配套可多次开关随钻堵漏阀，即将随钻堵漏阀安装在底部钻具组合上端，随钻具一起下入，进行正常钻进。为确保工具的安全可靠性，在井口进行开关功能性检测，保证钻进时在最大排量下工具不会提前打开，以及堵漏时能顺利打开。

当钻遇漏层，发现漏失时，根据随钻堵漏施工设计的要求，进行堵漏施工作业。首先向钻具内投入激发球，控制排量，泵送激发球入球座。当激发球顺利入座时，可观察到立管压力上升，此时增大排量至工具完全打开排量值，从而使工具芯轴与本体循环孔连通，达到旁通状态，然后就可以进行堵漏施工作业。施工作业结束后，再从井口投入2个大小相同的复位球，当复位球到达工具后，堵塞循环孔，泵压增高，在一定压力下，激发球剪切穿过球座，掉入捕球器内，随后2个复位球也掉入其内，芯轴在工作弹簧恢复力的作用下回到初始位置，流通孔错开，工具处于关闭状态，进而可以继续正常钻进。在经过多次施工作业，可将工具起出，卸掉捕球器，取出捕球器芯轴内的激发球和复位球。

1.3 主要技术参数

BH-PCCV-172/120型可多次开关随钻堵漏阀主要技术参数如下。

刚体最大外径172 mm，总长2 450 mm，球座直径44 mm，连接扣型NC50，激发球直径54 mm，额定压力35 MPa，复位球直径35 mm，额定工作温度120 ℃，旁通孔直径28 mm，抗拉强度3 200 kN，旁通孔2个，抗扭强度105 kN·m，单井单次开关次数为6次。

2 关键技术与创新设计 2.1 关键技术

可多次开关随钻堵漏阀具有多次开关的性能固然重要，但其随钻具一起入井，大部分作业时间为钻进时间，因此，钻进过程中，要保证在大排量下堵漏阀不能提前打开至关重要。对堵漏阀进行力学分析计算，设芯轴向下运动的摩阻为F_f，弹簧的预紧力为F_k，克服弹性爪轴向移动的力为F_a，则芯轴向下移动所需最小轴向力F₁必须满足：

(1)

而F₁又与球座处产生的截流压差Δp和截流压差作用的面积S有关，另取安全系数η，则有：

(2)

截流压差经验公式为：

(3)

式中：ρ为钻井液密度，g/cm³；Q为钻井泵排量，L/s；d为球座通径，cm。

面积S的计算式为：

(4)

式中：D为芯轴外径，mm。

假设T=F_k+F_f+F_a，将式(2)、式(3) 和式(4) 代入式(1)，则有：

(5)

以BH-PCCV-172/120型可多次开关随钻堵漏阀为例，根据室内试验结果可知：F_k的范围为5 500~6 500 N，F_f的范围为800~1 000 N，F_a的范围为3 000~4 000 N，则T的范围为9 300~11 500 N。当T取最小值9 050 N, d=4.4 cm, η=2，ρ=1 g/cm³时，Q≥57.7 L/s, 显然，该值满足现场施工要求。

2.2 创新设计 2.2.1 导向结构

在导向轴套上设有2个循环孔，并与本体上的循环孔对齐，用防转喷嘴连接，防止导向轴套发生轴向移动和周向转动。另外，在导向轴套上端内侧开有导向槽，工具装配后，芯管上的导向凸台与之配合，使得芯管在往复运动中只能做轴向运动，防止其发生偏转，也防止内、里外循环孔发生错位。

2.2.2 开启力补偿机构

为了进一步提高工具的安全性和可靠性，防止随钻堵漏阀在大排量正常钻进时提前打开，设计了开启力补偿机构。在轴套下端采用弹性爪结构设计，与循环短节本体内爪槽配合，有效增大随钻堵漏循环控制阀开启压力。补偿机构具有如下特点：① 在工具开启时，弹性爪能够提供足够大的开启力；② 在工具关闭时，弹性爪收回的力尽可能小，防止其阻碍工具的关闭。

2.2.3 独立捕球器

设计的独立捕球器具有如下特点：① 空间足够，能容纳6次施工所投的控制球，共计6个激发球和12个复位球；② 每次投球施工后，捕球器的过流面积不发生变化，相当于直径65 mm的通孔，不产生截流压差，不影响正常钻进。6次开关后捕球器内控制球排布如图 3所示。

3 现场应用

NP36-3652井是一口定向开发井，位于曹妃甸工业园区内新堡古2平台，设计井深4 254 m，垂深4 214 m，每100 m井段地温梯度3.5 ℃，井底温度达158.0 ℃，试验井段地层为下第三系东营组和沙河街组，以灰岩、泥岩和砂岩为主，该井段可钻性差，而且容易发生坍塌和漏失。针对这一施工难题，提出在该井段钻进过程中应用可多次开关随钻堵漏阀进行防漏堵漏。

在井深3 823 m时，随钻具下入可多次开关随钻堵漏阀，由于钻井队施工作业的需要，中途3次起钻，工具检查均正常。在井深4 238 m时，出现漏失，漏速为16 m³/h。向钻具内投入激发球，开泵注入堵漏钻井液，循环3 h后，漏失量显著降低。堵漏结束后，向钻具内投入2个直径相同的复位球，可多次开关随钻堵漏阀正常关闭，继续钻进。随后由于钻井队施工作业的需要，可多次开关随钻堵漏阀起出，检查正常。应用中井底温度高达158.0 ℃，钻井液密度1.3 g/cm³，累计入井时间300 h，工作时间200 h，钻进井段为3 823~4 238 m，进尺415 m，工具一切正常。

4 结论

(1) 可多次开关随钻堵漏阀通过地面投球方式控制开关，操作简单，安全可靠，单次入井最多可进行6次堵漏施工作业。

(2) 现场应用结果表明：可多次开关随钻堵漏阀在耐温性及寿命方面有独特的优势，满足现场复杂条件的需求。

(3) 可多次开关随钻堵漏阀的应用成功，弥补了国内在随钻堵漏工具研发技术方面的不足，打破了长期以来国外公司对随钻堵漏工具技术的垄断。该工具能有效减少起下钻次数，缩短钻井周期，降低钻井成本，具有广阔的应用前景。