0 引言

堵漏和洗井在油气开发过程中占据了较多的非生产时间，尤其在复杂恶性漏失地层^[1]和特殊岩屑沉积井段^[2]工况下，常规作业方式需要频繁起下钻，不断更换专用工具或钻井液，增加了时间成本。多次激发旁通阀作为一种能够根据钻完井实际需要通过反复开关旁通来改变局部循环条件的随钻井下工具，主要用于大排量快速随钻堵漏和洗井^[3]，也可用于注酸、解卡、连续管或海底井口装置的清洁作业等工艺，能够提高作业效率，同时对下方的一些固相冲蚀敏感和过流量敏感工具(LWD、MWD、旋转导向工具及井下动力马达等)起到保护作用^[4]。

多次激发旁通阀又称多次激发循环短节，国外同类产品的研究和应用十分成熟，多家企业拥有系列产品和商业应用记录，并且不断在激发方式、换位机构、开关次数及工作模式等方面改进升级。目前国外相关研究趋势倾向于智能随钻循环工具(ICWD)^[5]，该工具使用RFID射频识别技术，可多次开关(最多28次)，有4种工作模式(仅中心流通、仅旁通流通、比例分流及全关闭)，并且模式之间的转换无固定次序限制，工具可多段位安装和指定激发。

池胜高等^[3]分析了国外具有代表性的几种产品，就激发方式、开关次数及结构特点进行了调研，指出了随钻多次激发旁通阀的技术趋势及国内开发的必要性和迫切性；颜磊等^[6]完成了一种大小球憋压激发的井下旁通阀结构设计，并进行了强度校核；王志伟等^[7]分析了斯伦贝谢旗下公司M-I SWACO产品的应用情况；周哲文和王虎军等^[8-9]跟踪研究了PBL多次激活旁通系统的应用情况，指出其对国内旁通阀产品的现场工业化应用具有积极借鉴作用；郭新超和董赵朋等^[10-11]研制了多次开关堵漏工具，并成功进行了现场试验和应用；于明武等^[12]先后就国内外相关技术进行了调研分析，并研制了纯液压式激发连续管用多次循环开关阀。对比分析国内外产品研究和应用现状，笔者认为国内相关企业还需要在以下两方面共同努力：①研发更多结构类型的旁通阀以满足不同客户群的需求；②优化现场工况参数的匹配性，提高产品可靠性。

目前，随着天然气开发力度的持续加大，保供增产成为当务之急，气井堵漏和水平井洗井作业量将更加频繁。基于国内外技术现状和趋势，笔者研制了投球式多次激发旁通阀，对投球式多次激发旁通阀关键结构进行了研究，以期为该产品的优化设计及现场应用提供参考。

1 设计思路 1.1 功能选择 1.1.1 激发方式选择

激发方式有投物类和液压式，其中投物类有球、滑塞和RFID标签等方式，钢球可使用轴承标准件，利用自重较快地到达目的位置。从现场应用情况看，投球式激发应用具有广泛性、简易性、可靠性及低成本的优点。另外，目前应用的投球式产品以PBL的“一大两小”异径多球配合作业为典型代表产品，可构思一种同径开关球方案来简化实际操作。

1.1.2 过球方式选择

目前投球的过球方式有卡爪式过球或者配合剪切销钉达到激发压力剪切过球。相对剪切过球方式，卡爪式过球方式零部件无损坏，可重复利用，并且不受温度影响。

1.1.3 工作模式选择

虽然多次激发旁通阀最多可有4种工作模式，但现场实际使用频度最高的是正常钻进(仅中心流通模式)和仅旁通流通模式，因此合理地选择需要的工作模式可简化结构和操作。

1.1.4 开关次数选择

液压式具有无限次特点，但要求泵排量用功率具有匹配性，并且存在开关延迟；而RFID方式成本高，机构复杂。目前RFID虽然在国内其他行业使用频繁，但在井下油气环境的应用中还存在技术瓶颈。实际作业一口井大排量堵漏和洗井作业次数有限，并且起下钻还要受其他工具(例如钻头和密封件)寿命限制，开关次数同样应该按照实际需要来设计。

1.2 结构设计

基于实用、简单、可靠、成本和技术水平多因素考虑，设计了如图 1所示的投球式多次激发旁通阀，结构分为两类：承载部件和功能部件。其中承载部件主要作为与其他作业管串的连接体，承受拉力、压力和扭矩；功能部件相互配合，实现旁通打开、关闭、复位及容球功能。

换位销钉与上壳体螺纹连接后插入换位槽中。图 2展示了换位槽径向周期分布于换位活塞表面，换位销钉相对换位槽活动，有止位、开位和关位3种状态，分别对应卡爪过球瞬态、旁通打开稳态和旁通关闭稳态。

1.3 工作原理 1.3.1 打开旁通

投入钢球，钢球抵达上滑套卡爪部位的憋压点A(见图 1)，憋压推动换位活塞，换位销钉由关位开始运动，压缩上弹簧，至卡爪到扩径处张开；同时换位销钉相对运动到止位，钢球通过中心孔抵达憋压点B，同时上弹簧提供回复力推动换位活塞，换位销钉到开位。此时，换位活塞的旁通孔与上壳体旁通孔对齐，实现旁通打开，即仅旁通流通工作模式。

1.3.2 关闭旁通

再次投入钢球，同样抵达憋压点A后，憋压通过，钢球通过中心抵达憋压点B，同时换位活塞由于弹簧回复力作用，换位销钉在换位槽抵达关位，实现旁通关闭。

1.3.3 状态复位

打开球和关闭球时均位于憋压点B，而旁通关闭后开始憋压，下滑套推动下活塞挤压下弹簧至扩径处，钢球通过卡爪，落入球篮容腔，工具恢复初始状态，即仅中心流通模式。

2 技术参数与特点

目前仅设计了ϕ120 mm(4¾ in)和ϕ172 mm(6¾ in)两种规格产品，研制了ϕ172 mm规格样机，基本技术参数如表 1所示。

产品主要技术特点：

(1) 投球尺寸外径相同，奇数球打开旁通，偶数球关闭旁通。上、下滑套通径尺寸相同，钢球规格相同，实际操作简单。可根据实际需要定制投球数量，增加球篮容量。

(2) 旁通打开和关闭动作可保持。由于使用特殊结构换位槽，相对于目前多数产品流量不足后自动恢复关位或者流量过大自动打开旁通的特点不同，本工具在流量动态改变情况下开位和关位均可保持，且根据实际需要长时间保持某一种状态。

3 关键技术

在承载部件完成强度校核的基础上，对功能部件的关键结构进行了相关研究。

3.1 投球憋压激发旁通行为研究

图 3为投球憋压分析模型。如图 3a所示的三维模型，为了确定旁通的激发压力，笔者使用了理论力学分析和有限元仿真两种方法。

如图 3b所示，以上滑套作为研究对象，对其进行受力分析。在憋压推动过程中假设压力为p，需要克服的阻力F主要有3个：①滑套卡爪与限位内壁摩擦力F₁；②密封圈摩擦力F₂；③弹簧阻力P_n。当到达销钉止位时，弹簧压缩量达到最大，钢球即将通过瞬间，p值达到开启压力。平衡方程如下：

(1)

式中：N₁为上限位筒内壁对滑套的正压力，N；N₂为钢球对滑套的正压力，N；F₁=f₁N₁；f₁为钢对钢摩擦因子。

以钢球和滑套为整体研究对象，有平衡方程：

(2)

式中：p为流体对钢球的压力，MPa；A为流体对钢球的有效作用面积，mm²。

单个密封圈摩擦阻力^[13]：

(3)

式中：F_e为O形圈预压缩引起的初始摩擦力，N；F_p为O形圈在密封液压力作用下引起的摩擦力增量，N；f₂为橡胶对钢的摩擦因子，取0.5；p_i为密封液体压力，MPa；e为压缩比；D为密封圈原始直径，mm；d为密封圈截面直径，mm；μ为密封圈泊松比，取0.49；E为密封圈弹性模量，取9.14 MPa^[14]。

所有密封圈阻力为：

(4)

联合式(1)、式(2)和式(4)可以得到激发压力：

(5)

有限元分析^[15]：研究对象选择上滑套、钢球及上限位筒，由于卡爪部位刚好是8等分，所以选择周期对称模型多步加载。多步载荷有限元分析过程如图 4所示。建立局部柱形坐标系和几何模型，设置周期模型条件(见图 4a)；上滑套外表面与上限位筒内表面接触，钢球与上滑套卡爪部位表面接触，卡爪轴端面与限位筒轴向限位面接触，接触类型均为系数是0.1的Frictional。关注部位和表面网格加密，非关注位置稍粗(见图 4b)。如图 4c所示，限位筒表面施加固定约束A，卡爪端面施加多步载荷轴向阻力约束B，滑套尾部施加圆柱约束C(约束径向和周向，轴向可移动)，钢球设置多步位移约束D，多步载荷的设置根据实际运动过程划分，在关注部位——扩径结构处运动状态时刻增加相对多的子步。求解计算，提取钢球的支反力(见图 4d)。

将得到的支反力代入式(5)中，即可得上滑套激发压力。

3.2 下滑套过早激发计算

在旁通打开进行堵漏或洗井作业时，作用于下滑套钢球的流体压力如果超过钢球落在下滑套卡爪部位的激发压力，钢球就会通过下滑套，旁通阀的工作模式由仅中心流通模式和仅旁通流通模式变成中心流道和旁通同时打开的情况，是不可预期、不易判断工作模式，因此需要进行验算。使用CFD软件FLUENT进行相关计算，步骤如下：①抽取流体计算域，修理和命名边界，出口、入口及下滑套等效受力监测面见图 5a；②划分网格并转化为多面体网格；③求解器选择压力基、绝对速度方程稳态求解器，忽略重力的影响，选择k-ε两方程标准湍流模型，标准壁面处理方式；④设置流体域材料为液相水；⑤设置入口条件为质量流量，方向垂直于表面；出口设置为自由出口，其余默认设置为壁面；⑥求解计算。

选择通过轴心的中剖面以及入口、出口和监测面为对象显示速度场云图(见图 5b)，由速度场结果判断计算合理性，旁通处速度达到最大值，继而提取监测面的方向力，对比下滑套激发压力设计值，结果显示不会发生提前触发情况。

3.3 复合密封结构优化设计

常规O形橡胶圈摩擦阻力与润滑介质、接触材料、装配间隙、表面粗糙度、流体压力、运动状态(完全静止、完全黏滑、部分滑动、完全滑动、滑动速度)及工作温度等多因素相关^[16]，与公式(3)计算值误差过大，尤其是考虑井深增加压力变化引起的F_p变化，造成两种困难局面：①橡胶由静密封到动密封临界值变化导致激发压力值变化范围过大；②实际制造中装配困难，硬装容易造成其他零件表面损坏。为了提高密封结构的可靠性，采用了复合密封结构形式(见图 6)，其特点如下：①轴端和轴肩处密封圈采用U形弹簧蓄能密封圈，该密封圈由聚四氟乙烯夹套和不锈钢U形弹簧内圈组成^[17]，具有无黏滑现象和明显降低摩擦阻力的特点，但由于其弹性变形能力不如橡胶，装配和拆卸相对困难，所以设计了装配坡角；②中间密封圈由于无法安装弹簧蓄能密封圈，仍采用O形橡胶密封圈。

4 原理试验研究

为了验证产品原理的可行性，在完成密封试验后利用井下工具试验台^[18]进行了原理试验。试验装置主要包括台架主体、两台并联离心泵、控制台、管汇、接头、水箱以及防护附件。

试验步骤：①检查设备，布置安防；②投入钢球，连接工具与管汇；③启动离心泵加压，逐步增大流量，记录旁通孔打开瞬间压力，持续2~5 min后关闭泵；④再次投入钢球，启动离心泵加压，逐步增大流量，记录旁通孔关闭瞬间压力，持续2~5 min后关闭泵。当工具实现仅旁通流通和仅中心流通两种工作模式时表明试验成功，原理可行。

如图 7所示，对ϕ172 mm规格样机进行试验。试验数据如表 2所示。

试验结果如下：①试验顺利完成了旁通打开和关闭动作，工具结构合理，原理可行；②上滑套激发压力为2 MPa左右，过球后压力几乎为0，压降明显；③下滑套过球动作在旁通关闭瞬间完成，没有明显的变化；④仅旁通流通模式下，钢球在卡爪处有极少量流体泄漏并通过中心流道，不影响实际作业。

5 结论及建议

(1) 设计的旁通阀结构激发方式使用广泛，其可靠性在类似工具实践中已被验证；设计了高频度工作模式的旁通阀结构，开关次数可根据客户需求定制。建议后期进行多种工况下的现场验证和优化。

(2) 为防止下滑套过早触发行为，设计时考虑使用了流体仿真分析方法，实际作业中在工具下井前应做流量测试。钻台面流量测试结果可作为流体仿真的经验数据，可再次对结构进行优化。

(3) 试验结果表明，投球式多次激发旁通阀结构原理可行，激发压力稳定在2 MPa左右，压降明显，可作为作业过程中判断井下旁通打开或关闭的重要信号。