T型三通換向工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

王利軍，王世強(qiáng)，李清濤，王 曉

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452)①

T型三通換向工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

王利軍，王世強(qiáng)，李清濤，王 曉

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452)①

連續(xù)循環(huán)技術(shù)是近幾年出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，適用于鉆井、完井沖砂解堵及修井連續(xù)套銑打撈等作業(yè)，能夠在接鉆柱的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)鉆井液連續(xù)循環(huán)，降低因反復(fù)開(kāi)停泵造成井下壓力波動(dòng)以及循環(huán)作業(yè)中砂粒下沉砂卡管柱等事故發(fā)生的概率。介紹了一種可應(yīng)用于連續(xù)循環(huán)作業(yè)中的新型T型三通換向工具，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理及密封性能等方面進(jìn)行了分析。該工具可以實(shí)現(xiàn)在整個(gè)鉆完井作業(yè)過(guò)程中鉆井液的不間斷循環(huán)，維持接、卸鉆桿過(guò)程中井底壓力的恒定，減少井下事故，應(yīng)用前景廣闊。

連續(xù)循環(huán)；T型三通；結(jié)構(gòu)；密封

隨著石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，復(fù)雜井、超深井、大位移井等特殊工藝井的作業(yè)越來(lái)越多，作業(yè)難度不斷增加。在常規(guī)鉆井作業(yè)中，起下鉆接、卸鉆桿時(shí)，需要停止泥漿循環(huán)，作業(yè)過(guò)程中會(huì)形成環(huán)空動(dòng)態(tài)壓差，井底壓力波動(dòng)，容易產(chǎn)生井眼不穩(wěn)定、井壁坍塌、卡鉆及泥漿循環(huán)漏失等鉆井問(wèn)題或事故[1]。另外，在完井刮管沖砂解堵或修井連續(xù)套銑打撈等作業(yè)中，接、卸鉆桿過(guò)程中也需要停止泥漿循環(huán)，停泵后井筒攜砂液中的砂?；芈洌龃罅松翱ü苤膸茁?，尤其在套銑井段較長(zhǎng)的井時(shí)，稍有不慎，就有砂粒下沉卡死作業(yè)管柱的風(fēng)險(xiǎn)。

1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

連續(xù)循環(huán)技術(shù)是近幾年出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)可保證接、卸鉆柱期間鉆井液不間斷循環(huán)，維持地層壓力穩(wěn)定，有效降低井下事故發(fā)生的概率。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式主要有2種：①連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)(CCS)。該系統(tǒng)綜合了頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、鉆桿排放系統(tǒng)、鐵鉆工系統(tǒng)、防噴密封技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等技術(shù)，運(yùn)行中利用計(jì)算機(jī)控制帶有三重閘板的鉆具連接器和旁路管匯的合理開(kāi)合，保證泥漿的不間斷循環(huán)。②連續(xù)循環(huán)短節(jié)。連續(xù)循環(huán)短節(jié)兩端與鉆柱相連，短節(jié)內(nèi)裝有三通閥芯并在側(cè)面開(kāi)有側(cè)口，當(dāng)閥芯上下主通道打開(kāi)時(shí)，側(cè)通道關(guān)閉，保證正常作業(yè)循環(huán)要求；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯，側(cè)向通道打開(kāi)時(shí)，上下主通道關(guān)閉，此時(shí)可在側(cè)向通道接泥漿泵，繼續(xù)循環(huán)作業(yè)。連續(xù)循環(huán)短節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)便，通過(guò)2個(gè)通道的不斷切換，可實(shí)現(xiàn)在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中鉆井液的不間斷循環(huán)[2-4]。

2 T型三通換向工具

2.1 工作原理

T型三通換向工具連接在2根鉆柱之間。正常作業(yè)時(shí)，鉆井液通過(guò)工具主通道進(jìn)入下部鉆桿，形成一個(gè)內(nèi)部循環(huán)通路；在起下鉆接、卸鉆柱時(shí)，將旁通管插入換向工具側(cè)向通孔，通過(guò)操作工具內(nèi)部轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)換向工具三通球閥，關(guān)閉換向工具上下主通道，打開(kāi)側(cè)向循環(huán)通道，鉆井液通過(guò)旁通管流經(jīng)側(cè)向通道進(jìn)入下部鉆桿，保證鉆井液不間斷循環(huán)；當(dāng)鉆柱連接完成后，操作工具內(nèi)部轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)換向工具三通球閥，打開(kāi)換向工具上下主通道，關(guān)閉側(cè)向循環(huán)通道，將旁通管拔出、移開(kāi)，進(jìn)行起、下鉆作業(yè)。

2.2 結(jié)構(gòu)

T型三通換向工具主要由閥本體、旋鈕、固定旋鈕、上下密封球座、左右側(cè)面密封球座及相應(yīng)的波形彈簧、密封圈、螺紋固定件等組成[5]。三通球?yàn)楣潭ㄊ剑舷聻橹魍ǖ?，三通球一?cè)開(kāi)有帶密封的旁通孔，上下球座通過(guò)波形彈簧保證與三通球的預(yù)緊力。為確保高壓流體不會(huì)進(jìn)入球與本體的環(huán)空，保證帶壓安裝旁通管線的安全性，通過(guò)波形彈簧在三通球側(cè)面及接口密封施加預(yù)緊力，保證側(cè)面密封。如圖1所示。

a 結(jié)構(gòu)

b 密封總成

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

1) T型三通換向工具通過(guò)旋轉(zhuǎn)內(nèi)部轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)主通道與側(cè)向通道的轉(zhuǎn)換，保證鉆井液的連續(xù)循環(huán)。

2) 現(xiàn)有的循環(huán)短節(jié)側(cè)向密封大多密封不嚴(yán)，循環(huán)作業(yè)時(shí)高壓流體會(huì)進(jìn)入球與本體的環(huán)空，可能對(duì)拆卸旁通管線作業(yè)造成一定的風(fēng)險(xiǎn)[6]。T型三通換向工具與現(xiàn)有循環(huán)短節(jié)相比較，在三通球側(cè)面及接口密封均施加預(yù)緊力，一個(gè)在旁通口接通時(shí)起密封作用，另一個(gè)在主通道接通時(shí)起密封作用，使三通球閥側(cè)面處于密封狀態(tài)，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

3 密封性能校核

三通球閥及密封套選用40CrMnMo材料，強(qiáng)度極限980 MPa，屈服極限785 MPa，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3[7]。密封性能主要與三通球的研磨光度、密封壓力及三通球與密封配件的接觸壓力等因素相關(guān)。參照現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求，對(duì)T型三通換向工具施加35 MPa的工作壓力，將三通本體結(jié)構(gòu)2個(gè)端面進(jìn)行完全約束，限制三通本體的移動(dòng)，采用靜態(tài)求解器，通過(guò)拉普拉斯迭代求解算法，對(duì)三通本體進(jìn)行整體強(qiáng)度計(jì)算。采用多分析步求解計(jì)算，第1步對(duì)三通本體施加35 MPa的內(nèi)壓載荷；第2步對(duì)模型彈簧提供的壓力進(jìn)行逼近求解，采用載荷增量為1 N的方式，進(jìn)行求解計(jì)算。

對(duì)模型施加內(nèi)壓35 MPa，通過(guò)靜態(tài)有限元計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2～3所示。

圖2 三通閥主通道關(guān)閉，側(cè)向通道打開(kāi)時(shí)壓力載荷云圖

圖3 三通閥主通道打開(kāi)，側(cè)向通道關(guān)閉時(shí)壓力載荷云圖

由圖2～3可見(jiàn)，當(dāng)三通本體閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，最大接觸壓力為103 MPa；當(dāng)三通本體閥門(mén)打開(kāi)時(shí)，最大接觸壓力為113.3 MPa，均符合密封要求。

4 應(yīng)用前景

連續(xù)循環(huán)技術(shù)優(yōu)化了鉆井液的循環(huán)方式，降低了作業(yè)過(guò)程中因接、卸鉆柱停泵而造成的一系列井下事故發(fā)生的概率，提高了作業(yè)的安全性。但鑒于目前連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)(CCS)體積龐大，作業(yè)成本高，操作復(fù)雜，連續(xù)循環(huán)短節(jié)的研究十分迫切。T型三通換向工具可廣泛應(yīng)用于鉆井、完井及修井作業(yè)中，能夠保證鉆井液不間斷循環(huán)，且操作簡(jiǎn)便，作業(yè)成本低，作業(yè)效率高。因此，隨著石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，T型三通換向工具應(yīng)用前景良好，對(duì)該工具的自主化研發(fā)十分必要。

5 結(jié)論

1) 不間斷循環(huán)鉆井技術(shù)可保證在作業(yè)過(guò)程中井下鉆井液的不間斷循環(huán)，從而維持在接、卸鉆桿操作過(guò)程中井底壓力的恒定，減少井下事故的發(fā)生。

2) T型三通換向工具通過(guò)旋轉(zhuǎn)內(nèi)部轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)主通道與側(cè)向通道的切換，實(shí)現(xiàn)鉆井液不間斷循環(huán)。該工具主要應(yīng)用于鉆井作業(yè)，也可用于完井及修井作業(yè)，例如連續(xù)沖砂及連續(xù)套銑打撈等作業(yè)。

3) T型三通換向工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、制造成本低，可有效提高作業(yè)效率，降低鉆完井作業(yè)中事故發(fā)生的概率。

[1] 周爽.連續(xù)循環(huán)鉆井[J].國(guó)外油田工程，2003，19(10)：25-26.

[2] Tare U，Whitfill D，Mody F.Drilling Fluid Losses and Gains Case Histories and Practical Solutions[R].SPE 71368，2001：156-164.

[3] Jenner J W，Elkins H，Springett F.The Continuous Circulation System An Advance in Constant[J].Spe Drilling & Completion，2005，20(3)：168-178.

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[5] 陸培文.閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[6] 任靈超，何東升.不間斷循環(huán)閥的設(shè)計(jì)[J].石油機(jī)械，2009，37(9)：129-132.

[7] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

Structure Design and Analysis of T-type Three-way Cycle Tool

WANG Lijun，WANG Shiqiang，LI Qingtao，WANG Xiao

(Ener Tech-Drilling & Production Company，CNOOC，Tianjin 300452，China)

Continuous cycle is an emerging technology emerged in recent years.The technology is suitable for drilling sand washing or washover and fishing operation.it can realize the continuous circulation of drilling fluid in the process of connecting and unloading drill pipe.Reduce the probability of accidents caused by bottomhole pressure fluctuations or sand settlement.A new T-tee tool is focused on in this article，which can be applied on the continuous cycle operation.Mainly，the structural，working principle，sealing performance are analyzed and so on.The T-tee tool enables drilling fluid continuous cycle in the drilling and completion operations.Maintain the bottom hole pressure stability during connecting and unloading drill pipe，reduce downhole accidents，has broad application prospects.

continuous cycle；T-tee；structure；sealing

1001-3482(2016)12-0025-03

2016-06-16

中國(guó)海洋石油總公司能源發(fā)展股份有限公司科研項(xiàng)目 “刮管沖砂一體化工藝技術(shù)研究”(HFXMLZ-GJ2015006)

王利軍(1984-)，男，工程師，主要從事海洋石油鉆完井工具研發(fā)工作，E-mail：wanglj9@cnooc.com.cn。

TE921.2

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.007