CN108166940B - 一种具有大排量分流作用的螺杆钻具旁通阀及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有大排量分流作用的螺杆钻具旁通阀及其使用方法，该螺杆钻具旁通阀包括阀体，在阀体的内部设置有一级阀芯和二级阀芯，在一级阀芯和二级阀芯之间设置有一级弹簧，在二级阀芯和阀座之间设置有二级弹簧，二级弹簧的刚度大于一级弹簧；在一级阀芯上设置有内旁通孔，在阀体上设置有外旁通孔，当钻井液流体通道内流动压力消失时，内旁通孔和外旁通孔导通；在二级阀芯上设置有内分流孔，在阀体上设置有外分流孔，当钻井液流体通道内流动压力增大至界限值时，内分流孔和外分流孔导通。本发明允许螺杆钻具采用较大排量循环和钻进，有助于提高大尺寸井段、大斜度井段及水平段携岩效率，降低钻井风险并提高钻井速度。

Description

一种具有大排量分流作用的螺杆钻具旁通阀及其使用方法

技术领域

本发明涉及石油钻井工程领域，尤其涉及螺杆钻具设计及应用，具体地说是涉及一种具有大排量分流作用的螺杆钻具旁通阀及其使用方法。

背景技术

螺杆钻具是钻井工程领域最常用的一种井下动力钻具，主要组成部分包括旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成。其中，旁通阀总成的基本结构及工作原理如图1所示。钻井泵正常工作时，钻井液压力迫使阀芯向下运动，造成弹簧压缩并关闭阀体上的通道(内装筛板过滤异物)，此时螺杆钻具可循环钻井液或正常钻进。钻井泵停止工作时，钻井液压力消失，被压缩的弹簧上举阀芯，旁通阀开启，使钻柱内空间与环空沟通，避免起下钻和接单根时钻柱内钻井液溢出污染钻台，影响正常工作。

螺杆钻具对钻井液排量有严格要求，若钻井液排量较低则螺杆钻具的输出转速和扭矩较低，难以满足钻井要求；若排量较高则输出转速和扭矩较高，容易导致螺杆钻具提前损坏，也难以满足钻井要求。在钻进大尺寸井段、大斜度井段及水平段时往往要求采用较大钻井液排量来提高携岩效率，普通螺杆钻具的额定排量难以满足大排量要求，该情况下就需要采用结构较复杂、成本较高的中空转子螺杆钻具。

发明内容

针对上述技术问题，本发明设计出了一种具有大排量分流作用的新型螺杆钻具旁通阀，除了具备普通旁通阀的基本功能(开泵时旁通阀关闭，停泵接单根或起钻时旁通阀打开)之外，该新型旁通阀可以采用较大排量循环和钻进，能够代替结构较复杂、成本较高的中空转子，降低螺杆钻具制造成本，并降低钻井风险，提高携岩效率和钻井速度。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种具有大排量分流作用的螺杆钻具旁通阀，包括阀体，在阀体的内部设置有一级阀芯和二级阀芯，一级阀芯设置在二级阀芯的上部，在二级阀芯的底部设置有阀座，在阀座的底部设置有挡圈，在一级阀芯和二级阀芯之间设置有一级弹簧，在二级阀芯和阀座之间设置有二级弹簧，二级弹簧的刚度大于一级弹簧；在一级阀芯和二级阀芯的中心形成有贯通的钻井液流体通道，在一级阀芯的侧壁上设置有内旁通孔，在阀体的侧壁上设置有外旁通孔，当钻井液流体通道内流动压力消失时，内旁通孔和外旁通孔导通；在二级阀芯的侧壁上设置有内分流孔，在阀体的侧壁上设置有外分流孔，当钻井液流体通道内流动压力增大至界限值时，内分流孔和外分流孔导通。

优选的，所述内旁通孔和外旁通孔各设置3个，分别沿一级阀芯和阀体的周圈间隔分布；所述内分流孔和外分流孔各设置2个，分别沿二级阀芯和阀体的周圈对称分布。

优选的，所述阀体的底部连接有钻头，在钻头上配置有钻头喷嘴；在外分流孔处安装有分流喷嘴。

优选的，在外旁通孔处安装有筛板。

上述螺杆钻具旁通阀的工作过程如下：

a.开泵时：若钻井液排量不超过螺杆钻具的额定排量，流动压力相对较小，则一级弹簧被压缩，一级阀芯向下滑动并坐在二级阀芯上，外旁通孔和外分流孔均处于关闭，全部钻井液向下流动并驱动螺杆钻具的马达总成正常工作；若钻井液排量超过螺杆钻具的额定排量，流动压力相对较大，则一级弹簧和二级弹簧均被压缩，一级阀芯和二级阀芯均向下滑动，外旁通孔处于关闭状态，外分流孔处于开启状态，大部分钻井液向下流动并驱动螺杆钻具的马达总成正常工作，少部分钻井液经内分流孔、外分流孔直接进入环空，确保流经螺杆钻具马达总成的钻井液不超过额定排量要求；

b.停泵时：一级弹簧和二级弹簧上的流动压力消失，一级阀芯和二级阀芯均向上运动至初始位置，内旁通孔与外旁通孔处于同一水平高度，外旁通孔处于打开状态，实现普通旁通阀所具备功能。

上述螺杆钻具旁通阀的使用方法，包括以下步骤：

(1)设计钻头喷嘴、分流喷嘴尺寸

设钻井泵的额定输出排量为Q_r、额定输出压力为p_r，实际输出排量为Q_s、输出压力为p_s；螺杆钻具马达总成的额定流量为Q_mr、额定压降为Δp_mr、传动轴类型所限定的最大钻头喷嘴压降为Δp_s；

A螺杆钻具空转工况

当螺杆钻具空载运转时，设钻井泵的实际输出压力为p_so；流经马达总成和钻头喷嘴的钻井液流量为Q_mo、马达总成压降为Δp_mo、钻头喷嘴压降为Δp_bo；流经分流喷嘴的钻井液流量为Q_vo、喷嘴压降为Δp_vo；循环压耗为Δp_l；

在空转工况下，螺杆钻具马达压降为启动压降，流经马达总成和钻头喷嘴的钻井液流量、钻头喷嘴压降均达到最大值，流经分流喷嘴的钻井液流量及其压降均为最小值，流经各个部分的钻井液流量及压降满足以下关系：

Q_mo≤Q_mr＜Q_s≤Q_r (1)

Q_s＝Q_mo+Q_vo (2)

Δp_bo≤Δp_s (3)

p_so＝Δp_l+Δp_mo+Δp_bo＝Δp_l+Δp_vo＜p_r (4)

选择钻井泵输出排量Q_s、输出压力p_so、螺杆钻具空转时流经马达总成的钻井液流量Q_mo；依次计算出循环压耗Δp_l、钻头喷嘴压降Δp_bo、流经分流喷嘴的钻井液流量Q_vo、分流喷嘴压降Δp_vo；最后计算钻头喷嘴当量面积A_bo、分流喷嘴当量面积A_vo；

Q_vo＝Q_s-Q_mo (5)

Δp_bo＝p_so-Δp_l-Δp_mo (7)

Δp_vo＝Δp_mo+Δp_bo＝p_so-Δp_l (8)

式中，ρ_d-钻井液密度，g/cm³；A_bo、A_vo-按螺杆钻具空转工况计算出来的钻头喷嘴当量面积、分流喷嘴当量面积，cm²；C_b、C_v-钻头喷嘴、分流喷嘴的流量系数，通常取0.95；kl-循环压耗系数，MPa/(L/s)^1.8；其他符号意义同前，压力的单位均为MPa，流量的单位均为L/s；

B螺杆钻具满载钻进工况

当螺杆钻具满载钻进时，设钻井泵的实际输出压力为p_sl；流经螺杆钻具马达总成和钻头喷嘴的钻井液流量为Q_ml、马达总成压降为Δp_ml、钻头喷嘴压降为Δp_bl；流经分流喷嘴的钻井液流量为Q_vl、分流喷嘴压降为Δp_vl；

该工况下螺杆钻具马达总成的工作压降明显大于启动压降，流经马达总成和钻头喷嘴的钻井液流量、钻头压降均有所减小，流经分流喷嘴的钻井液流量及其压降均有所增大，流经各个部分的钻井液流量及压降满足以下关系：

Q_ml＜Q_mo≤Q_mr＜Q_s≤Q_r (13)

Q_sl＝Q_ml+Q_vl (14)

Δp_bl≤Δp_sl (15)

p_sl＝Δp_l+Δp_ml+Δp_bl＝Δp_l+Δp_vl≤p_r (16)

保持钻井泵输出排量Q_s不变，选择钻井泵输出压力p_sl、流经马达总成的钻井液流量Q_ml；依次计算出钻头喷嘴压降Δp_bl、流经分流喷嘴的钻井液流量Q_vl、钻井泵输出压力p_sl、分流喷嘴压降Δp_vl；最后计算钻头喷嘴当量面积A_bl、分流喷嘴当量面积A_vl；

Q_vl＝Q_s-Q_ml (17)

Δp_bl＝p_sl-Δp_l-Δp_ml (18)

Δp_vl＝Δp_ml+Δp_bl＝p_sl一Δp_l (19)

式中，A_bl、A_vl-按正常钻进工况求出的钻头喷嘴当量面积、分流喷嘴当量面积，cm²；其他符号意义同前，压力单位均为MPa，流量单位均为L/s；

综合考虑螺杆钻具空转和正常钻进两种工况给出的计算结果，按以下原则选择钻头喷嘴当量面积A_b、分流喷嘴当量面积A_v；

A_b＝min(A_bo，A_bl) (24)

A_v＝max(A_vo，A_vl) (25)

(2)计算实际工作参数

给定钻头喷嘴当量面积A_b、分流喷嘴当量面积A_v之后，马达总成的实际工作压降Δp_m与流经马达总成的实际钻井液流量Q_m对应关系如下：

为了便于求解方程，令Q_v＝χQ_s，χ称为分流系数，则Q_m＝(1-χ)Q_s，对式(26)进行变换后得到以下方程式：

继续对上式进行变换，最终得到以下一元二次方程式：

对于上述新型螺杆钻具旁通阀来说，钻井液主要流经马达总成和钻头喷嘴，仅有少部分钻井液流经分流喷嘴，钻头喷嘴当量直径通常大于分流喷嘴当量直径，也即上述方程一元二次方程式仅有1个根为正值；

在正常钻进条件下，指定马达总成的工作压降Δp_m，利用式(29)求出分流系数χ，进而求出流经螺杆钻具马达总成和钻头喷嘴的钻井液流量Q_m、流经分流喷嘴的钻井液流量Q_v、钻头喷嘴压降Δp_b、分流喷嘴压降Δp_v，最后求出与指定马达总成的工作压降Δp_m对应的钻井泵实际输出压力p_s；

(3)预先计算出不同马达压降对应的分流效果及钻井泵实际输出压力并绘制曲线图版，通过观察钻井泵输出压力变化来判断螺杆钻具所受负载大小，从而合理控制井底钻压。

本发明的有益技术效果是：

本发明除了具备普通旁通阀的基本功能之外，还可以采用较大排量循环和钻进，能够替代中空转子设计方案，降低螺杆钻具制造成本，有助于提高大尺寸井段、大斜度井段及水平段携岩效率，降低钻井风险并提高钻井速度。

本发明基于自行设计的大排量分流作用的螺杆钻具旁通阀，提出了具体的使用方法，通过该方法可以预先计算出不同马达压降对应的分流效果及钻井泵实际输出压力并绘制曲线图版，象普通螺杆钻具那样通过观察钻井泵输出压力变化来判断螺杆钻具所受负载大小，从而合理控制井底钻压，便于指导钻井现场应用。

附图说明

图1为普通螺杆钻具旁通阀结构及工作原理图；

图2为本发明具有大排量分流作用的螺杆钻具旁通阀的结构示意图；

图3为正常排量时钻井液循环路线图；

图4为大排量时钻井液循环路线图；

图5为设计钻头喷嘴及分流喷嘴尺寸的方法流程图；

图6为计算实际工作参数的流程示意图。

具体实施方式

本发明针对普通螺杆钻具难以采用大排量循环钻进，中空转子螺杆钻具结构复杂、成本较高这个技术问题，给出了一种具有分流作用的新型螺杆钻具旁通阀设计与使用方法，可以采用较大排量循环和钻进，代替现有的中空转子设计方案，有助于提高大尺寸井段、大斜度井段及水平段携岩效率，降低钻井风险并提高钻井速度。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图2所示，一种具有大排量分流作用的螺杆钻具旁通阀，包括阀体1，在阀体1的内部设置有一级阀芯2和二级阀芯9，一级阀芯2设置在二级阀芯9的上部，在二级阀芯9的底部设置有阀座10，在阀座10的底部设置有挡圈11。在一级阀芯2和二级阀芯9之间设置有一级弹簧3，在二级阀芯9和阀座10之间设置有二级弹簧8，二级弹簧8的刚度大于一级弹簧3(一级弹簧3的刚度较小，二级弹簧8的刚度较大)。在一级阀芯2和二级阀芯9的中心形成有贯通的钻井液流体通道，在一级阀芯2的侧壁上设置有内旁通孔4，在阀体1的侧壁上设置有外旁通孔5，当钻井液流体通道内流动压力消失时，内旁通孔4和外旁通孔5导通。在二级阀芯9的侧壁上设置有内分流孔6，在阀体1的侧壁上设置有外分流孔7，当钻井液流体通道内流动压力增大至界限值时，内分流孔6和外分流孔7导通。

上述内旁通孔4设置3个，且沿一级阀芯2的周圈间隔分布；外旁通孔5对应设置3个，且沿阀体1的周圈间隔分布。所述内分流孔6设置2个，且沿二级阀芯9的周圈对称分布；外分流孔7也对应设置2个，且沿阀体1的周圈对称分布。

上述阀体1的底部连接有钻头，在钻头上配置有钻头喷嘴。在外分流孔7处安装有分流喷嘴，以便调节分流比例及效果。

在外旁通孔处安装有筛板，防止环空中的岩屑进入钻柱内孔。

上述一级阀芯2的作用与普通的旁通阀完全相同；二级阀芯9的作用是大排量时进行分流。

本发明新型螺杆钻具旁通阀的工作原理描述如下：

a.开泵时：若钻井液排量不超过螺杆钻具的额定排量，流动压力相对较小，则一级弹簧3被压缩，一级阀芯2向下滑动并坐在二级阀芯9上，外旁通孔5和外分流孔7均处于关闭，此时钻井液循环路线见图3，全部钻井液向下流动并驱动螺杆钻具的马达总成正常工作。若钻井液排量超过螺杆钻具的额定排量，流动压力相对较大，则一级弹簧3和二级弹簧8均被压缩，一级阀芯2和二级阀芯9均向下滑动，外旁通孔5处于关闭状态，外分流孔7处于开启状态，此时钻井液循环路线见图4，大部分钻井液向下流动并驱动螺杆钻具的马达总成正常工作，少部分钻井液经内分流孔6和外分流孔7直接进入环空，确保流经螺杆钻具马达总成的钻井液不超过额定排量要求。

b.停泵时：一级弹簧3和二级弹簧8上的流动压力消失，一级阀芯2和二级阀芯9均向上运动至图2所示初始位置，内旁通孔4与外旁通孔5位置重合，外旁通孔5处于打开状态，实现普通旁通阀的所具备功能。

基于上述新型螺杆钻具旁通阀结构及工作原理可知，为了将钻井泵的输出压力和排量合理分配到螺杆钻具、分流喷嘴、钻头喷嘴及循环系统上，确保新型旁通阀按设定方式工作，合理设计钻头喷嘴及分流喷嘴尺寸是关键所在。

下面对具有大排量分流作用的螺杆钻具旁通阀的使用方法进行详细说明，该方法包括以下步骤：

(1)设计钻头喷嘴、分流喷嘴尺寸

采用具有大批量分流功能的旁通阀时，钻井泵的输出排量可以保持不变，但是钻井泵的输出压力、旁通阀的分流效果均随螺杆钻具所受负载变化。该情况下需要综合考虑螺杆钻具空转和满载钻进两种工况，合理选择钻头喷嘴及分流喷嘴尺寸。

设钻井泵的额定输出排量(钻井液排量)为Q_r、额定输出压力(泵压)为p_r，实际输出排量为Q_s、输出压力为p_s；螺杆钻具马达总成的额定流量为Q_mr.、额定压降为Δp_mr、传动轴类型所限定的最大钻头喷嘴压降为Δp_s(若钻头喷嘴压降高于该限定值，则传动轴轴承会过载，导致传动轴提前损坏)。

A螺杆钻具空转(未加钻压)工况

当螺杆钻具空载(未加钻压)运转时，设钻井泵的实际输出压力为p_so；流经马达总成和钻头喷嘴的钻井液流量为Q_mo、马达总成压降为Δp_mo(启动压降)、钻头喷嘴压降为Δp_bo；流经分流喷嘴的钻井液流量为Q_vo、分流喷嘴压降为Δp_vo；循环压耗为Δp_l(包括地面管汇、钻柱内、环空)。

在空转工况下，螺杆钻具马达压降为启动压降，流经马达总成和钻头喷嘴的钻井液流量、钻头喷嘴压降均达到最大值，流经分流喷嘴的钻井液流量及其压降均为最小值，如图4所示，流经各个部分的钻井液流量及压降满足以下关系：

Q_mo≤Q_mr＜Q_s≤Q_r (1)

Q_s＝Q_mo+Q_vo (2)

Δp_bo≤Δp_s (3)

p_so＝Δp_l+Δp_mo+Δp_bo＝Δp_l+Δp_vo＜p_r (4)

选择钻井泵输出排量Q_s、输出压力p_so、螺杆钻具空转时流经马达总成的钻井液流量Q_mo；依次计算出循环压耗Δp_l、钻头喷嘴压降Δp_bo(要求Δp_bo≤Δp_s)、流经分流喷嘴的钻井液流量Q_vo、分流喷嘴压降Δp_vo；最后计算钻头喷嘴当量面积A_bo、分流喷嘴当量面积A_vo。

Q_vo＝Q_s-Q_mo (5)

Δp_bo＝p_so-Δp_l-Δp_mo (7)

Δp_vo＝Δp_mo+Δp_bo＝p_so-Δp_l (8)

式中，ρ_d-钻井液密度，g/cm³；A_bo、A_vo-按螺杆钻具空转工况计算出来的钻头喷嘴当量面积、分流喷嘴当量面积，cm²；C_b、C_v-钻头喷嘴、分流喷嘴的流量系数，通常取0.95；k_l-循环压耗系数，MPa/(L/s)^1.8；其他符号意义同前，压力的单位均为MPa，流量的单位均为L/s。

B螺杆钻具满载钻进工况

当螺杆钻具满载钻进时，设钻井泵的实际输出压力为p_sl；流经螺杆钻具马达总成和钻头喷嘴的钻井液流量为Q_ml、马达总成压降为Δp_ml(最大工作压降)、钻头喷嘴压降为Δp_bl；流经分流喷嘴的钻井液流量为Q_vl、分流喷嘴压降为Δp_vl。

该工况下螺杆钻具马达总成的工作压降明显大于启动压降，流经马达总成和钻头喷嘴的钻井液流量、钻头压降均有所减小，流经分流喷嘴的钻井液流量及其压降均有所增大，如图4所示，流经各个部分的钻井液流量及压降满足以下关系：

Q_ml＜Q_mo≤Q_mr＜Q_s≤Q_r (13)

Q_sl＝Q_ml+Q_vl (14)

Δp_bl≤Δp_sl (15)

p_sl＝Δp_l+Δp_ml+Δp_bl＝Δp_l+Δp_vl≤p_r (16)

需要按以下流程求解相关参数(见图5)：保持钻井泵输出排量Q_s不变，选择钻井泵输出压力p_sl、流经马达总成的钻井液流量Q_ml；依次计算出钻头喷嘴压降Δp_bl、流经分流喷嘴的钻井液流量Q_vl、钻井泵输出压力p_sl、分流喷嘴压降Δp_vl；最后计算钻头喷嘴当量面积A_bl、分流喷嘴当量面积A_vl。

Q_vl＝Q_s-Q_ml (17)

Δp_bl＝p_sl-Δp_l-Δp_ml (18)

Δp_vl＝Δp_ml+Δp_bl＝p_sl-Δp_l (19)

式中，A_bl、A_vl-按正常钻进工况求出的钻头喷嘴当量面积、分流喷嘴当量面积，cm²；其他符号意义同前，压力单位均为MPa，流量单位均为L/s。

综合考虑螺杆钻具空转和正常钻进两种工况给出的计算结果，按以下原则选择钻头喷嘴当量面积A_b、分流喷嘴当量面积A_v。

A_b＝min(A_bo，A_bl) (24)

A_v＝max(A_vo，A_vl) (25)

(2)计算实际工作参数

采用具有大批量分流功能的旁通阀时，钻井泵的输出排量可以保持不变，但是钻井泵的输出压力、旁通阀的分流效果均随螺杆钻具所受负载变化。螺杆钻具所受负载大小可以通过螺杆钻具的工作压降表现出来。

给定钻头喷嘴当量面积A_b、分流喷嘴当量面积A_v之后，马达总成的实际工作压降Δp_m与流经马达总成的实际钻井液流量Q_m对应关系如下：

为了便于求解方程，令Q_v＝χQ_s，χ称为分流系数，则Q_m＝(1-χ)Q_s，对式(26)进行变换后得到以下方程式：

继续对上式进行变换，最终得到以下一元二次方程式：

对于上述新型螺杆钻具旁通阀来说，钻井液主要流经马达总成和钻头喷嘴，仅有少部分钻井液流经分流喷嘴，钻头喷嘴当量直径通常大于分流喷嘴当量直径，也即上述方程一元二次方程式仅有1个根为正值。

在正常钻进条件下，实际工作参数计算流程见图6，指定马达总成的工作压降Δp_m，利用式(29)求出分流系数χ，进而求出流经螺杆钻具马达总成和钻头喷嘴的钻井液流量Q_m、流经分流喷嘴的钻井液流量Q_v、钻头喷嘴压降Δp_b、分流喷嘴压降Δp_v，最后求出与指定马达总成的工作压降Δp_m对应的钻井泵实际输出压力p_s。

(3)预先计算出不同马达压降对应的分流效果及钻井泵实际输出压力并绘制曲线图版，通过观察钻井泵输出压力变化来判断螺杆钻具所受负载大小，从而合理控制井底钻压，便于指导钻井现场使用。

下面结合具体应用实例对本发明作进一步说明。

(1)给定设计条件

a螺杆钻具型号及相关额定参数：额定输入排量、额定马达压降、传动轴容许的钻头水眼压降、启动压降；

b钻井泵的额定排量、额定压力；

c钻井液参数：密度、塑性粘度；

d钻头喷嘴、分流喷嘴类型及流量系数；

e当前钻具组合：钻杆长度、钻杆类型、钻杆直径，钻铤长度值、钻铤直径；

f地面管线压耗。

已知数据见下表1。

表1

数据项	数据值	单位	数据项	数据值	单位
						螺杆钻具的型号	5LZ172-7		马达压降	3.2	MPa
外形尺寸	171.5	mm	当前井深	3000	m
						钻头水眼压降	＜7.0	MPa	钻杆长度	2850	m
额定的马达排量	30	L/s	钻杆的直径	12.7/10.86	cm
						泵的额定排量	36	L/s	钻杆的类型	内平
钻井液的密度	1.25	g/cm3	钻铤长度	120	m
						钻井液的塑性粘度	0.05	Pa·s	钻铤的直径	15.88/5.72	cm
钻头喷嘴系数	0.96		地面管线压耗	0.4	MPa
						分流喷嘴系数	0.96

(2)钻头及分流阀喷嘴尺寸设计计算

设定钻井泵的额定输出排量Q_r＝36L/s，额定输出压力p_r＝18MPa。循环压耗计算公式见《钻井工程理论与技术》(管志川，陈庭根，2017)。

A.螺杆钻具空转(未加钻压)工况

取钻井泵的输出排量Q_s＝Q_r＝36L/s、输出压力p_so＝16MPa、螺杆钻具空转时启动压降Δp_mo＝0.8MPa、流经马达总成的钻井液流量Q_mo＝Q_mr＝30L/s。

依次计算出循环压耗Δp_l＝10.87MPa、钻头喷嘴压降Δp_bo＝4.33MPa、流经分流喷嘴的钻井液流量Q_vo＝6L/s、分流喷嘴压降Δp_vo＝5.13MPa、钻头喷嘴当量面积A_bo＝3.794cm²、分流喷嘴当量面积A_vo＝0.697cm²。

B.螺杆钻具满载钻进工况

取钻井泵的输出排量Q_s＝Q_r＝36L/s、输出压力p_sl＝18MPa、螺杆钻具工作压降Δp_ml＝3.2MPa、流经马达总成的钻井液流量Q_ml＝28L/s。

依次计算出循环压耗Δp_l＝10.87MPa、钻头喷嘴压降Δp_bl＝3.93MPa、流经分流喷嘴的钻井液流量Q_vl＝8L/s、分流喷嘴压降Δp_vl＝7.13MPa、钻头喷嘴当量面积A_bl＝3.717cm²、分流喷嘴当量面积A_vl＝0.788cm²。

综合考虑螺杆钻具空转和正常钻进两种工况给出的计算结果，最终确定出钻头喷嘴当量面积A_b＝3.794cm²、分流喷嘴当量面积A_v＝0.787cm²。

(3)实际工作参数计算方法

依据上述计算结果，当螺杆钻具工作压降Δp_m＝3.2MPa时，可以依次求出实际分流系数χ＝0.2200、流经马达总成和钻头喷嘴的钻井液流量Q_m＝28.08L/s、流经分流喷嘴的钻井液流量Q_v，＝7.92L/s、钻头喷嘴压降Δp_b＝3.79MPa、分流喷嘴压降Δp_v＝7.00MPa，钻井泵实际输出压力p_s＝17.87MPa。

该应用实例表明，本发明给出的新型螺杆钻具旁通阀提高钻井液循环排量效果明显(该例中提高22％)，钻头喷嘴及旁通阀分流喷嘴选择是实现大排量循环和分流的关键所在。

Claims (6)

1.一种具有大排量分流作用的螺杆钻具旁通阀，其特征在于：包括阀体，在阀体的内部设置有一级阀芯和二级阀芯，一级阀芯设置在二级阀芯的上部，在二级阀芯的底部设置有阀座，在阀座的底部设置有挡圈，在一级阀芯和二级阀芯之间设置有一级弹簧，在二级阀芯和阀座之间设置有二级弹簧，二级弹簧的刚度大于一级弹簧；在一级阀芯和二级阀芯的中心形成有贯通的钻井液流体通道，在一级阀芯的侧壁上设置有内旁通孔，在阀体的侧壁上设置有外旁通孔，当钻井液流体通道内流动压力消失时，内旁通孔和外旁通孔导通；在二级阀芯的侧壁上设置有内分流孔，在阀体的侧壁上设置有外分流孔，当钻井液流体通道内流动压力增大至界限值时，内分流孔和外分流孔导通。

2.根据权利要求1所述的一种具有大排量分流作用的螺杆钻具旁通阀，其特征在于：所述内旁通孔和外旁通孔各设置3个，分别沿一级阀芯和阀体的周圈间隔分布；所述内分流孔和外分流孔各设置2个，分别沿二级阀芯和阀体的周圈对称分布。

3.根据权利要求1所述的一种具有大排量分流作用的螺杆钻具旁通阀，其特征在于：所述阀体的底部连接有钻头，在钻头上配置有钻头喷嘴；在外分流孔处安装有分流喷嘴。

4.根据权利要求1所述的一种具有大排量分流作用的螺杆钻具旁通阀，其特征在于：在外旁通孔处安装有筛板。

5.根据权利要求1所述的一种具有大排量分流作用的螺杆钻具旁通阀，其特征在于，该螺杆钻具旁通阀的工作过程如下：

a.开泵时：若钻井液排量不超过螺杆钻具的额定排量，流动压力相对较小，则一级弹簧被压缩，一级阀芯向下滑动并坐在二级阀芯上，外旁通孔和外分流孔均处于关闭，全部钻井液向下流动并驱动螺杆钻具的马达总成正常工作；若钻井液排量超过螺杆钻具的额定排量，流动压力相对较大，则一级弹簧和二级弹簧均被压缩，一级阀芯和二级阀芯均向下滑动，外旁通孔处于关闭状态，外分流孔处于开启状态，大部分钻井液向下流动并驱动螺杆钻具的马达总成正常工作，少部分钻井液经内分流孔、外分流孔直接进入环空，确保流经螺杆钻具马达总成的钻井液不超过额定排量要求；

b.停泵时：一级弹簧和二级弹簧上的流动压力消失，一级阀芯和二级阀芯均向上运动至初始位置，内旁通孔与外旁通孔处于同一水平高度，外旁通孔处于打开状态，实现普通旁通阀所具备功能。

6.如权利要求1-5中任一权利要求所述螺杆钻具旁通阀的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)设计钻头喷嘴、分流喷嘴尺寸

设钻井泵的额定输出排量为Q_r、额定输出压力为p_r，实际输出排量为Q_s、实际输出压力为p_s；螺杆钻具马达总成的额定流量为Q_mr、额定压降为Δp_mr、传动轴类型所限定的最大钻头喷嘴压降为Δp_s；

A螺杆钻具空转工况

当螺杆钻具空载运转时，设钻井泵的实际输出压力为p_so；流经马达总成和钻头喷嘴的钻井液流量为Q_mo、马达总成压降为Δp_mo、钻头喷嘴压降为Δp_bo；流经分流喷嘴的钻井液流量为Q_vo、分流喷嘴压降为Δp_vo；循环压耗为Δp_l；

在空转工况下，螺杆钻具马达压降为启动压降，流经马达总成和钻头喷嘴的钻井液流量、钻头喷嘴压降均达到最大值，流经分流喷嘴的钻井液流量及其压降均为最小值，流经各个部分的钻井液流量及压降满足以下关系：

Q_mo≤Q_mr＜Q_s≤Q_r (1)

Q_s＝Q_mo+Q_vo (2)

Δp_bo≤Δp_s (3)

p_so＝Δp_l+Δp_mo+Δp_bo＝Δp_l+Δp_vo＜p_r (4)

选择钻井泵输出排量Q_s、实际输出压力p_so、螺杆钻具空转时流经马达总成的钻井液流量Q_mo；依次计算出循环压耗Δp_l、钻头喷嘴压降Δp_bo、流经分流喷嘴的钻井液流量Q_vo、分流喷嘴压降Δp_vo；最后计算钻头喷嘴当量面积A_bo、分流喷嘴当量面积A_vo；

Q_vo＝Q_s-Q_mo (5)

Δp_bo＝p_so-Δp_l-Δp_mo (7)

Δp_vo＝Δp_mo+Δp_bo＝p_so-Δp_l (8)

式中，ρ_d-钻井液密度，g/cm³；A_bo、A_vo-按螺杆钻具空转工况计算出来的钻头喷嘴当量面积、分流喷嘴当量面积，cm²；C_b、C_v-钻头喷嘴、分流喷嘴的流量系数，通常取0.95；k_l-循环压耗系数，MPa/(L/s)^1.8；其他符号意义同前，压力的单位均为MPa，流量的单位均为L/s；

B螺杆钻具满载钻进工况

当螺杆钻具满载钻进时，设钻井泵的实际输出压力为p_sl；流经螺杆钻具马达总成和钻头喷嘴的钻井液流量为Q_ml、马达总成压降为Δp_ml、钻头喷嘴压降为Δp_bl；流经分流喷嘴的钻井液流量为Q_vl、分流喷嘴压降为Δp_vl；

该工况下螺杆钻具马达总成的工作压降明显大于启动压降，流经马达总成和钻头喷嘴的钻井液流量、钻头压降均有所减小，流经分流喷嘴的钻井液流量及其压降均有所增大，流经各个部分的钻井液流量及压降满足以下关系：

Q_ml＜Q_mo≤Q_mr＜Q_s≤Q_r (13)

Q_sl＝Q_ml+Q_vl (14)

Δp_bl≤Δp_sl (15)

p_sl＝Δp_l+Δp_ml+Δp_bl＝Δp_l+Δp_vl≤p_r (16)

保持钻井泵输出排量Q_s不变，选择钻井泵输出压力p_sl、流经马达总成的钻井液流量Q_ml；依次计算出钻头喷嘴压降Δp_bl、流经分流喷嘴的钻井液流量Q_vl、钻井泵输出压力p_sl、分流喷嘴压降Δp_vl；最后计算钻头喷嘴当量面积A_bl、分流喷嘴当量面积A_vl；

Q_vl＝Q_s-Q_ml (17)

Δp_bl＝p_sl-Δp_l-Δp_ml (18)

Δp_vl＝Δp_ml+Δp_bl＝p_sl-Δp_l (19)

式中，A_bl、A_vl-按正常钻进工况求出的钻头喷嘴当量面积、分流喷嘴当量面积，cm²；其他符号意义同前，压力单位均为MPa，流量单位均为L/s；

综合考虑螺杆钻具空转和正常钻进两种工况给出的计算结果，按以下原则选择钻头喷嘴当量面积A_b、分流喷嘴当量面积A_v；

A_b＝min(A_bo，A_bl) (24)

A_v＝max(A_vo，A_vl) (25)

(2)计算实际工作参数

给定钻头喷嘴当量面积A_b、分流喷嘴当量面积A_v之后，马达总成的实际工作压降Δp_m与流经马达总成的实际钻井液流量Q_m对应关系如下：

为了便于求解方程，令Q_v＝χQ_s，χ称为分流系数，则Q_m＝(1-χ)Q_s，对式(26)进行变换后得到以下方程式：

继续对上式进行变换，最终得到以下一元二次方程式：

对于上述螺杆钻具旁通阀来说，钻井液主要流经马达总成和钻头喷嘴，仅有少部分钻井液流经分流喷嘴，钻头喷嘴当量直径通常大于分流喷嘴当量直径，也即上述方程一元二次方程式仅有1个根为正值；

在正常钻进条件下，指定马达总成的工作压降Δp_m，利用式(29)求出分流系数χ，进而求出流经螺杆钻具马达总成和钻头喷嘴的钻井液流量Q_m、流经分流喷嘴的钻井液流量Q_v、钻头喷嘴压降Δp_b、分流喷嘴压降Δp_v，最后求出与指定马达总成的工作压降Δp_m对应的钻井泵实际输出压力p_s；

(3)预先计算出不同马达压降对应的分流效果及钻井泵实际输出压力并绘制曲线图版，通过观察钻井泵输出压力变化来判断螺杆钻具所受负载大小，从而合理控制井底钻压。