不停泵循環(huán)鉆修井技術(shù)研究

馬龍 解會軍 閆國棟

摘要：連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)?（CCS）在國外已經(jīng)發(fā)展了多年，在國內(nèi)還很少使用，即使使用也要從國外公司高價(jià)租賃。通過我們開展的項(xiàng)目研究，可以研制自主知識產(chǎn)權(quán)的不停泵循環(huán)鉆井系統(tǒng)，完成鉆井工藝的進(jìn)步和發(fā)展。本文對連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的組成和工作原理進(jìn)行了論述?，并分析了連續(xù)循環(huán)鉆修井的優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域?，著重介紹了連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念與建造要求，特別是關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)氣液循環(huán)站和循環(huán)短節(jié)。

關(guān)鍵詞：?鉆修井;?連續(xù)循環(huán);?氣液循環(huán)站;循環(huán)短節(jié);?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.不停泵循環(huán)鉆井系統(tǒng)概述

不停泵循環(huán)鉆井系統(tǒng)，在國際上稱為連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)（CCS），其開發(fā)的背景是隨著世界石油資源的不斷開發(fā)，各石油公司嘗試開發(fā)復(fù)雜的油氣藏，其中有些地層孔隙壓力和地層破裂壓力梯度的窗口相當(dāng)窄，常規(guī)的鉆進(jìn)方式變得異常困難。在常規(guī)鉆井過程中，會產(chǎn)生井眼不穩(wěn)定、井壁坍塌、卡鉆、地層裂縫以及泥漿漏失等問題，嚴(yán)重時(shí)會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至是人員傷亡。而利用不停泵循環(huán)作業(yè)系統(tǒng)沖砂的優(yōu)勢明顯：

（1）不停泵循環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用很大程度上消除和避免了沖起的砂子在沖砂管與套管環(huán)空中運(yùn)移形成的卡鉆事故。

（2）同時(shí)具有沖砂速度快，作業(yè)周期短，不易堵塞，效率高;以及攜帶工具方便廣泛，外圍設(shè)備安全可靠，占地面積小的特點(diǎn)。

（3）消除了為接單根停止和開始循環(huán)時(shí)的壓力的波動，利于保持井眼壓力穩(wěn)定，大大降低了循環(huán)漏失、地層破裂、井涌、壓差卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。

2.不停泵循環(huán)技術(shù)發(fā)展

2005年6月初在埃及某海上油田進(jìn)行了第一次商業(yè)應(yīng)用，該井密度窗口僅為0.03，由于井涌、天然氣滲出、漏失、井眼膨脹等原因，固完?334mm（13?1/8″）套管后暫時(shí)關(guān)閉，利用不間斷循環(huán)鉆井系統(tǒng)，接單根500次，完鉆井深超過5000m?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該裝備能節(jié)省鉆井時(shí)間，降低復(fù)雜井的事故發(fā)生率。

在連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)首次商業(yè)化應(yīng)用后，從2006年開始進(jìn)入CCS的油田開發(fā)階段（CCS?Field?Development?Phase），主要由Statoil公司利用CCS?Mark2在北海油田進(jìn)行鉆井作業(yè)，共成功鉆成10多口井，作業(yè)625天，完成接鉆桿1122次，平均上卸扣操作時(shí)間14min?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，CCS系統(tǒng)可靠性高，可顯著降低鉆井非生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間（NPT），提高鉆井效率。經(jīng)過近十年的發(fā)展，連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)已開始初步進(jìn)入推廣應(yīng)用階段

3.系統(tǒng)組成及原理

連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)（CCS）主要包括：主體單元、頂驅(qū)連接工具、鉆井液分流管匯、控制系統(tǒng)和液壓動力裝置五部分。

工作原理：采用頂驅(qū)鉆機(jī)時(shí)，通過CCS主體單元、頂驅(qū)連接工具和鉆井液分流管匯配合實(shí)現(xiàn)連續(xù)循環(huán)，接單根時(shí)，主體上下兩個閘板密封鉆桿周圍，接頭位于全封閘板和下部閘板之間，鉆井流體在循環(huán)壓力作用下進(jìn)入主體內(nèi)，平衡鉆柱內(nèi)外壓力。卸扣上提鉆桿，關(guān)閉全封閘板，上部卸壓后將公扣連接部分提出接箍體，此時(shí)鉆井流體通過主體單元下部不間斷循環(huán)進(jìn)入鉆柱中。連接在頂驅(qū)上的新的單根進(jìn)入主體上部，閘板密封鉆桿周圍，循環(huán)系統(tǒng)注入鉆井液恢復(fù)上部壓力。當(dāng)上下兩部分壓力平衡時(shí)，打開全封閘板，新的單根下放，通過鉆桿內(nèi)不間斷循環(huán)接單根。主體內(nèi)壓力釋放，密封打開，移開接箍，鉆井再次開始，整個過程循環(huán)不間斷。

4.國產(chǎn)化設(shè)計(jì)

為了促進(jìn)國內(nèi)鉆井技術(shù)盡快向高新技術(shù)發(fā)展，縮短國內(nèi)外鉆井技術(shù)的差距，優(yōu)化油田的勘探與開發(fā)，降低油田勘探開發(fā)成本和保護(hù)油氣藏，開展連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的研究勢在必行。通過我們開展的這個項(xiàng)目研究，可以研制自主知識產(chǎn)權(quán)的不停泵循環(huán)鉆井系統(tǒng)，完成鉆井工藝的進(jìn)步和發(fā)展。

我們設(shè)計(jì)的不停泵鉆井循環(huán)系統(tǒng)主要包括兩部分，氣液循環(huán)站和循環(huán)短節(jié)。氣液循環(huán)站是將低壓氣體壓力轉(zhuǎn)換為高壓液體壓力，從而控制流程閥門開關(guān)的橇裝化裝置。這種設(shè)計(jì)避免了動力電源的危險(xiǎn)性，同時(shí)提高了高壓閥門的控制扭矩。整體設(shè)計(jì)方案，簡介緊湊，操作簡單可靠。第二部分是循環(huán)短節(jié)，每個循環(huán)短節(jié)內(nèi)有一個位于中心的球閥和一個旁通閥。該旁通閥是由液壓或手動開關(guān)，從而構(gòu)成循環(huán)。球閥處于關(guān)閉狀態(tài)下就可以堵住鉆桿內(nèi)的壓力，以便卸掉頂驅(qū)連接。每個新的立柱的上端接有該循環(huán)短節(jié)，其中球閥處于開啟狀態(tài)，讓液流可通過頂驅(qū)往下循環(huán)。

4.1不停泵循環(huán)鉆井系統(tǒng)總體要求

（1）整體布局：采用緊湊式布局，盡量減少占地面積。液壓系統(tǒng)和控制柜采用集成方式，方便維修及安裝。

（2）本體尺″在1.88m×1.55m×1.98m左右。框架及吊裝：框架采用180×180×T20工字鋼焊接結(jié)構(gòu)。吊裝點(diǎn)選擇平衡重心，為方便設(shè)備工作，吊裝架采用可拆裝結(jié)構(gòu)，吊點(diǎn)1點(diǎn)。

（3）泥漿主控閥及管道：主控閥共6個，串并聯(lián)結(jié)構(gòu)按原理圖。各閥門采用整體式方箱連接，方箱截面為280mm×320mm，內(nèi)通徑4.0625″，長度640mm二個，1280mm一個。

（4）液壓系統(tǒng)分為動力液壓系統(tǒng)和檢測液壓系統(tǒng)，動力系統(tǒng)主要包括：氣源空氣濾清器2個，消音器1個，氣液增壓泵，油箱，蓄能器，多路換向閥6個加2個備用。每個主控閥配備1個液壓執(zhí)行器。監(jiān)控液壓系統(tǒng)的壓力表等。

（5）檢測系統(tǒng)包括：35MPa液壓傳感器、壓力表各2個。氣控系統(tǒng)及控制柜：6個液壓多路換向閥一一對應(yīng)加氣控開關(guān)。液壓執(zhí)行器監(jiān)控采用氣動傳感器，開、關(guān)為一組（2個），共6組。氣壓表、液壓表、氣動開關(guān)等控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)操控部分全部集成到控制柜的操作面板上。

（6）循環(huán)短節(jié)及旁通：循環(huán)短節(jié)內(nèi)部包含球閥。旁通閥開關(guān)采用手動或液動二種方式。

4.2氣液循環(huán)站設(shè)計(jì)原理簡述

不停泵鉆井循環(huán)系統(tǒng)主要包括兩部分。一部分是循環(huán)管匯控制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，即氣液循環(huán)站。氣液循環(huán)站是將低壓氣體壓力轉(zhuǎn)換為高壓液體壓力，從而控制流程閥門開關(guān)的橇裝化裝置。氣液循環(huán)站的主要部分設(shè)計(jì)包括：

（1）液壓系統(tǒng)（泥漿配送）;

（2）氣控系統(tǒng)。

工作流程如下圖

4.3?工作流程描述：

（1）上端帶有循環(huán)短節(jié)A的立柱A下鉆完成時(shí)，球閥處于開啟狀態(tài)，坐上卡瓦;

（2）將連接頭連接在旁通閥上;

（3）在循環(huán)管匯控制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中打開閥1，同時(shí)保持閥5處于開啟狀態(tài)，此時(shí)部分液流通過頂驅(qū)，部分通過旁通閥;

（4）觀察控制管匯上的壓力表，等待通過球閥的壓力平衡后，關(guān)閉循環(huán)短節(jié)中的球閥;

（5）關(guān)閉閥5，此時(shí)沒有液流經(jīng)過頂驅(qū)/方鉆桿水龍帶;

（6）開啟閥6，放掉水龍帶中的泥漿，待壓力降為零，然后關(guān)上閥6;

（7）從立柱A上卸掉頂驅(qū)，用頂驅(qū)將帶有循環(huán)短節(jié)B的立柱B提起;

（8）將立柱B的下端與循環(huán)短節(jié)A連接;

（9）打開閥1，所以一部分液流開始通過頂驅(qū)開始灌注新的立柱B，一部分液流還是通過循環(huán)短節(jié)A上的旁通閥進(jìn)行循環(huán);

（10）觀察控制管匯上的壓力表，等待通過球閥的壓力平衡后，調(diào)整球閥，使之處于開啟狀態(tài);

（11）關(guān)掉閥1，此時(shí)沒有液流流經(jīng)管匯軟管通過循環(huán)短節(jié)A上的旁通閥;

（12）放掉水龍帶中的泥漿，待壓力降為零，通過連接頭上的顯示儀器檢查循環(huán)軟管中不再有壓力;

（13）卸掉連接頭，把循環(huán)短節(jié)A上的旁通閥換上保護(hù)帽;

（14）提出卡瓦，用立柱B繼續(xù)鉆進(jìn)或下鉆。對于每根立柱，重復(fù)上述步驟，就可以鉆達(dá)目的深度和井段。

4.4氣液循環(huán)站控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)工作流程：

（1）動力系統(tǒng)中，氣源驅(qū)動氣液增壓泵給蓄能器供18MPa液壓;

（2）控制面板上的氣閥開關(guān)，控制動力系統(tǒng)的氣控多路換向閥;

（3）蓄能器中高壓液壓油通過換向閥驅(qū)動不同的液壓執(zhí)行器;

（4）閥門開關(guān)指示器可以顯示液壓執(zhí)行器的開關(guān)狀態(tài);

（5）液壓執(zhí)行器驅(qū)動主控閥門打開;

（6）控制面板中的液壓表可以顯示主控閥門的壓力值，從而監(jiān)控整個系統(tǒng)的壓力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)各種動作。

4.5液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

4.6氣控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

4.7氣液循環(huán)站成撬要求

（1）根據(jù)選型結(jié)果將設(shè)備成撬在一個撬座上，預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)接口形式;

（2）撬裝設(shè)計(jì)滿足海上吊裝要求，并預(yù)留足夠的維修空間;

（3）撬安裝可拆卸防護(hù)欄，避免吊裝時(shí)磕碰;

（4）撬架配備四肢索具一套，并出具吊點(diǎn)、索具的CCS船檢證書;

（5）所有選型設(shè)備須具有合格證和防爆證書。

4.8連續(xù)循環(huán)短節(jié)設(shè)計(jì)

連續(xù)循環(huán)短節(jié)實(shí)現(xiàn)了接卸單根過程中不停泵，保證鉆井液的連續(xù)循環(huán)的關(guān)鍵設(shè)備。

連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)，是指在鉆井過程中，起下鉆接卸單根時(shí)，可以不停泵而保持井眼處于連續(xù)循環(huán)狀態(tài)的技術(shù)。該技術(shù)可有效克服因開/停泵造成的井下壓力波動，減少因壓力波動造成的井下復(fù)雜情況及事故，尤其適用于壓力敏感井、長水平段水平井、大位移井、深水井、欠平衡井和窄密度窗口井。實(shí)現(xiàn)連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)主要采用連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)和連續(xù)循環(huán)短節(jié)技術(shù)。

原有的短節(jié)結(jié)構(gòu)由上接頭與下接頭絲扣連接，下接頭側(cè)面開有快速接口，上閥座、下閥座分別置于上接頭、下接頭上，在上閥座、下閥座上裝有閥體，上閥座與上接頭、閥體之間均通過密封圈進(jìn)行密封，下閥座與下接頭、閥體之間均通過密封圈進(jìn)行密封?？梢詫?shí)現(xiàn)了接卸單根過程中不停泵，保證鉆井液的連續(xù)循環(huán)，克服了現(xiàn)有技術(shù)在接卸單根過程中需要停泵、停止循環(huán)鉆井液的不足。而本循環(huán)短節(jié)的設(shè)計(jì)采用彈簧復(fù)位閥芯方式，與閥座進(jìn)行密封。

5.結(jié)論及認(rèn)識

本文通過調(diào)研國內(nèi)外不停泵循環(huán)鉆井系統(tǒng)的技術(shù)原理及發(fā)展資料，結(jié)合鉆井特點(diǎn)，研制旁通閥、循環(huán)短節(jié)、鉆井液分流循環(huán)閥、研制撬裝式氣液循環(huán)系統(tǒng)，為復(fù)雜井尤其是窄鉆井液密度窗口井鉆井提供了一種有效的解決方法，介紹了一套適用于不停泵循環(huán)鉆修井系統(tǒng)的配套工藝裝備技術(shù)，包括：

（1）不停泵循環(huán)鉆井系統(tǒng)整體布局設(shè)計(jì)，能夠滿足海上鉆修井需要;

（2）介紹了關(guān)鍵部件（主控閥門、液動執(zhí)行器、氣液增壓泵、多路控制閥及旁通閥）的參數(shù)及選型，滿足海上鉆修井需要;

（3）描述了不停泵循環(huán)鉆井系統(tǒng)的循環(huán)短節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)及關(guān)鍵結(jié)構(gòu);

（4）本文介紹的氣液循環(huán)站適用范圍廣，系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)明顯。采用氣液增壓泵控制，循環(huán)管匯控制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)不使用電源。防爆等級高，危險(xiǎn)系數(shù)低;液控系統(tǒng)采用蓄能器技術(shù)，快速實(shí)現(xiàn)閥門開關(guān)，減小用氣量;布局結(jié)構(gòu)增設(shè)彈簧減震平衡系統(tǒng)。對于液壓壓力脈沖有效減緩，更好承重;旁通滿足大口徑通量的要求，可以實(shí)現(xiàn)手動或液壓控制，可以持續(xù)穩(wěn)定提供等壓鉆井液。

（5）實(shí)體完成后，進(jìn)行了性能驗(yàn)證試驗(yàn)，包括打壓試驗(yàn)（42MPa），開關(guān)功能試驗(yàn)，泄漏量測試試驗(yàn)等，均符合設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

通過我們這個項(xiàng)目的開展，我們掌握了不停泵循環(huán)鉆井工藝設(shè)備的建造技術(shù)，為今后不停泵循環(huán)鉆井技術(shù)工藝的應(yīng)用和推廣創(chuàng)造了技術(shù)條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊剛，陳平.連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用.鉆采工藝，2008，31（2）：46-47，54

[2]楊志彬.川西侏羅系低滲氣藏挖潛技術(shù)研究?[J].南方油氣，2005?（4）?.