氣體鉆井專用連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的研制

竇金永

（大慶鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413）

氣體鉆井專用連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的研制

竇金永

（大慶鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413）

針對(duì)氣體鉆井特點(diǎn)，研發(fā)了一套專用于氣體鉆井的連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，功能完善，能夠滿足氣體鉆井的實(shí)際需要。闡述了研制該裝備的關(guān)鍵技術(shù)，以期為國(guó)內(nèi)連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的研發(fā)和完善提供新思路，具有一定的參考和指導(dǎo)意義。

氣體鉆井；連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)；關(guān)鍵技術(shù)

在常規(guī)氣體鉆井過(guò)程中，鉆桿上卸扣時(shí)由于氣體循環(huán)通道中斷，被迫停止氣體的循環(huán)，造成諸多不利影響：①造成井眼中巖屑的沉降，容易導(dǎo)致沉砂卡鉆；②在地層出水的情況下，積聚的水量過(guò)大會(huì)破壞井壁的穩(wěn)定；③長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)降低了整個(gè)接單根的效率。在氣體鉆井過(guò)程中采用常規(guī)的連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)能夠解決上述問(wèn)題，但是存在匹配不合理、研制費(fèi)用昂貴的問(wèn)題。為此，研制了專用于氣體鉆井的連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)。

1 結(jié)構(gòu)及原理

氣體鉆井專用連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)主要由連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)主機(jī)、閘板閥、液壓動(dòng)力系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)組成（如圖1），另外還需要頂驅(qū)的配合。其中，連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)主機(jī)主要由導(dǎo)引機(jī)構(gòu)、動(dòng)力鉗、升降機(jī)構(gòu)、密封封隔裝置、動(dòng)力卡瓦及主機(jī)底座組成，如圖2所示。

連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)通過(guò)上述各部分的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了接單根（或立柱）和起下鉆過(guò)程中氣體的連續(xù)循環(huán)。通過(guò)上、下2個(gè)特制的半封封隔器可在鉆桿接頭兩端形成密封，在轉(zhuǎn)盤(pán)之上形成1個(gè)壓力腔，鉆桿卸扣后，特制的全封封隔器可以將整個(gè)壓力腔分為上、下2個(gè)壓力腔。接單根或立柱時(shí)，首先通過(guò)升降機(jī)構(gòu)提升主機(jī)，將鉆桿接頭移動(dòng)到正確的位置，由密封封隔裝置下面的卡瓦將鉆柱坐在方瓦上；然后關(guān)閉上、下2個(gè)半封封隔器形成壓力腔，進(jìn)行卸扣，鉆具連接公扣旋出，直至完全退出母扣，此時(shí)打開(kāi)旁通閘板閥向下壓力腔，注入氣體建立循環(huán)通道，之后關(guān)閉過(guò)頂驅(qū)循環(huán)通道；然后關(guān)閉母扣上方的全封封隔器，從而將壓力腔分為2個(gè)部分，之后上壓力腔泄壓，取出公接頭；同時(shí)，氣體沿打開(kāi)的母接頭向下流入仍然維持正常循環(huán)。新上扣的單根或立柱通過(guò)導(dǎo)引機(jī)構(gòu)公接頭被放入上腔室，關(guān)閉上半封封隔器，全封封隔器隨即被打開(kāi)。此時(shí)，打開(kāi)過(guò)頂驅(qū)的氣體循環(huán)通道，之后關(guān)閉連接下腔室的循環(huán)通道，隨后新接鉆桿公接頭下移，進(jìn)行鉆桿連接操作。鉆桿上扣完成后，壓力腔泄壓，半封封隔器被打開(kāi)，打開(kāi)下部卡瓦，繼續(xù)鉆進(jìn)作業(yè)。在井口帶壓循環(huán)條件下，上扣、卸扣以及鉆桿下入和起出作業(yè)，都是由連接在壓力腔頂部的動(dòng)力鉗和升降機(jī)構(gòu)共同控制并操作完成的［1-2］。

圖1 連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)組成

圖2 連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)主機(jī)整體結(jié)構(gòu)

2 主要技術(shù)參數(shù)

3 技術(shù)關(guān)鍵

在研發(fā)氣體鉆井專用連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的過(guò)程中，逐步確定了以下幾個(gè)技術(shù)關(guān)鍵：

1） 實(shí)現(xiàn)上半封封隔器的旋轉(zhuǎn)密封。

2） 實(shí)現(xiàn)鉆桿接頭的精確定位。

3） 大轉(zhuǎn)矩動(dòng)力鉗的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4） 實(shí)現(xiàn)主機(jī)的靈活移動(dòng)。

3．1 上半封封隔器的旋轉(zhuǎn)密封

為達(dá)到理想的密封及使用效果，上半封封隔器必須滿足旋轉(zhuǎn)密封的需要，選擇使用環(huán)狀膠芯的結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有的主動(dòng)式旋轉(zhuǎn)防噴器相比，上半封封隔器的特點(diǎn)為不過(guò)接頭、不必封零、無(wú)需冷卻。通過(guò)方案優(yōu)化，研發(fā)了一種膠筒式環(huán)形封隔器，通過(guò)液壓推動(dòng)膠筒變形延伸密封高壓環(huán)空，實(shí)現(xiàn)在鉆桿上、卸扣的過(guò)程中抱緊鉆桿，與鉆桿同步旋轉(zhuǎn)。上半封封隔器的結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 上半封封隔器結(jié)構(gòu)

3．2 鉆桿接頭的精確定位

根據(jù)氣體鉆井壓力級(jí)別低，封隔器外壁較薄的特點(diǎn)，創(chuàng)新采用下半封封隔接頭外環(huán)空、動(dòng)力卡瓦承托鉆桿接頭的設(shè)計(jì)，提高了坐卡的可靠性、降低了主機(jī)高度、無(wú)需尋找接頭位置、半封膠芯不必上下滑動(dòng)而且節(jié)省人力。如圖4所示。

圖4 鉆桿接頭精確定位示意

3．3 大轉(zhuǎn)矩動(dòng)力鉗的優(yōu)化設(shè)計(jì)

動(dòng)力鉗的作用為：卡緊鉆桿并為鉆桿上卸扣提供轉(zhuǎn)矩。如圖5所示，動(dòng)力鉗主要包括4大部分，其中卡瓦牙、卡緊連桿、旋轉(zhuǎn)內(nèi)套、內(nèi)套止推軸承、上蓋、限位筒以及卡緊液壓缸組成卡緊機(jī)構(gòu)，大齒輪、旋扣液壓馬達(dá)、旋轉(zhuǎn)體止推軸承以及旋轉(zhuǎn)體扶正軸承組成旋扣機(jī)構(gòu)，上卸扣液壓缸、齒爪及固定塊組成上卸扣機(jī)構(gòu)，定位液壓缸及引導(dǎo)臂組成定位機(jī)構(gòu)［2］。

圖5 動(dòng)力鉗結(jié)構(gòu)

3．4 主機(jī)的靈活移動(dòng)

采用主機(jī)整體可橫向移動(dòng)的方式來(lái)代替主機(jī)固定在鉆臺(tái)面上的方式，能夠方便進(jìn)行鉆鋌及下部鉆具的起下作業(yè)，方便更換旋轉(zhuǎn)防噴器膠芯。實(shí)現(xiàn)主機(jī)整體可橫向移動(dòng)需要研發(fā)一個(gè)特殊的主機(jī)底座，如圖6所示。主機(jī)底座主要由滾道、滾子、上側(cè)限定板、邊側(cè)限定板、前側(cè)限定板、后側(cè)限定板、支撐板、滑動(dòng)板、錨定機(jī)構(gòu)、吊裝機(jī)構(gòu)以及基座等組成。

圖6 主機(jī)底座結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

1） 針對(duì)氣體鉆井特點(diǎn)，研制了一套結(jié)構(gòu)合理、功能完善的連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)，能夠滿足氣體鉆井的需要，提高工作效率。

2） 在實(shí)際研發(fā)過(guò)程中梳理出了實(shí)現(xiàn)上半封封隔器的旋轉(zhuǎn)密封、鉆桿接頭的精確定位、大轉(zhuǎn)矩動(dòng)力鉗的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)主機(jī)的靈活移動(dòng)等幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，并逐一予以解決。

3） 該氣體鉆井專用連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)還有待現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，并需要不斷完善。

［1］王瑜，丁偉．連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)及其應(yīng)用前景［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（11）：94-97．

［2］王錫洲，王洪兵，肖利君，等．連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)上卸扣卡瓦卡緊力計(jì)算方法研究［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（10）：35-39．

Development of Gas Drilling Continuous Circulation System

DOU Jin-yong
（Drilling Engineering and Technology Institute of Daqing，Daqing 163413，China）

According to the characteristics of gas drilling，a dedicated continuous circulation system for gas drilling has been studied．The structure of the system is reasonable，and the function is perfect to meet the actual needs of gas drilling．The key technology in the development of the equipment is analyzed，in order to provide a new way of thinking for development and improvement of domestic continuous circulation system，a certain reference and guiding significance is given．

gas drilling；continuous circulation system；key technology

TE926

A

1001-3482（2014）01-0066-04

2013-07-08

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”子課題“碳酸鹽巖、火成巖及酸性氣藏高效安全鉆完井技術(shù)”（2011ZX05021002）

竇金永（1984-），男，天津人，工程師，主要從事氣體／欠平衡鉆井以及控壓鉆井科研工作，E-mail：doujinyongoo＠sina．com．cn。