反循環(huán)雙壁鉆具研究與應用

劉義彬，郭賢偉，季小娜，董趙朋，田曉勇，王小娜

（渤海鉆探工程有限公司 工程技術研究院，河北 任丘062552）

反循環(huán)雙壁鉆具研究與應用

劉義彬，郭賢偉，季小娜，董趙朋，田曉勇，王小娜

（渤海鉆探工程有限公司 工程技術研究院，河北 任丘062552）

介紹了反循環(huán)鉆井的應用現(xiàn)狀、工藝原理和技術特點，研制了自地面至井底的全套雙壁鉆具。闡述了雙壁鉆桿、雙壁氣盒子、雙壁方鉆桿、雙壁雙通道單封旋塞閥、雙壁環(huán)形單向閥以及雙壁鉆具轉換短節(jié)的作用、結構、工作原理和基本參數(shù)。試驗表明，雙壁鉆具的各項性能均符合設計要求。在現(xiàn)場應用1口井，取得了很好的效果。

反循環(huán)；雙壁鉆具；結構

反循環(huán)鉆井技術作為欠平衡技術的重要分支，已成功應用于開發(fā)淺層天然氣和煤層氣中。在國外，反循環(huán)鉆井技術主要用于礦產勘探，利用空氣錘反循環(huán)技術成為突破硬地層鉆進的主要手段，提速效果顯著。加拿大Press Sol公司已經將雙壁鉆具反循環(huán)鉆井技術成功應用到淺層天然氣的商業(yè)開發(fā)中。在國內，雙壁反循環(huán)鉆井技術僅在水文地質工程方面應用較多，例如北京水文地質工程公司在地熱井上實施過雙壁反循環(huán)鉆井，中國地質科學院勘探所、吉林大學等對雙壁鉆井都進行過研究，對石油鉆井方面的應用有指導和借鑒意義［1-3］。目前，我國大多數(shù)油田已進入開發(fā)后期，地層壓力衰竭嚴重，如何進行低壓油氣藏的勘探開發(fā)和解決鉆進中的漏失問題就凸顯得尤為重要。反循環(huán)鉆井技術作為解決井漏和低壓易漏油氣藏的勘探開發(fā)的一種嶄新方法，具有良好的應用前景。

1 雙壁鉆具反循環(huán)鉆井工藝原理

雙壁鉆具反循環(huán)鉆井原理如圖1所示，壓縮空氣從雙壁鉆桿的環(huán)形空間壓入井底，流經鉆頭進入雙壁鉆具中心管，攜帶井底鉆屑高速返出到地面，形成反循環(huán)過程。該技術的優(yōu)點：

1） 能有效降低井底壓差，提高機械鉆速。

2） 施工過程穩(wěn)定，井內沖洗液面高度影響較小。

3） 鉆探富含水層的深水井，鉆進不受水位深度的影響。

4） 鉆具壓力分布均勻，且大于大氣壓力，鉆具氣密封性良好。

圖1 雙壁鉆具反循環(huán)鉆井原理

2 雙壁鉆具的研制

反循環(huán)鉆井技術是以空壓機和雙壁鉆具為依托。在石油鉆探領域采用氣舉反循環(huán)鉆井時，有必要在工具、設備和工藝技術方面做出較大的改進，以適應石油鉆探的工藝特點。這些改進主要包括設計適應現(xiàn)場條件的氣舉反循環(huán)鉆井流程，解決井眼軌跡的控制問題，研制適合于小井眼的雙壁鉆具以及增加雙壁鉆具的密封壓力級別等。

雙壁鉆具系統(tǒng)主要由雙壁氣盒子、雙壁六方鉆桿、雙壁鉆桿、雙壁雙通道單封旋塞閥、雙壁鉆鋌、雙壁環(huán)形單項閥等組成。

2.1 雙壁鉆桿

雙壁鉆桿作為壓縮空氣和鉆井液混合流動的通道，其結構如圖2所示。雙壁鉆桿設計要求：首先鉆桿要有相應的強度和剛度；鉆進過程中為防止造成過度磨損和增加水力損耗，內、外管不應產生較大的相對位移；雙壁的內外雙通道密封性要好，能有效隔離兩通道以及外管空間；中心通道要平滑，以降低巖屑返出時造成的沖蝕、磨損；雙壁鉆桿在現(xiàn)場要方便與原有鉆具的連接。雙壁鉆具外管靠端面密封；內管采用插入式連接，依靠多個O形圈密封。內中心管采用無縫鋼管制造。

圖2 雙壁鉆桿結構示意

2.2 雙壁氣盒子

雙壁氣盒子結構主要由內本體、滾動軸承、外本體、進氣管、注氣管和下接頭等部件組成，如圖3所示。其設計要求具有氣液雙通道以及高壓密封性；要有足夠的抗拉強度；芯軸與殼體可相對轉動；排渣通道具有高抗沖蝕和耐磨性。雙壁氣盒子的作用是提供氣液雙通道，在保證注氣需要的同時，又要保證循環(huán)的氣液固三相流體能夠順利地排入到過濾循環(huán)罐中。

圖3 雙壁氣盒子結構示意

2.3 雙壁六方鉆桿

雙壁六方鉆桿作為轉盤驅動的主要井口鉆具，要充分保證其結構的機械強度。在內徑和外徑已定的條件下，采用六方截面的方鉆桿具有更大的機械強度。雙壁六方鉆桿結構如圖4所示。

圖4 雙壁六方鉆桿結構示意

2.4 雙壁雙通道單封旋塞閥

雙壁雙通道單封旋塞閥是用于反循環(huán)鉆井作業(yè)與雙壁方鉆桿聯(lián)接的手動旋塞閥，其結構如圖5所示。本體和內中心管的之間為氣體通道，內中心管通孔為液（氣）體通道，二者是密封隔離的。

圖5 雙壁雙通道單封旋塞閥結構示意

通過有限元分析軟件Abaqus對雙壁雙通道單封旋塞閥的關鍵部件（球閥）進行仿真應力和變形分析，應力云圖和變形云圖如圖6。由模擬數(shù)據(jù)可知：球閥在受力達108 MPa時才會發(fā)生屈服變形；球閥在最大壓力情況下，變形量僅為0.127 mm。表明所設計的球閥完全可以滿足使用要求。

圖6 球閥仿真應力和變形云圖

在反循環(huán)鉆井作業(yè)中，雙壁雙通道單封旋塞閥安裝在雙壁方鉆桿的上部或者下部，其作用有2個。一是提供氣體通道和液（氣）體通道；二是單封防噴。具有單封內眼的功能，可以與井下雙壁環(huán)形單向閥配合，實現(xiàn)兩個通道同時開或關，有利于現(xiàn)場工藝的處理。雙壁雙通道單封旋塞閥平時為常開式，當發(fā)生溢流、井涌時，只需用專用扳手轉動球體90°，就能快速地關閉該閥，防止地層流體沿鉆柱水眼向上噴出。

2.5 雙壁環(huán)形單向閥

雙壁環(huán)形單向閥主要由上接頭、連桿、閥桿、閥座、彈簧、本體及密封組件等組成，其結構如圖7所示。閥桿與本體的內孔徑配合，使閥桿扶正居中；閥桿設有軸向氣道，供氣體通過；閥桿下端與雙壁鉆桿內管配合。閥座與本體之間采用O形圈和YX形密封圈組合方式，與閥桿之間采用錐面金屬密封和橡膠件密封。在彈簧的作用下，閥座與閥桿配合錐面保持緊密接觸?；亓骺刂崎y的上下端為鉆桿接頭螺紋，與雙壁鉆桿連接。

圖7 雙壁環(huán)形單向閥結構示意

3 現(xiàn)場應用

3.1 達縣仙女山溫泉2井概況

達縣仙女山溫泉2井是一口以鉆采溫泉為目的的直井，二開215.9 mm井眼清水鉆進至井深678 m，因井下漏失嚴重而無法繼續(xù)鉆進。本井從678～900 m（嘉陵江組）井段設計實施空氣反循環(huán)鉆井工藝。井身結構如圖8所示。

圖8 達縣仙女山溫泉2井井身結構示意

3.2 鉆具組合及鉆井參數(shù)設計

鉆具組合：127 mm（5英寸）三牙輪鉆頭＋228.6 mm（9英寸）雙壁鉆鋌＋228.6 mm（9英寸）環(huán)形單向閥＋鉆桿-鉆鋌轉換短節(jié)＋雙壁鉆桿轉換短節(jié)＋127 mm（5英寸）雙壁鉆桿＋雙壁鉆桿轉換短節(jié)＋139.7 mm（5?2英寸）方保接頭＋雙壁下旋塞＋雙壁六方鉆桿＋雙壁上旋塞＋雙壁氣盒子＋旋轉充氣水龍頭。

鉆井參數(shù)：鉆壓50～60 k N，沖砂鉆壓20～40 k N，注氣量4 m3／min。

3.3 現(xiàn)場施工情況

達縣仙女山溫泉2井施工井段678～900 m，進尺222 m。反循環(huán)鉆進時，能正常鉆進攜帶巖屑，巖屑粒徑最大達10 mm×10 mm×30 mm。機械鉆速為4.6 m／h，與正循環(huán)相比提高65%。解決了地層漏失問題，降低了鉆井成本，整體施工效果良好，達到了試驗預期。

4 結論

1） 雙壁鉆具反循環(huán)鉆井工藝特別適合于壓力衰竭、漏失量較大、低壓、低滲地層等非常規(guī)油氣藏的勘探開發(fā)。

2） 配套并研制了自地面至井底的全套雙壁鉆具，包括雙壁鉆桿、雙壁氣盒子、雙壁方鉆桿、雙壁雙通道單封旋塞閥、雙壁方保接頭、雙壁鉆桿轉換短節(jié)、雙壁鉆桿-鉆鋌轉換短節(jié)以及雙壁環(huán)形單項閥等。

3） 雙壁鉆具的外管端面密封與內管的插入密封性能好，耐氣壓10 MPa，耐液壓30 MPa，達到了設計要求。

4） 現(xiàn)場應用表明該技術工藝簡單，成本低，效果好。

5） 反循環(huán)鉆井技術的現(xiàn)場應用，必將加快低壓、易漏油氣藏勘探開發(fā)節(jié)奏，對提高油氣井產量及開發(fā)綜合經濟效益具有重要意義。

［1］ 王運美，李琛，馬建民.反循環(huán)鉆井技術在淺層氣開發(fā)中的應用［J］.石油機械，2007，35（5）：59-61.

［2］ 李生紅，楊啟明.雙壁鉆桿反循環(huán)鉆進的優(yōu)點淺析［J］.中國煤田地質，1990，2（2）：84.

［3］ 李永和.雙壁鉆桿低壓鉆井工藝技術［J］.石油鉆探技術，2007，35（2）：2-3.

［4］ 吳智中.鉆井雙壁鉆具研制與應用［J］.石油鉆探技術，2007，35（2）：46-47.

［5］ 劉建林.反循環(huán)空氣錘及其在空氣鉆井中的應用前景［J］.石油礦場機械，2012，41（7）：11-14.

［6］ 陳穎潔，房小松，朱榮東，等.氣體鉆井鉆具失效原因與預防措施［J］.石油鉆探技術，2011，40（2）：87-90.

Research and Application of Reverse Circulation Double-wall Drill

LIU Yi-bin，GUO Xian-wei，JI Xiao-na，DONG Zhao-peng，TIAN Xiao-yong，WANG Xiao-na
（Engineering Technology Research Institute，BHDC，Renqiu 062552，China）

The present sit uation of t he application of reverse circulation drilling，pr ocess principle and technical characteristics are described，and the double-wall drill are developed fromthe ground to t he botto m of a f ull range of double-wall drill.In detail t he double-wall drill pipe，double-wall box，double-wall drill pipe，double-wall t wo-channel single sealing cock valves，double-wall ring check val ves and double-wall drill conversion sub f unction，str uct ure，wor king principle and basic parameters are elaborated.Tests show that double-wall drill perf or mance of the design requirements.And a well on site application achieved good application effect.

reverse circulation；double-wall drill；str ucture

TE921.203

A

1001-3482（2014）06-0018-04

2013-12-26

中國石油集團公司項目“特殊工藝井鉆井與提高單井產量鉆井技術”子課題“反循環(huán)鉆井技術研究及雙壁管低壓鉆井完井技術研究”（04B2080207）

劉義彬（1981-），男，山東煙臺人，工程師，2004年畢業(yè)于長江大學，主要從事欠平衡、空氣鉆井的研究應用工作，E-mail：liuybcc＠126.co m。