連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)主機(jī)研制

肖建秋，馬青芳，胡志堅(jiān)，彭 嵩

(中國石油集團(tuán) 鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102200)①

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連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)主機(jī)研制

肖建秋，馬青芳，胡志堅(jiān)，彭 嵩

(中國石油集團(tuán) 鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102200)①

連續(xù)循環(huán)鉆井在接單根(或立柱)、起下鉆過程中能保持鉆井液的連續(xù)循環(huán)，在整個(gè)鉆進(jìn)期間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的當(dāng)量鉆井液密度和不間斷的巖屑排出，提高了復(fù)雜地層鉆井的安全性。研制了連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)的核心裝置——連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)主機(jī)(CCS主機(jī))。介紹了其工作原理、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)等。為連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)的發(fā)展提供參考。

連續(xù)循環(huán)鉆井；CCS 主機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連續(xù)循環(huán)鉆井能夠在接單根(或立柱)和起下鉆期間保持鉆井液的連續(xù)循環(huán)，從而在整個(gè)鉆進(jìn)期間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的當(dāng)量鉆井液密度循環(huán)和不間斷的巖屑排出，全面改善了井眼條件和鉆井安全性，提高了復(fù)雜地層鉆井作業(yè)的成功率。該技術(shù)特別適合窄鉆井液密度窗口條件下的安全鉆井；另外，在大位移井、水平井、高壓/高溫井、欠平衡井中，該技術(shù)可最大限度地避免井壁發(fā)生垮塌、卡鉆，降低鉆井事故，提高機(jī)械鉆速[1-6]。從2006年開始進(jìn)行連續(xù)循環(huán)循環(huán)系統(tǒng)的研制工作，經(jīng)過多次室內(nèi)試驗(yàn)、試驗(yàn)井試驗(yàn)及技術(shù)改進(jìn)，攻克了多項(xiàng)技術(shù)難題，取得了一定成果。本文就中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院研制的連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)的核心裝置——連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)主機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給出一些見解，旨在為連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

1 CCS主機(jī)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)由頂驅(qū)、連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)主機(jī)(CCS主機(jī))、控制房、液壓電控系統(tǒng)、分流裝置等組成，如圖1所示。

1—頂驅(qū)；2—主機(jī)；3—控制房；4—分流裝置；5—液壓電控系統(tǒng)。

CCS主機(jī)是實(shí)現(xiàn)連續(xù)循環(huán)鉆井作業(yè)的核心裝置，由支架總成、鉆桿導(dǎo)引機(jī)構(gòu)、動(dòng)力鉗、腔體總成、上旁通閥、下旁通閥、專用動(dòng)力卡瓦等部件組成，如圖2所示。CCS主機(jī)的主要功能是在接單根(或立柱)及起下鉆時(shí)，通過立管和旁通鉆井液循環(huán)通道間的切換，實(shí)現(xiàn)鉆井液的連續(xù)循環(huán)，并在密閉壓力腔室內(nèi)完成鉆桿的自動(dòng)上卸扣操作。

1—鉆桿導(dǎo)引機(jī)構(gòu)；2—?jiǎng)恿︺Q；3—支架總成；4—腔體總成；5—專用動(dòng)力卡瓦；6—上旁通閥；7—下旁通閥。

1.2 工作原理

CCS主機(jī)的工作原理是利用腔體總成內(nèi)閘板的開合控制其內(nèi)部上、下密封腔室的連通與隔離，并與分流裝置配合動(dòng)作，完成密閉腔室內(nèi)鉆井液通道的分流切換；同時(shí)利用動(dòng)力鉗與腔體總成內(nèi)背鉗閘板及底部動(dòng)力卡瓦等的協(xié)同配合動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)在腔體總成內(nèi)接卸鉆桿的自動(dòng)上卸扣操作。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

密封壓力 35 MPa

循環(huán)排量 3 000 L/min

卸扣力矩 98 kN·m

上扣力矩 65 kN·m

旋扣力矩 10.8 kN·m

旋扣轉(zhuǎn)速 2.5～40 r/min

平衡上頂力 600 kN

開口直徑 228.6 mm(9英寸)

接卸單根(或立柱)時(shí)間 15～20 min

2 關(guān)鍵技術(shù)

1) 可靠夾持鉆桿本體的大轉(zhuǎn)矩動(dòng)力鉗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。與常規(guī)動(dòng)力鉗[7]上卸扣操作不同，連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)動(dòng)力鉗夾持的是鉆桿本體，必須嚴(yán)格控制對(duì)鉆桿的夾持力[8]。動(dòng)力鉗既要提供足夠的上卸扣轉(zhuǎn)矩，又不能傷害鉆桿本體。

2) 接入或移除鉆桿(或立柱)時(shí)鉆桿接頭的準(zhǔn)確定位與對(duì)扣技術(shù)。鉆桿和鉆柱接頭螺紋的對(duì)接和旋扣是在密閉腔室內(nèi)進(jìn)行的，操作人員無法觀察。

3) 鉆桿接頭螺紋的防護(hù)技術(shù)。在密閉高壓腔室內(nèi)進(jìn)行上卸扣操作時(shí)，腔室內(nèi)的高壓鉆井液對(duì)鉆桿接頭螺紋有作用力，若控制不當(dāng)，極易造成鉆桿接頭螺紋損傷。

4) 腔體總成上半封閘板的高壓旋轉(zhuǎn)密封技術(shù)。腔體總成上半封閘板與鉆桿之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向運(yùn)動(dòng)，閘板與鉆桿間的旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

3 CCS主機(jī)研制

3.1 支架總成

支架總成用于支撐及連接腔體總成及動(dòng)力鉗等部件，如圖3所示。通過旋轉(zhuǎn)其上的調(diào)節(jié)螺桿，可微量調(diào)節(jié)支架總成的總體高度，并可調(diào)整主機(jī)的軸線與井口軸線一致。其橫梁上連接的2條平行承載梁用于支撐專用動(dòng)力卡瓦，以承擔(dān)底部鉆柱的重力；支架總成的上下連接板之間用于容納及連接腔體總成；支架總成上的4個(gè)平衡油缸可使動(dòng)力鉗沿主機(jī)軸線平穩(wěn)上下移動(dòng)，或處于浮動(dòng)狀態(tài)，配合動(dòng)力鉗完成鉆桿接頭的準(zhǔn)確對(duì)扣，以便在接、卸鉆桿時(shí)控制鉆桿順利旋入接箍，或?qū)@桿從鉆柱中旋出，有利于在動(dòng)力鉗上卸扣時(shí)保護(hù)鉆桿接頭螺紋，同時(shí)還可平衡高壓密閉腔體內(nèi)鉆井液對(duì)鉆桿接頭螺紋的上頂力影響。在設(shè)計(jì)支架總成時(shí)，必須通過有限元分析計(jì)算，確保其整體強(qiáng)度、剛度，保障整套CCS主機(jī)的安全及穩(wěn)定性。

1—底座；2—調(diào)節(jié)螺桿；3—橫梁；4—承載梁； 5—下連接板；6—支柱；7—上連接板；8—平衡油缸。

3.2 腔體總成

腔體總成由上部單閘板防噴器和下部三閘板防噴器組成[9]，上部單閘板防噴器為半封閘板，除了承受腔體內(nèi)的鉆井液壓力外，還要承受因鉆桿旋轉(zhuǎn)和上下移動(dòng)而產(chǎn)生的額外載荷。三閘板防噴器從上往下依次為全封閘板、背鉗閘板和半封閘板。因下部半封閘板受到的是來自腔體內(nèi)部的壓力，而不是通常的下部壓力，故下部半封閘板是倒置的。當(dāng)關(guān)閉上、下半封閘板時(shí)，腔體總成內(nèi)部就形成密閉壓力腔。當(dāng)中間全封閘板閉合時(shí)，密閉腔就被分隔為上、下兩個(gè)腔室。工作時(shí)，分流裝置控制上、下旁通閥的導(dǎo)通與阻斷，通過這2個(gè)密閉腔室的隔離或連通來實(shí)現(xiàn)鉆井液流道的切換，從而完成接單根(或立柱)及起下鉆時(shí)鉆井液的不間斷循環(huán)。上卸扣操作時(shí)，利用連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)配備的光電傳感器和電控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鉆桿接頭的精確定位，確保頂驅(qū)把鉆柱最上部母接頭準(zhǔn)確送入腔體總成的背鉗閘板處并卡緊。動(dòng)力鉗與4個(gè)平衡油缸配合，夾緊鉆桿并帶動(dòng)鉆桿沿CCS主機(jī)軸線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆桿接頭與腔體總成內(nèi)的鉆柱接頭軸線對(duì)中，然后完成對(duì)扣、旋扣及上卸扣。上卸扣操作時(shí)背鉗閘板夾緊鉆柱接頭的同時(shí)，還要承受上卸扣操作時(shí)的反轉(zhuǎn)矩。

3.3 鉆桿導(dǎo)引機(jī)構(gòu)

鉆桿導(dǎo)引機(jī)構(gòu)通過其上的連接底座連接于動(dòng)力鉗的起升蓋上，由連接底座、支撐油缸、回轉(zhuǎn)臂和導(dǎo)引器等組成，如圖4所示。導(dǎo)引器鉸接在回轉(zhuǎn)臂外端；支撐油缸的活塞桿伸出時(shí)，驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)臂帶動(dòng)導(dǎo)引器升起，接入或移出鉆桿時(shí)可快速引導(dǎo)鉆桿與CCS主機(jī)的主軸心對(duì)中，提高接卸鉆桿的速度和效率。導(dǎo)引器上有喇叭口結(jié)構(gòu)，便于鉆桿快速進(jìn)入導(dǎo)引器內(nèi)。

1—連接底座；2—支撐油缸；3—回轉(zhuǎn)臂；4—導(dǎo)引器。

3.4 動(dòng)力鉗

動(dòng)力鉗的總體結(jié)構(gòu)[10]主要由底座、卡緊機(jī)構(gòu)、旋扣機(jī)構(gòu)和上卸扣機(jī)構(gòu)4個(gè)功能部分組成，如圖5所示。動(dòng)力鉗用于在連續(xù)循環(huán)鉆井接單根(或立柱)及起下鉆過程中，卡緊鉆桿并帶動(dòng)鉆桿旋扣，在密閉腔室內(nèi)帶壓完成旋扣、上扣、卸扣等操作。具體地說就是用夾緊機(jī)構(gòu)夾緊鉆桿后，根據(jù)需要調(diào)整旋扣轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)鉆桿回轉(zhuǎn)并旋扣，再根據(jù)鉆桿規(guī)格調(diào)整上卸扣轉(zhuǎn)矩，實(shí)施上卸扣操作。

底座總成是動(dòng)力鉗關(guān)鍵的支撐部件，除了承受動(dòng)力鉗各部件的重力外，還必須承受卡緊鉆桿、上卸扣等操作時(shí)的反力，因此底座總成應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

1—底座總成；2—卡緊機(jī)構(gòu)；3—上卸扣機(jī)構(gòu)；4—旋扣機(jī)構(gòu)。

卡緊機(jī)構(gòu)包括起升蓋、卡緊油缸、卡緊套筒、卡緊連桿、卡瓦等，如圖6所示?？ňo機(jī)構(gòu)的功能是夾持鉆桿。同步啟動(dòng)2個(gè)卡緊油缸，下拉起升蓋和卡緊套筒，通過3個(gè)卡緊連桿，推動(dòng)三瓣卡瓦同步向鉆桿中心合攏，從而卡緊鉆桿；反之，啟動(dòng)2個(gè)卡緊油缸上提起升蓋和卡緊套筒，通過3個(gè)連桿拉動(dòng)三瓣卡瓦與鉆桿脫離。

1—起升蓋；2—卡緊油缸；3—上軸承； 4—卡緊套筒；5—卡緊連桿；6—卡瓦。

動(dòng)力鉗的旋扣功能由旋扣機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，主要包括液馬達(dá)、旋扣齒輪、中心大齒輪、回轉(zhuǎn)筒等，如圖7所示。4個(gè)液馬達(dá)驅(qū)動(dòng)旋扣齒輪，帶動(dòng)中心大齒輪及回轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)卡瓦和鉆桿也隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆桿的旋扣操作，通過調(diào)節(jié)液馬達(dá)的液壓力和流量便可調(diào)節(jié)旋扣轉(zhuǎn)矩和旋扣速度。

上卸扣機(jī)構(gòu)主要由定位油缸、齒爪滑軌、齒爪和上卸扣油缸組成，如圖8所示。上卸扣操作時(shí)，定位油缸活塞桿伸出，使齒爪與中心大齒輪嚙合就位，上卸扣油缸通過推動(dòng)或拉動(dòng)齒爪，驅(qū)動(dòng)中心大齒輪和回轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)卡瓦和鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上扣或卸扣操作。兩套上卸扣機(jī)構(gòu)反向?qū)ΨQ布置，同步為鉆桿上卸扣提供足夠的轉(zhuǎn)矩。

1—液馬達(dá)；2—旋扣齒輪；3—中心大齒輪； 4—回轉(zhuǎn)筒；5—中軸承；6—下軸承。

1—定位油缸；2—齒爪滑軌；3—齒爪； 4—上卸扣油缸；5—中心齒輪。

3.5 專用動(dòng)力卡瓦

專用動(dòng)力卡瓦為特制的氣動(dòng)卡瓦，主要是由氣控系統(tǒng)、階梯卡瓦座、卡瓦體、氣缸、導(dǎo)向套、導(dǎo)向桿、懸掛盤、刮泥板、保持架、耐磨環(huán)、連桿等組成，如圖9所示。其功能為連續(xù)循環(huán)接單根(或立柱)及起下鉆作業(yè)時(shí)自動(dòng)卡持鉆桿和自動(dòng)進(jìn)行鉆桿刮泥。專用動(dòng)力卡瓦的卡瓦座下端安裝在鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤的補(bǔ)心內(nèi)，卡瓦座上部的外延平板坐在支架總成的承載梁上，外延平板下方的方形柱面剛好卡在支架總成承載梁的內(nèi)側(cè)面，從而將專用動(dòng)力卡瓦與支架總成連接為一體，通過專用動(dòng)力卡瓦使CCS主機(jī)能夠穩(wěn)定地坐立于轉(zhuǎn)盤上。連續(xù)循環(huán)鉆井時(shí)專用動(dòng)力卡瓦夾持鉆柱并承受鉆柱的重力；利用卡瓦座承受鉆井液上頂力，消除因上頂力引起的主機(jī)和專用動(dòng)力卡瓦對(duì)鉆柱夾持能力的不利影響，從而避免因上頂力引起的卡瓦打滑或鉆柱下滑的現(xiàn)象，提高了上卸扣操作的安全可靠性；起鉆時(shí)，刮泥板抱住鉆桿，并隨鉆桿的擺動(dòng)而在環(huán)形浮動(dòng)槽內(nèi)浮動(dòng)，進(jìn)行鉆桿的自動(dòng)刮泥作業(yè)。

1—耐磨環(huán)；2—卡瓦座；3—卡瓦體；4—導(dǎo)向套；5—導(dǎo)向桿；6—保持架；7—刮泥板；8—懸掛盤；9—連桿；10—?dú)飧住?/p>

3.6 上、下旁通閥

上、下旁通閥為常規(guī)的鉆井液平型閘板閥。上、下腔旁通閥通過鉆井液管線分別與腔體總成的上、下旁通口連接，上旁通閥和下旁通閥分別起到卸壓和分流鉆井液的作用。

4 結(jié)語

CCS主機(jī)經(jīng)多次室內(nèi)功能試驗(yàn)及試驗(yàn)井連續(xù)循環(huán)接單根和起下鉆試驗(yàn)，并經(jīng)數(shù)次結(jié)構(gòu)改進(jìn)，滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

1) 技術(shù)先進(jìn)，集機(jī)、電、液技術(shù)于一體。

2) 研制了高壓旋轉(zhuǎn)密封閘板，解決了高壓旋轉(zhuǎn)密封的難題。

3) 在試驗(yàn)井成功進(jìn)行了清水、鉆井液和空氣介質(zhì)的連續(xù)循環(huán)試驗(yàn)，具備清水、鉆井液及氣體介質(zhì)連續(xù)循環(huán)的能力。

4) 動(dòng)力鉗卡瓦對(duì)鉆桿有效夾持面積大且均勻，不傷害鉆桿本體，功能參數(shù)可調(diào)。

5) 通過控制平衡補(bǔ)償油缸，平衡高壓鉆井液的上頂力，改善了鉆桿接頭螺紋嚙合面的受力狀態(tài)，有效減小自動(dòng)上卸扣過程中鉆井液上頂力對(duì)鉆桿接頭螺紋的損傷。

6) 利用光電傳感器和電控制技術(shù)，解決了高壓密閉腔室內(nèi)鉆桿接頭精確定位的技術(shù)難題，能夠準(zhǔn)確判斷公、母接頭的相對(duì)位置，確保腔室內(nèi)背鉗閘板能夠準(zhǔn)確夾持鉆柱母接頭，以便及時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，確保鉆桿接頭順利對(duì)扣及上卸扣。

7) 目前CCS主機(jī)還存在一些不足，例如需配備頂驅(qū)方能實(shí)現(xiàn)連續(xù)循環(huán)接單根、起下鉆操作；占用井口空間較大；接卸單根操作時(shí)間較長(需15～23 min)等。

[1] AYLING L J，JENNER J W，ELKINS H.Continuous circulation drilling[R].OTC 14269，2002.

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

[3] 馬青芳.不間斷循環(huán)鉆井系統(tǒng)[J].石油機(jī)械，2008，36(9)：210-212.

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

[5] 胡志堅(jiān).連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)的發(fā)展與研究[J].石油鉆采工藝，2011，33(1)：1-6.

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

[7] 張勇，劉清友，陳小偉.新型輕便式鐵鉆工的研制[J].石油礦場機(jī)械，2007，36(9)：73-75.

[8] 王錫洲.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].石油礦場機(jī)械，2009，38(10)：35-39.

[9] 李俊.連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)防噴器組的研制[J].石油鉆采工藝，2014，36(1)：37-43.

[10] 肖建秋，馬青芳，胡志堅(jiān).連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)動(dòng)力鉗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].石油機(jī)械，2016，44(1)：1-4.

Structural Design of Continuous Circulation Drilling System Main Unit

XIAO Jiqnqiu，MA Qingfang，HU Zhijian，PENG Song

(DrillingResearchInstitute，CNPC，Beijing102200，China)

Continuous circulation drilling technique could maintain the continuous circulation of drilling fluid during pipe (or stand) connection and tripping，allowing a stable equivalent circulating density and uninterrupted cuttings removal，improving the safety of drilling in problematic formation.The key component of the continuous circulation drilling system-the continuous circulation drilling system main unit has been described and it’s technical difficulties has been analyzed.The working principle，structure analysis，and mechanical property of each component have been introduced as a reference for further researches.

continuous circulation drilling；CCS main unit；structure analysis

2016-10-10 基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)“窄密度窗口安全鉆井技術(shù)與配套裝配”(2011ZX05021-003) 作者簡介：肖建秋(1969-)，女，河北豐寧人，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)主要從事鉆井機(jī)械設(shè)計(jì)工作，E-mail：xiaojqdri@cnpc.com.cn。

1001-3482(2017)02-0050-05

TE928

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.011