鉆井液連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)及自動(dòng)化裝備設(shè)計(jì)

秦如雷，王林清，陳浩文，和國(guó)磊，許本沖

（1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州），廣東 廣州511458）

0 引言

傳統(tǒng)的鉆井工藝中，在接卸單根時(shí)，需停泵中止孔內(nèi)鉆井液循環(huán)。但鉆井液循環(huán)中止會(huì)導(dǎo)致井內(nèi)巖屑停止上返，若沉渣下落不均勻集中在井內(nèi)某點(diǎn)，會(huì)形成“架橋”效應(yīng)，對(duì)于深井、超深井以及大位移井等特殊工藝井，由于井孔拐點(diǎn)眾多，摩阻力增加尤其明顯，卡鉆事故出現(xiàn)的概率也大幅增加［1-3］。而在單根接卸完畢開(kāi)泵循環(huán)后，由于鉆井液“激動(dòng)”壓力的影響，孔底壓力會(huì)快速升高，鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度（Equivalent Circulating Density of Drilling Fluid，簡(jiǎn)稱(chēng)ECD）也會(huì)迅速變化，而這對(duì)于窄密度窗口井來(lái)說(shuō)，往往意味著孔底事故的發(fā)生。

為避免拆裝鉆桿過(guò)程中孔底事故的發(fā)生，保證鉆井液循環(huán)的連續(xù)性，連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)（Continuous Circulation Drilling Technology），是利用連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（Continuous Circulation System，簡(jiǎn)稱(chēng)CCS）或連續(xù)循環(huán)接頭（Continuous Circulation Joint，簡(jiǎn)稱(chēng)CCJ）及鉆井液配液分流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在接卸鉆桿過(guò)程中，改變鉆井液傳統(tǒng)流動(dòng)通道，通過(guò)旁路不停泵、無(wú)間斷地向井內(nèi)注入鉆井液，保持井內(nèi)鉆井液的循環(huán)狀態(tài)，持續(xù)不斷地清理孔內(nèi)碎屑沉渣；在接卸完鉆桿后，調(diào)整鉆井液分配機(jī)構(gòu)，引導(dǎo)鉆井液重新通過(guò)原通道循環(huán)［4-8］。這樣使得鉆進(jìn)過(guò)程不會(huì)因?yàn)橥蝗黄鹜１脤?dǎo)致鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）的大幅度變化，保持巖屑上返的持續(xù)性，最大程度地減小孔內(nèi)事故發(fā)生的概率。

連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)早在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)被設(shè)想開(kāi)發(fā)，但該技術(shù)研究一直缺少本質(zhì)上的突破。最初由Maris國(guó)際公司管理的聯(lián)合工業(yè)項(xiàng)目組進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究［9-11］，進(jìn)入21世紀(jì)之后，美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等為了推動(dòng)鉆井技術(shù)的發(fā)展，提高在井眼不穩(wěn)定、井壁坍塌、卡鉆、地層裂縫以及鉆井液漏失等地層鉆井作業(yè)的成功率和安全性，解決復(fù)雜地層的鉆井問(wèn)題，啟動(dòng)了一系列前瞻性鉆井新技術(shù)的研究和新裝備的研制，其中連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)及裝備的研制被重新提出［12-13］。

1 技術(shù)實(shí)現(xiàn)形式

目前連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)主要通過(guò)連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)和連續(xù)循環(huán)接頭2種形式實(shí)現(xiàn)。

1.1 連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS）

目前國(guó)際上較為流行的是美國(guó)NOV開(kāi)發(fā)的連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS）［14-15］，該系統(tǒng)由三重閘板分隔單元和旁路管匯組成。通過(guò)不同的分隔單元將鉆桿接頭分隔，引導(dǎo)鉆井液從頂驅(qū)通道通過(guò)旁路管匯進(jìn)入鉆孔內(nèi)，使拆卸、接裝鉆桿時(shí)能夠避開(kāi)原鉆桿中心通道，實(shí)現(xiàn)連續(xù)循環(huán)（見(jiàn)圖1）。該系統(tǒng)集電控、液壓、機(jī)械于一體，自動(dòng)化程度高，人工介入程度低，最大限度保證鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）保持穩(wěn)定，適用于頂驅(qū)鉆機(jī)。該系統(tǒng)相繼在美國(guó)和意大利的陸地油田以及埃及的海上油田進(jìn)行了百余次試驗(yàn)，均獲得成功，平均接單根時(shí)間控制在20 min以?xún)?nèi)，鉆井液持續(xù)循環(huán)，最大鉆井深度突破了5000 m。

圖1 連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS）示意Fig.1 Schematic diagram of the CCSsystem

不同地區(qū)、不同環(huán)境、不同平臺(tái)的多次成功試驗(yàn)案例，證明了連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS）的可行性，亦令其完全進(jìn)入商業(yè)化推廣階段。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)各大石油公司已租用的NOV公司的連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS）10余臺(tái)套，其成本高達(dá)千萬(wàn)美元［16］。

1.2 連續(xù)循環(huán)接頭（CCJ）

連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS）整體成本高，操作復(fù)雜，價(jià)格昂貴。中小鉆井公司無(wú)法承受，中小工程并無(wú)使用的必要。但鉆井行業(yè)對(duì)連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)的需求還在，所以除連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS）外，國(guó)內(nèi)外鉆探科研機(jī)構(gòu)目前正致力于研發(fā)一種連續(xù)循環(huán)接頭（CCJ）［16-17］。該接頭主要由連續(xù)循環(huán)閥體（球閥或板閥）、通路切換引導(dǎo)裝置（旋塞）和殼體3部分組成（見(jiàn)圖2）。該接頭核心部件是內(nèi)置于中心的連續(xù)循環(huán)閥體，在鉆進(jìn)過(guò)程中通過(guò)操作通路切換引導(dǎo)裝置（旋塞），使得連續(xù)循環(huán)閥開(kāi)啟或者關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)鉆井液通路在原中心通道和旁路的轉(zhuǎn)換。

圖2 連續(xù)循環(huán)接頭(CCJ)示意Fig.2 Schematic diagram of CCJ

此裝置具有操作簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)輕便的特性，制造成本低，價(jià)格遠(yuǎn)低于連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS），適用于低成本鉆井平臺(tái)。但其缺乏自動(dòng)化控制元件，使用時(shí)需人工操作旋塞、人工安裝旁通泥漿管線等。此外，在惡劣鉆井環(huán)境和深井、超深井以及水平井等特殊工藝井的應(yīng)用中，由于此類(lèi)鉆井本身對(duì)鉆井液要求極高，鉆井液具有高鹽、高堿或強(qiáng)腐蝕性等特點(diǎn)，對(duì)接頭核心部件連續(xù)循環(huán)閥的破壞性比較強(qiáng)。故其使用時(shí)對(duì)閥體的強(qiáng)度提出了比較高的要求，對(duì)鉆井人員的安全也有一定的威脅。

2 連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及不足

國(guó)內(nèi)鉆井行業(yè)對(duì)鉆井液連續(xù)循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用起步也比較早，但研究創(chuàng)新方面滯后于歐美石油公司。目前在國(guó)內(nèi)深水鉆井、大位移井、窄密度窗口井、壓力敏感井等工程領(lǐng)域，連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用，并且都收到了不錯(cuò)的使用效果，但實(shí)際應(yīng)用的大多是租用的進(jìn)口設(shè)備，如NOV。

我國(guó)對(duì)于連續(xù)循環(huán)技術(shù)的研究尚處于起步階段，出于我國(guó)鉆井行業(yè)現(xiàn)狀以及實(shí)際運(yùn)營(yíng)成本的考慮，在自主研發(fā)的連續(xù)循環(huán)技術(shù)中，各大石油公司及科研院所多集中于連續(xù)循環(huán)接頭（CCJ）及其配套設(shè)備的研制開(kāi)發(fā)。連續(xù)循環(huán)接頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便，使用成本低。但對(duì)于連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)類(lèi)的裝備研發(fā)進(jìn)展一直未見(jiàn)有公開(kāi)資料，這也決定了產(chǎn)品的使用局限性和我國(guó)自主開(kāi)發(fā)連續(xù)循環(huán)技術(shù)的滯后性。

3 自動(dòng)化連續(xù)循環(huán)井口裝備的研制

為實(shí)現(xiàn)鉆井液連續(xù)循環(huán)的自動(dòng)化，連續(xù)循環(huán)井口裝備不可或缺。因此，在國(guó)外已有的連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種融入液壓背鉗、可傳扭氣動(dòng)卡瓦等井口工具的自動(dòng)化連續(xù)循環(huán)井口裝備。

3.1 設(shè)備組成

筆者研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的鉆井液連續(xù)循環(huán)井口設(shè)備（見(jiàn)圖3），主要由背鉗、自動(dòng)鉆井液切換系統(tǒng)和傳扭動(dòng)力卡瓦3部分組成。背鉗安裝在自動(dòng)鉆井液切換系統(tǒng)上方，用于在起下鉆過(guò)程中夾持上卸扣鉆具；自動(dòng)鉆井液切換系統(tǒng)設(shè)有半封閘板防噴器、全封閘板防噴器和鉆井液旁通管路。封閘板防噴器數(shù)量為2組，其中一組布置在全封閘板防噴器上方，另一組布置在全封閘板防噴器下方。全封閘板防噴器與上下兩組半封閘板防噴器以串聯(lián)方式裝配，與上下兩組半封閘板防噴器的內(nèi)腔形成軸向貫通的鉆桿通道，鉆井液旁通管路布置在全封閘板防噴器與下面一組半封閘板防噴器之間，其出液口與鉆桿通道連通；傳扭動(dòng)力卡瓦布置在自動(dòng)鉆井液切換系統(tǒng)下方，用于在起下鉆過(guò)程中卡住下部鉆桿，并為鉆桿擰卸扣提供反扭矩。

3.2 自動(dòng)化連續(xù)循環(huán)井口裝備工作原理

該設(shè)備使用時(shí)布置在井架平臺(tái)的井口上方，其在ECD敏感地層起鉆拆卸鉆桿的工作原理為：鉆井設(shè)備正常鉆進(jìn)時(shí)，背鉗、全封閘板防噴器、上下兩組半封閘板防噴器及傳扭動(dòng)力卡瓦均處于打開(kāi)狀態(tài)，鉆井液旁通管路上閥門(mén)關(guān)閉，鉆井液由頂驅(qū)泵入鉆桿進(jìn)行循環(huán)（見(jiàn)圖4a）。在遇到ECD敏感地層起鉆過(guò)程中，當(dāng)上、下鉆桿單根接頭處于下部半封閘板防噴器與全封閘板防噴器之間的位置時(shí)，通過(guò)傳扭動(dòng)力卡瓦卡住下部鉆桿，此時(shí)全封閘板防噴器處于打開(kāi)狀態(tài)，上下兩組半封閘板防噴器處于閉合狀態(tài)，鉆井液旁通管路上閥門(mén)關(guān)閉，鉆井液仍由頂驅(qū)泵入鉆桿進(jìn)行循環(huán)；然后頂驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)卸開(kāi)上、下鉆桿單根接頭，此時(shí)鉆井液繼續(xù)由頂驅(qū)泵入鉆桿，同時(shí)鉆井液旁通管路上閥門(mén)打開(kāi)，由鉆井液旁通管路泵入鉆井液（見(jiàn)圖4b）；待上、下鉆桿單根接頭卸開(kāi)后，停止由頂驅(qū)泵入鉆井液，頂驅(qū)帶動(dòng)上部鉆桿接頭進(jìn)入全封閘板防噴器與其上方半封閘板防噴器之間的位置，此時(shí)全封閘板防噴器關(guān)閉，全封閘板防噴器與其下方半封閘板防噴器之間的鉆桿通道形成密閉空腔，鉆井液旁通管路向密閉空腔中泵入的鉆井液進(jìn)入下部鉆桿，再由下部鉆桿進(jìn)入鉆井液循環(huán)系統(tǒng)（見(jiàn)圖4c）；然后，全封閘板防噴器上方的半封閘板防噴器打開(kāi)，再由背鉗夾持上部鉆桿進(jìn)行松扣作業(yè)，鉆井液旁通管路繼續(xù)向密閉空腔中泵入的鉆井液由下部鉆桿進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)（見(jiàn)圖4d）。本設(shè)備下鉆接裝鉆桿工作原理相同，工序相反。

本設(shè)備通過(guò)背鉗、自動(dòng)鉆井液切換系統(tǒng)和傳扭動(dòng)力卡瓦配合，實(shí)現(xiàn)了鉆井中拆卸、接裝單根時(shí)鉆井液不間斷循環(huán)，有效地避免了因鉆井液靜置、沉砂過(guò)多導(dǎo)致的卡鉆問(wèn)題。

本設(shè)備的自動(dòng)鉆井液切換系統(tǒng)內(nèi)部配置有若干個(gè)位置傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆桿的位置，以便精準(zhǔn)開(kāi)合閘板。上述所有操作均通過(guò)遙控完成，無(wú)需人工靠近井口，極大地提高了安全性。

圖3 鉆井液連續(xù)循環(huán)井口設(shè)備Fig.3 Wellhead for drilling fluid continuous cir culation

圖4 拆卸鉆桿時(shí)鉆井液連續(xù)循環(huán)工作原理Fig.4 Wor king principle of continuous circulation of drilling fluid when dismantling dr ill pipe

4 結(jié)論

（1）連續(xù)循環(huán)技術(shù)安全可靠，在鉆進(jìn)過(guò)程中拆卸、安裝單根鉆桿時(shí)，可實(shí)現(xiàn)鉆井液不間斷循環(huán)，從而使得鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）保持穩(wěn)定，保證鉆井的安全性和順利性。在國(guó)內(nèi)外深井、超深井、大位移井等特殊工藝井均已獲得廣泛應(yīng)用，值得推廣和進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)。

（2）目前連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)有連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS）和連續(xù)循環(huán)接頭（CCJ）2種技術(shù)形式。連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS）集電控、液壓、機(jī)械于一體，自動(dòng)化程度高，人工介入程度低，最大限度地保證鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度保持穩(wěn)定，實(shí)用性和可靠性有保障，多次不同環(huán)境試驗(yàn)均有理想效果，已獲得商業(yè)化推廣。但其成本高昂，操作復(fù)雜，目前適用于大型石油公司和復(fù)雜鉆井工程。

連續(xù)循環(huán)接頭（CCJ）具有操作簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)輕便的特點(diǎn)，制造成本低，適用于低成本鉆井平臺(tái)。但其缺乏自動(dòng)化控制元件，使用時(shí)需人工介入和額外附加操作工序，具有一定的安全隱患。

（3）自動(dòng)化鉆井液不間斷循環(huán)井口設(shè)備，通過(guò)背鉗、自動(dòng)鉆井液切換系統(tǒng)和傳扭動(dòng)力卡瓦的配合，可實(shí)現(xiàn)鉆井中拆卸、接裝單根時(shí)鉆井液不間斷循環(huán)。通過(guò)機(jī)電液一體化的設(shè)計(jì)，使得設(shè)備可遠(yuǎn)程操控，有效保證了井口人員的安全。