不停泵循環鉆修井技術研究

馬龍 解會軍 閆國棟

摘要：連續循環系統?（CCS）在國外已經發展了多年，在國內還很少使用，即使使用也要從國外公司高價租賃。通過我們開展的項目研究，可以研制自主知識產權的不停泵循環鉆井系統，完成鉆井工藝的進步和發展。本文對連續循環系統的組成和工作原理進行了論述?，并分析了連續循環鉆修井的優點與應用領域?，著重介紹了連續循環系統的設計理念與建造要求，特別是關鍵部件的設計氣液循環站和循環短節。

關鍵詞：?鉆修井;?連續循環;?氣液循環站;循環短節;?結構設計

1.不停泵循環鉆井系統概述

不停泵循環鉆井系統，在國際上稱為連續循環鉆井系統（CCS），其開發的背景是隨著世界石油資源的不斷開發，各石油公司嘗試開發復雜的油氣藏，其中有些地層孔隙壓力和地層破裂壓力梯度的窗口相當窄，常規的鉆進方式變得異常困難。在常規鉆井過程中，會產生井眼不穩定、井壁坍塌、卡鉆、地層裂縫以及泥漿漏失等問題，嚴重時會造成巨大的經濟損失，甚至是人員傷亡。而利用不停泵循環作業系統沖砂的優勢明顯：

（1）不停泵循環系統的應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空中運移形成的卡鉆事故。

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

（3）消除了為接單根停止和開始循環時的壓力的波動，利于保持井眼壓力穩定，大大降低了循環漏失、地層破裂、井涌、壓差卡鉆的風險。

2.不停泵循環技術發展

2005年6月初在埃及某海上油田進行了第一次商業應用，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″）套管后暫時關閉，利用不間斷循環鉆井系統，接單根500次，完鉆井深超過5000m。現場應用結果表明，該裝備能節省鉆井時間，降低復雜井的事故發生率。

在連續循環系統成功實現首次商業化應用后，從2006年開始進入CCS的油田開發階段（CCS?Field?Development?Phase），主要由Statoil公司利用CCS?Mark2在北海油田進行鉆井作業，共成功鉆成10多口井，作業625天，完成接鉆桿1122次，平均上卸扣操作時間14min。現場應用表明，CCS系統可靠性高，可顯著降低鉆井非生產作業時間（NPT），提高鉆井效率。經過近十年的發展，連續循環系統已開始初步進入推廣應用階段

3.系統組成及原理

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

工作原理：采用頂驅鉆機時，通過CCS主體單元、頂驅連接工具和鉆井液分流管匯配合實現連續循環，接單根時，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，鉆井流體在循環壓力作用下進入主體內，平衡鉆柱內外壓力。卸扣上提鉆桿，關閉全封閘板，上部卸壓后將公扣連接部分提出接箍體，此時鉆井流體通過主體單元下部不間斷循環進入鉆柱中。連接在頂驅上的新的單根進入主體上部，閘板密封鉆桿周圍，循環系統注入鉆井液恢復上部壓力。當上下兩部分壓力平衡時，打開全封閘板，新的單根下放，通過鉆桿內不間斷循環接單根。主體內壓力釋放，密封打開，移開接箍，鉆井再次開始，整個過程循環不間斷。

4.國產化設計

為了促進國內鉆井技術盡快向高新技術發展，縮短國內外鉆井技術的差距，優化油田的勘探與開發，降低油田勘探開發成本和保護油氣藏，開展連續循環系統的研究勢在必行。通過我們開展的這個項目研究，可以研制自主知識產權的不停泵循環鉆井系統，完成鉆井工藝的進步和發展。

我們設計的不停泵鉆井循環系統主要包括兩部分，氣液循環站和循環短節。氣液循環站是將低壓氣體壓力轉換為高壓液體壓力，從而控制流程閥門開關的橇裝化裝置。這種設計避免了動力電源的危險性，同時提高了高壓閥門的控制扭矩。整體設計方案，簡介緊湊，操作簡單可靠。第二部分是循環短節，每個循環短節內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，從而構成循環。球閥處于關閉狀態下就可以堵住鉆桿內的壓力，以便卸掉頂驅連接。每個新的立柱的上端接有該循環短節，其中球閥處于開啟狀態，讓液流可通過頂驅往下循環。

4.1不停泵循環鉆井系統總體要求

（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工字鋼焊接結構。吊裝點選擇平衡重心，為方便設備工作，吊裝架采用可拆裝結構，吊點1點。

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

（4）液壓系統分為動力液壓系統和檢測液壓系統，動力系統主要包括：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個液壓執行器。監控液壓系統的壓力表等。

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

（6）循環短節及旁通：循環短節內部包含球閥。旁通閥開關采用手動或液動二種方式。

4.2氣液循環站設計原理簡述

不停泵鉆井循環系統主要包括兩部分。一部分是循環管匯控制轉換系統，即氣液循環站。氣液循環站是將低壓氣體壓力轉換為高壓液體壓力，從而控制流程閥門開關的橇裝化裝置。氣液循環站的主要部分設計包括：

（1）液壓系統（泥漿配送）;

（2）氣控系統。

工作流程如下圖

4.3?工作流程描述：

（1）上端帶有循環短節A的立柱A下鉆完成時，球閥處于開啟狀態，坐上卡瓦;

（2）將連接頭連接在旁通閥上;

（3）在循環管匯控制轉換系統中打開閥1，同時保持閥5處于開啟狀態，此時部分液流通過頂驅，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，關閉循環短節中的球閥;

（5）關閉閥5，此時沒有液流經過頂驅/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，然后關上閥6;

（7）從立柱A上卸掉頂驅，用頂驅將帶有循環短節B的立柱B提起;

（8）將立柱B的下端與循環短節A連接;

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

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

（11）關掉閥1，此時沒有液流流經管匯軟管通過循環短節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軟管中不再有壓力;

（13）卸掉連接頭，把循環短節A上的旁通閥換上保護帽;

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

4.4氣液循環站控制系統

控制系統工作流程：

（1）動力系統中，氣源驅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，控制動力系統的氣控多路換向閥;

（3）蓄能器中高壓液壓油通過換向閥驅動不同的液壓執行器;

（4）閥門開關指示器可以顯示液壓執行器的開關狀態;

（5）液壓執行器驅動主控閥門打開;

（6）控制面板中的液壓表可以顯示主控閥門的壓力值，從而監控整個系統的壓力狀態，實現各種動作。

4.5液壓系統設計原理圖

4.6氣控系統設計原理圖

4.7氣液循環站成撬要求

（1）根據選型結果將設備成撬在一個撬座上，預留標準接口形式;

（2）撬裝設計滿足海上吊裝要求，并預留足夠的維修空間;

（3）撬安裝可拆卸防護欄，避免吊裝時磕碰;

（4）撬架配備四肢索具一套，并出具吊點、索具的CCS船檢證書;

（5）所有選型設備須具有合格證和防爆證書。

4.8連續循環短節設計

連續循環短節實現了接卸單根過程中不停泵，保證鉆井液的連續循環的關鍵設備。

連續循環鉆井技術，是指在鉆井過程中，起下鉆接卸單根時，可以不停泵而保持井眼處于連續循環狀態的技術。該技術可有效克服因開/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。實現連續循環鉆井技術主要采用連續循環鉆井系統和連續循環短節技術。

原有的短節結構由上接頭與下接頭絲扣連接，下接頭側面開有快速接口，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行密封，下閥座與下接頭、閥體之間均通過密封圈進行密封。可以實現了接卸單根過程中不停泵，保證鉆井液的連續循環，克服了現有技術在接卸單根過程中需要停泵、停止循環鉆井液的不足。而本循環短節的設計采用彈簧復位閥芯方式，與閥座進行密封。

5.結論及認識

本文通過調研國內外不停泵循環鉆井系統的技術原理及發展資料，結合鉆井特點，研制旁通閥、循環短節、鉆井液分流循環閥、研制撬裝式氣液循環系統，為復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鉆修井系統的配套工藝裝備技術，包括：

（1）不停泵循環鉆井系統整體布局設計，能夠滿足海上鉆修井需要;

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

（3）描述了不停泵循環鉆井系統的循環短節設計參數及關鍵結構;

（4）本文介紹的氣液循環站適用范圍廣，系統設計特點優點明顯。采用氣液增壓泵控制，循環管匯控制轉換系統不使用電源。防爆等級高，危險系數低;液控系統采用蓄能器技術，快速實現閥門開關，減小用氣量;布局結構增設彈簧減震平衡系統。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，可以實現手動或液壓控制，可以持續穩定提供等壓鉆井液。

（5）實體完成后，進行了性能驗證試驗，包括打壓試驗（42MPa），開關功能試驗，泄漏量測試試驗等，均符合設計目標要求。

通過我們這個項目的開展，我們掌握了不停泵循環鉆井工藝設備的建造技術，為今后不停泵循環鉆井技術工藝的應用和推廣創造了技術條件。

參考文獻：

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