氣體鉆井專用連續循環系統的研制

竇金永

（大慶鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413）

氣體鉆井專用連續循環系統的研制

竇金永

（大慶鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413）

針對氣體鉆井特點，研發了一套專用于氣體鉆井的連續循環系統。該系統結構合理，功能完善，能夠滿足氣體鉆井的實際需要。闡述了研制該裝備的關鍵技術，以期為國內連續循環系統的研發和完善提供新思路，具有一定的參考和指導意義。

氣體鉆井；連續循環系統；關鍵技術

在常規氣體鉆井過程中，鉆桿上卸扣時由于氣體循環通道中斷，被迫停止氣體的循環，造成諸多不利影響：①造成井眼中巖屑的沉降，容易導致沉砂卡鉆；②在地層出水的情況下，積聚的水量過大會破壞井壁的穩定；③長時間的循環降低了整個接單根的效率。在氣體鉆井過程中采用常規的連續循環系統能夠解決上述問題，但是存在匹配不合理、研制費用昂貴的問題。為此，研制了專用于氣體鉆井的連續循環系統。

1 結構及原理

氣體鉆井專用連續循環鉆井系統主要由連續循環系統主機、閘板閥、液壓動力系統以及電氣控制系統組成（如圖1），另外還需要頂驅的配合。其中，連續循環系統主機主要由導引機構、動力鉗、升降機構、密封封隔裝置、動力卡瓦及主機底座組成，如圖2所示。

連續循環系統通過上述各部分的有機結合，實現了接單根（或立柱）和起下鉆過程中氣體的連續循環。通過上、下2個特制的半封封隔器可在鉆桿接頭兩端形成密封，在轉盤之上形成1個壓力腔，鉆桿卸扣后，特制的全封封隔器可以將整個壓力腔分為上、下2個壓力腔。接單根或立柱時，首先通過升降機構提升主機，將鉆桿接頭移動到正確的位置，由密封封隔裝置下面的卡瓦將鉆柱坐在方瓦上；然后關閉上、下2個半封封隔器形成壓力腔，進行卸扣，鉆具連接公扣旋出，直至完全退出母扣，此時打開旁通閘板閥向下壓力腔，注入氣體建立循環通道，之后關閉過頂驅循環通道；然后關閉母扣上方的全封封隔器，從而將壓力腔分為2個部分，之后上壓力腔泄壓，取出公接頭；同時，氣體沿打開的母接頭向下流入仍然維持正常循環。新上扣的單根或立柱通過導引機構公接頭被放入上腔室，關閉上半封封隔器，全封封隔器隨即被打開。此時，打開過頂驅的氣體循環通道，之后關閉連接下腔室的循環通道，隨后新接鉆桿公接頭下移，進行鉆桿連接操作。鉆桿上扣完成后，壓力腔泄壓，半封封隔器被打開，打開下部卡瓦，繼續鉆進作業。在井口帶壓循環條件下，上扣、卸扣以及鉆桿下入和起出作業，都是由連接在壓力腔頂部的動力鉗和升降機構共同控制并操作完成的［1-2］。

圖1 連續循環系統組成

圖2 連續循環系統主機整體結構

2 主要技術參數

3 技術關鍵

在研發氣體鉆井專用連續循環系統的過程中，逐步確定了以下幾個技術關鍵：

1） 實現上半封封隔器的旋轉密封。

2） 實現鉆桿接頭的精確定位。

3） 大轉矩動力鉗的優化設計。

4） 實現主機的靈活移動。

3．1 上半封封隔器的旋轉密封

為達到理想的密封及使用效果，上半封封隔器必須滿足旋轉密封的需要，選擇使用環狀膠芯的結構，與現有的主動式旋轉防噴器相比，上半封封隔器的特點為不過接頭、不必封零、無需冷卻。通過方案優化，研發了一種膠筒式環形封隔器，通過液壓推動膠筒變形延伸密封高壓環空，實現在鉆桿上、卸扣的過程中抱緊鉆桿，與鉆桿同步旋轉。上半封封隔器的結構如圖3。

圖3 上半封封隔器結構

3．2 鉆桿接頭的精確定位

根據氣體鉆井壓力級別低，封隔器外壁較薄的特點，創新采用下半封封隔接頭外環空、動力卡瓦承托鉆桿接頭的設計，提高了坐卡的可靠性、降低了主機高度、無需尋找接頭位置、半封膠芯不必上下滑動而且節省人力。如圖4所示。

圖4 鉆桿接頭精確定位示意

3．3 大轉矩動力鉗的優化設計

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

圖5 動力鉗結構

3．4 主機的靈活移動

采用主機整體可橫向移動的方式來代替主機固定在鉆臺面上的方式，能夠方便進行鉆鋌及下部鉆具的起下作業，方便更換旋轉防噴器膠芯。實現主機整體可橫向移動需要研發一個特殊的主機底座，如圖6所示。主機底座主要由滾道、滾子、上側限定板、邊側限定板、前側限定板、后側限定板、支撐板、滑動板、錨定機構、吊裝機構以及基座等組成。

圖6 主機底座結構

4 結論

1） 針對氣體鉆井特點，研制了一套結構合理、功能完善的連續循環系統，能夠滿足氣體鉆井的需要，提高工作效率。

2） 在實際研發過程中梳理出了實現上半封封隔器的旋轉密封、鉆桿接頭的精確定位、大轉矩動力鉗的優化設計以及實現主機的靈活移動等幾個關鍵技術，并逐一予以解決。

3） 該氣體鉆井專用連續循環系統還有待現場檢驗，并需要不斷完善。

［1］王瑜，丁偉．連續循環鉆井技術及其應用前景［J］．石油礦場機械，2008，37（11）：94-97．

［2］王錫洲，王洪兵，肖利君，等．連續循環系統上卸扣卡瓦卡緊力計算方法研究［J］．石油礦場機械，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

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”子課題“碳酸鹽巖、火成巖及酸性氣藏高效安全鉆完井技術”（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。