活塞式雙壁鉆桿鉆井技術及其在鉆井中的應用

馬金凱，蒲軍宏，張 成，王 軍，雷 剛

（1.中石油川慶鉆探有限公司川東鉆探公司，重慶401120；2.中石油西南油氣田分公司川東北氣礦工監部，四川達州635000）

活塞式雙壁鉆桿鉆井技術及其在鉆井中的應用

馬金凱*，蒲軍宏，張 成，王 軍，雷 剛

（1.中石油川慶鉆探有限公司川東鉆探公司，重慶401120；2.中石油西南油氣田分公司川東北氣礦工監部，四川達州635000）

隨著油氣勘探條件不斷復雜，鉆井復雜也越來越多。精細化控壓鉆井技術雖解決了部分問題，但仍無法滿足同一裸巖段多壓力系統問題。活塞式雙壁鉆桿鉆井一種可以對井底壓力進行精確控制的鉆井技術,可以實現鉆井液閉環循環，能夠解決現有常規鉆井技術諸多限制。另外，活塞式雙壁鉆桿鉆井中的RTS系統利用雙壁鉆桿可為井下提供電力和數據傳輸通道，實現了數據的有線傳輸，故RTS系統在隨鉆測量/隨鉆測井方面較普通MWD/LWD更具優勢。通過對國內外相關文獻調研、分析，對活塞式雙壁鉆桿鉆井技術的系統組成、基本原理進行了分析，系統地對比與總結了活塞式雙壁鉆桿鉆井技術在鉆井中的應用情況及其特點和優勢，最后結合油氣勘探開發的現狀及發展相關技術提出了建議。

活塞式雙壁鉆桿鉆井技術；井底壓力；控壓鉆井；欠平衡鉆井；大位移鉆井；深水鉆井

活塞式雙壁鉆桿鉆井技術它是一種一體化、多用途的鉆井技術。最初是為解決連續油管鉆井應用的井眼清潔和鉆壓控制問題所帶來的挑戰而提出的，后來不斷發展成為了一項可以實現鉆井液閉環循環的多用途的鉆井技術新技術[1-10]。本文對國外活塞式雙壁鉆桿鉆井的系統組成、特點及其在鉆井中的應用進行了詳細的分析。

1 活塞式雙壁鉆桿鉆井技術系統組成及原理

活塞式雙壁鉆桿鉆井技術是以同心雙壁鉆桿技術為基礎，將鉆井液由雙鉆桿環空泵入至井內，再由內部鉆桿中筒攜帶巖屑返回至井口，從而實現了鉆井液的閉環循環。活塞式雙壁鉆桿鉆井系統由以下幾部分組成[2-6]（如圖1所示）：

圖1 活塞式雙壁鉆桿鉆井與常規鉆井技術的對比[5]

（1）頂驅適配器：其安裝在雙鉆桿頂部，它能將鉆井液由雙鉆桿之間的環空泵入至井內，再從內部鉆桿中返回至井口。

（2）雙壁鉆桿：可用API規格的5-1/2″～6-1/2″鉆桿鉆桿改制，在每個鉆桿內嵌入特別設計的內管即可，插入的內管需要采用一種專用的裝置對其固定，該裝置可快速且簡單對普通鉆桿完成改造，其加工簡單、便于維修，而且可實現現場快速、簡單的完成改制，且成本較低。

（3）下部鉆具組合（下部BHA），包括常規BHA組件（如鉆頭、井下動力鉆具等）、雙浮動閥、流動轉換接頭（flow x-over）和下部擴眼器等。雙浮動閥是一個專利的自動壓力操作閥，位于雙壁鉆桿的底端，它可以同時或單獨關閉、打開雙壁鉆桿的兩個流道，在故障保護默認位置，雙浮動閥關閉雙壁鉆桿的兩個通道，該雙浮動閥使得鉆井實現井下隔離，使得控制壓力鉆井（MPD）過程中的地表無壓力，可加強鉆井安全和方便井底壓力的控制。

（4）液壓系統，系統有一臺最大流量為400lpm的泵，該泵由鉆工控制室進行遠程控制。

（5）活塞式雙壁鉆桿鉆井遙測系統（RTS）[3]，如圖2所示，RTS系統為井下MWD/LWD工具提供了2條高速數據傳輸通道，還可將雙壁鉆桿作為電力傳輸線路，因此可使用井下電動鉆具。

圖2 活塞式雙壁鉆桿鉆井遙測系統[3]

（6）地面數據采集系統和傳感裝置，主要包括壓力傳感器和流量計，流入流量計安裝在立管的分支處，回流流量計安裝在回流管線節流閥處。

（7）常規鉆機、泥漿泵、泥漿凈化系統、泥漿儲存罐及其它的輔助裝備和技術等。

2 活塞式雙壁鉆桿鉆井技術與常規鉆井技術的比較

如圖1所示，活塞式雙壁鉆桿鉆井技術在鉆井液循環方式上與常規鉆井技術有著較大的差異：（1）常規鉆井中鉆井液的循環原理：泥漿池→泥漿泵→地面管匯→立管→水龍帶→水龍頭→鉆柱內→鉆頭→鉆柱外環形空間→井口、泥漿槽→鉆井液凈化設備→泥漿池；（2）活塞式雙壁鉆桿鉆井技術鉆井液的循環原理：泥漿池→泥漿泵→地面管匯→立管→水龍帶→頂驅適配器→雙壁鉆桿環形空間→鉆頭→鉆柱的內鉆桿→井口→節流管匯→鉆井液凈化設備→泥漿池。

對常規鉆井技術與活塞式雙壁鉆桿鉆井技術的裝備配備情況進行了分析對比，不難看出，常規鉆井技術與活塞式雙壁鉆桿鉆井技術在裝備上差異總體上很小，只需對部分裝備改進即可采用常規鉆機裝備實現活塞式雙壁鉆桿鉆井，其改進費用也十分低廉。所以活塞式雙壁鉆桿鉆井技術具有廣泛的運用前景及空間。

活塞式雙壁鉆桿鉆井鉆井技術與常規鉆井比較具有明顯優勢，其主要包括為：①活塞式雙壁鉆桿鉆井技術鉆井過程中為井底物理隔離的方式，大大增加了鉆井的安全性；②活塞式雙壁鉆桿鉆井技術采用了雙壁鉆桿和滑動活塞，能夠更加精確地控制井底壓力；③活塞式雙壁鉆桿鉆井技術大大提高了井底巖屑的清洗能力；④采用活塞式雙壁鉆桿鉆井技術可有效地降低鉆井液成本，因為采用滑動活塞封隔井底減少了鉆井液的用量，而且活塞式雙壁鉆桿鉆井技術允許將低成本、低密度的鉆井液以低流速泵入井內[2]；⑤活塞式雙壁鉆桿鉆井技術通過滑動活塞的液壓系統對鉆頭施加鉆壓，可方便、有效地控制鉆壓[2]；⑥活塞式雙壁鉆桿鉆井技術可較方便的使用尾管鉆井；⑦活塞式雙壁鉆桿鉆井技術中鉆桿接頭采用了無承壓接頭技術。

3 活塞式雙壁鉆桿鉆井技術在深水鉆井中的應用

在陸上復雜地層及海洋深水中蘊含著大量的油氣資源。但是由于鉆井裝備和工藝的局限，使得鉆井作業很困難，傳統的鉆井方法和設備已不能完全滿足其鉆井要求[11]。活塞式雙壁鉆桿鉆井技術則在深水鉆井中體現出了很大的優勢，其主要可體現為：（1）活塞式雙壁鉆桿鉆井技術可以實現新的雙梯度鉆井方案；（2）活塞式雙壁鉆桿鉆井技術可以進行無隔水管的鉆井作業；（3）活塞式雙壁鉆桿鉆井技術在隨鉆測量與隨鉆測井方面比常規隨鉆測量與隨鉆測井更具優勢；（4）活塞式雙壁鉆桿鉆井在MPD、UBD、MFC鉆井中具有更加明顯的優勢；（5）活塞式雙壁鉆桿鉆井在大位移井、水平井、定向井鉆井中優勢明顯；（6）活塞式雙壁鉆桿鉆井技術可實現尾管鉆井；（7）活塞式雙壁鉆桿鉆井技術可實現單一直徑井身結構。它的這些優勢使得深水鉆井可以選用更低費用的鉆機、更低要求的鉆井設備和工具，使深水鉆井更加安全、高效、低成本，為深水油田的高效開發奠定了堅實基礎。

3.1 采用活塞式雙壁鉆桿鉆井技術可有效實現雙梯度鉆井

滑動活塞附著于BHA上方約400m的鉆柱上，它允許鉆桿旋轉，允許井下旁通流（當需要時），也允許活塞和BOP/RCD之間的井環空加壓[5]。這使得井底和上部井眼環空形成了物理隔離，將井變成了一個液壓缸，滑動活塞是液壓缸活塞，雙壁鉆柱是液壓缸桿。滑動活塞的物理隔離允許活塞上下使用不同特性的流體。因此，可以在滑動活塞以上和BOP/RCD之間的井環空使用高密度液體，由于是在該段井眼是下過套管的井段，對該液體的性能相應降低；可以在滑動活塞以下至井底的這段環空和鉆柱內使用低密度的活性循環鉆井液，這樣非常有利于保護儲集層。相反，也可以在滑動活塞以上使用低密度液體，在滑動活塞以下使用合理密度的鉆井液。于是，在滑動活塞的上部和下部所使用的鉆井液的密度不一致，從而形成了一種新型的雙梯度鉆井。

3.2 采用活塞式雙壁鉆桿鉆井技術實現無隔水管鉆井

隔水管是為海底井口和平臺之間泥漿循環提供回路，為鉆具送入海底井口進行導向，其組件主要有井口導管、防噴器組、隔水管聯接器、撓性接頭、隔水管組以及伸縮節等[14]。但是，隨著水深的增加隔水管的變得異常龐大，對海洋鉆井船的作業能力提出更高的要求，這使得成本相應增加。另外，近年來國外深水油氣勘探中曾因隔水管斷裂引起了不少鉆井事故[15]，這些都嚴重阻礙深水油氣勘探開發的步伐。如果不使用隔水管，將在很大程度上提升海洋鉆井船的作業能力，降低海洋鉆井成本和深水鉆井的風險，推進海洋油氣勘探向更深的海域挺進。活塞式雙壁鉆桿鉆井技術進行無隔水管鉆井作業，能大大降低深水鉆井對鉆井船的要求與鉆井的風險。由于活塞式雙壁鉆桿鉆井技術自身能夠為海底井口和平臺之間提供泥漿循環回路，因此，可以不使用鉆井隔水管，也就省去了很多隔水管組件。活塞式雙壁鉆桿鉆井技術實現無隔水管鉆井示意圖如圖3所示。采用活塞式雙壁鉆桿鉆井技術進行無隔水管鉆井時，所有的海底井口設備和結構保持不變，只是需要在海底井口防噴器（BOP）上面安裝海底旋轉控制裝置（RCD），RCD能夠封住鉆柱與BOP之間的間隙，在RCD工作將使井眼與鉆柱間的環形空間始終處于關閉狀態，這樣便有效地將海水和滑動活塞上部井眼環空內的液體隔離開，滑動活塞上部井眼環空內液體可通過滑動活塞給下部鉆具組合施加鉆壓和向前的牽引力，還可有效控制井底壓力。由此可見，采用活塞式雙壁鉆桿鉆井技術實現無隔水管鉆井可以提升鉆井船的水深作業能力，同時由于不使用隔水管，可大大降低鉆井成本。

3.3 活塞式雙壁鉆桿鉆井技術中的活塞式雙壁鉆桿鉆井遙測系統

活塞式雙壁鉆桿鉆井技術中的遙測系統（RTS）（如圖2所示）利用雙壁鉆桿為井下MWD/LWD工具提供了2條高速數據傳輸通道，RTS系統使得雙壁鉆桿作為電力傳輸線路、數據傳輸通道，由于RTS系統實現了數據的有線傳輸，其數據傳輸速度非常高，這樣就可以在最短的時間內將井下實時測量的數據傳輸至地面，地面工作人員就可以在井下發生異常后立即發現并作出決策，由于RTS系統實現了有線傳輸，便可以快速將地面指令通過傳輸通道發送給井下執行機構，因此這種RTS系統實質上就是一種智能鉆桿系統。由于RTS系統數據傳輸不依賴于鉆井液，在停泵、起鉆、鉆進等工況下均可進行數據傳輸，這就拓寬了RTS系統的適用范圍。另外，由于電力可以通過雙壁鉆桿傳輸至井底，故可以在井下使用井下電動鉆具。由此可以看出，活塞式雙壁鉆桿鉆井技術在井下測量方面也具有十分巨大的潛力，它使得氣體鉆井、充氣鉆井、泡沫鉆井等鉆井技術能夠比較方便的在海洋使用。另外，由于可以使用井下電動鉆具，還可以結局空氣鉆井、泡沫鉆井中采用氣動螺桿出現的井下動力不足等問題。

圖3 無隔水管活塞式雙壁鉆桿鉆井鉆井技術示意圖[9]

3.4 活塞式雙壁鉆桿鉆井技術在MPD、UBD和MFC中的應用

在海洋深水鉆井中經常會遇到安全鉆井泥漿密度窗口窄的問題，為解決這類問題，國際上主要采用控壓鉆井、欠平衡鉆井和微流量鉆井。活塞式雙壁鉆桿鉆井技術在這些技術中是極為有利的，因為[3-5]：①活塞式雙壁鉆桿鉆井能夠精確控制井底壓力，在很小的壓力窗口間進行鉆井；②活塞式雙壁鉆桿鉆井改善了鉆井液循環的控制方法，抑制了泥漿泵開關時的壓力波動；③活塞式雙壁鉆桿鉆井的流量傳感器可以實現快速、精確的井涌和漏失檢測，能精確檢測出0.01m3的泥漿體積變化，系統能夠立即作出的響應和調整；④活塞式雙壁鉆桿鉆井采用物理屏障抑制了環空鉆井液的漏失，降低了鉆井液對近井地帶地層的污染；⑤井底雙浮動閥實現井底物理隔離，發生井涌時雙浮動閥和滑動活塞充當井下防噴器的角色，增強鉆井的安全性；井漏時可阻止井眼環空鉆井液的漏失，可避免因環空流體漏失導致的一系列復雜和事故的發生。故，活塞式雙壁鉆桿鉆井不僅降低了對海底防噴器組的要求，還有效解決了深水鉆井鉆遇淺層高壓氣層、淺層高壓水層的問題。

活塞式雙壁鉆桿鉆井技術實現精確控制井底壓力的過程如圖4所示[2]。在接單根時（圖4a）同時將雙浮動閥和鉆井泵關閉，這時內部鉆桿受到靜液柱壓力，而外部鉆桿則受到了靜液柱壓力與立管壓力，所以井底雙浮動閥存在一定的壓差；當開泵時（圖4b），此時的雙浮動閥仍處于關閉狀態，流動轉換接頭將起作用，雙壁鉆桿通過BHA上的流動轉換接頭建立循環通道，此時內部鉆桿受液柱壓力和節流壓力，外部鉆桿受液柱壓力和泵壓，雙浮動閥仍然承受一定的壓差，但所承受壓差隨著鉆井液的循環不斷減小，直至與井底壓力相平衡前；正常鉆進（圖4c），當壓差與井底壓力相平衡時，隨即打開雙浮動閥，開始正常循環鉆進，此時流動轉換接頭將不再起作用，雙浮動閥也不承受壓差。整個過程中井口節流閥一直打開。

圖4 活塞式雙壁鉆桿鉆井技術實現壓力精確控制示意圖[7]

3.5 活塞式雙壁鉆桿鉆井技術在鉆定向井、水平井、大位移井方面的優勢

采用活塞式雙壁鉆桿鉆井技術可以很好地解決這些問題：（1）活塞式雙壁鉆桿鉆井有非常優越的井眼清洗能力，由于重力作用巖屑堆積是定向井、水平井及大位移井鉆井中的大問題，通過高效地清除鉆頭后面的巖屑來解決該問題；（2）活塞式雙壁鉆桿鉆井技術通過液壓系統向滑動活塞施加壓力，該壓力可給鉆柱施加向前的牽引力，這就很好的解決了加不上鉆壓和水平延伸難度大等問題，目前世界記錄的最長水平延伸距離為10.9km，而應用活塞式雙壁鉆桿鉆井技術延伸距離可超過20km，由于活塞式雙壁鉆桿鉆井的水平延伸距離是常規大位移鉆井的2倍以上，因此其泄油面積將增加到4倍以上；（3）由于滑動活塞安裝在下部BHA的上部大致400m左右，基本能夠使鉆柱浮在鉆井液中，即可有效地起到減摩降扭的作用，所以活塞式雙壁鉆桿鉆井可以較容易地克服鉆柱摩阻/扭矩大所帶來的問題，也可以較好地解決套管磨損嚴重等問題；（4）活塞式雙壁鉆桿鉆井可采用尾管鉆井，即將尾管作為BHA的一部分，鉆井尾管可以在鉆完一段井段后進行通過滑動活塞完成對尾管的膨脹并固井，這樣便較好地解決了套管下入難的問題、井壁穩定問題以及固井中的一些問題。

3.6 采用活塞式雙壁鉆桿鉆井技術實現尾管鉆井

活塞式雙壁鉆桿鉆井可采用尾管鉆井，即將尾管作為下部鉆具組合（BHA）的一部分，鉆井尾管可以在鉆完一段井段后進行通過滑動活塞完成對尾管的膨脹并固井[6-7]。尾管配置鉆井還包括如下裝置：（1）尾管接頭，安裝在雙浮動閥上，允許通過內置開關將尾管與鉆桿相連來實現流體流動和尾管旋轉的控制；（2）尾管擴張器，安裝在滑動活塞上，用來進行尾管擴張；（3）下部擴眼器，直接安裝在7-1/2″的三牙輪鉆頭上，它可以使井眼由7-1/2″擴展到9-1/2″。

3.7 活塞式雙壁鉆桿鉆井技術可實現單一直徑的井身結構

海洋深水鉆井，由于安全泥漿密度窗口窄，采用常規鉆井技術需要下套管層數多，導致表層（或淺層）鉆進時井眼尺寸大、鉆速低、套管用量大，而且一些區域由于地層壓力復雜，導致完鉆井眼尺寸過小，不能高效、優質完井。活塞式雙壁鉆桿鉆井技術可以實現單一井徑的井身結構特點，可以很好地避免上述問題的發生。

4 結論及展望

通過針對活塞式雙壁鉆桿鉆井技術與常規鉆井技術的結合分析，可以發現由于活塞式雙壁鉆桿鉆井技術可實現新的雙梯度鉆井，可解決定向井、大位移井鉆井遇到的問題，可應用于MPD、UBD、MFC等技術，可實現單一直徑的井身結構，可實現無隔水管鉆井，RTS系統能很好地解決LWD/MWD數據傳輸問題，使得該技術在深水鉆井中有很大的優勢，活塞式雙壁鉆桿鉆井技術中關鍵的技術包括雙壁鉆桿、雙浮動閥、滑動活塞、RST系統、頂驅適配器等，雙壁鉆桿不僅實現了鉆井液的閉環循環，還能傳輸電力、傳輸數據，為活塞式雙壁鉆桿鉆井技術實現井下檢測和控制奠定了堅實的基礎。二者在裝備上差異較小，僅需用較低的費用對常規鉆井部分裝備進行改進就可實現活塞式雙壁鉆桿鉆井技術，即能使深水鉆井更加安全、高效、低成本。所以活塞式雙壁鉆桿鉆井技術在深水鉆井中具有很好的應用前景及空間。

[1]侯福祥,張永紅,王輝,等.深水鉆井關鍵裝備現狀與選擇[J].石油礦場機械,2009,38(10):1-4.

[2]Reelwell Drilling Method[EB/OL].http://www.reelwell.com. 2008-2009/2009-12-1.

[3]O.M.Vestavik.New Concept for Drilling Hydraulics[R].SPE 96412,September 2005.

[4]Ola Vestavik,Scott Kerr,Stuart Brown et.al.Reelwell Drilling Method[R].SPE/IADC 119491,2009.

[5]Ola Vestavik,Scott Kerr,Stuart Brown et.al.Reelwell Drilling Method-a Unique Combination of MPD and Liner Drilling[J]. SPE 124891,2009.

[6]M.Mir Rajabi,A.I.Nergaard,O.Hole,et.al.Application of Reelwell Drilling Method in Offshore Drilling to Address Many Related Challenges[R].SPE 123953,2009.

[7]M.Mir Rajabi,A.I.Nergaard,O.Hole,et.al.A New Riserless Method Enable US to Apply Managed Pressure Drilling in Deepwater Environments[R].SPE/IADC 125556,October 2009.

[8]M.Mir Rajabi,A.I.Nergaard,O.Hole,et.al.Riserless Reelwell Drilling Meyhod to Address Many Deepwater Drilling Challenges[R].IADC/SPE 126148,February 2010.

[9]Ola Michael Vestavik,Ove Hole.New Multi Purpose Drilling Method[J].DEW Journal.September 2009.

[10]劉廣斗,徐興平,王西錄.國外超深水鉆井新技術[J].石油機械，2009,37(5).

[11]徐榮強,陳建兵,劉正禮,等.噴射導管技術在深水鉆井作業中的應用[J].石油鉆探技術,2007,35(3):19-22.

[12]侯福祥,王輝,任榮權,等.海洋深水鉆井關鍵技術及設備[J].石油礦場機械,2009,38(12):1-4.

[13]弓大為.海洋隔水管故障分析[J].石油礦場機械,2003,32 (5):4-7.

[14]海洋鉆井水下器具[M].蘭州石油機械研究所，編譯.1979: 230-231.

[15]陳平等編著.鉆井與完井工程[M].北京:石油工業出版社，2007:208-209.

[16]蘇義腦,竇修榮.大位移井鉆井概況、工藝難點和對工具儀器的要求[J].石油鉆采工藝，2003,25(1).

TE921

B

1004-5716(2015)12-0073-05

2014-12-18

2015-01-06

馬金凱（1979-），男（漢族），遼寧昌圖人，工程師，現從事油氣井技術應用研究工作。