連續循環鉆井系統主機研制

肖建秋，馬青芳，胡志堅，彭 嵩

(中國石油集團 鉆井工程技術研究院，北京 102200)①

·開發應用·

連續循環鉆井系統主機研制

肖建秋，馬青芳，胡志堅，彭 嵩

(中國石油集團 鉆井工程技術研究院，北京 102200)①

連續循環鉆井在接單根(或立柱)、起下鉆過程中能保持鉆井液的連續循環，在整個鉆進期間內實現了穩定的當量鉆井液密度和不間斷的巖屑排出，提高了復雜地層鉆井的安全性。研制了連續循環鉆井系統的核心裝置——連續循環鉆井系統主機(CCS主機)。介紹了其工作原理、結構及特點等。為連續循環鉆井技術的發展提供參考。

連續循環鉆井；CCS 主機；結構設計

連續循環鉆井能夠在接單根(或立柱)和起下鉆期間保持鉆井液的連續循環，從而在整個鉆進期間實現穩定的當量鉆井液密度循環和不間斷的巖屑排出，全面改善了井眼條件和鉆井安全性，提高了復雜地層鉆井作業的成功率。該技術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，該技術可最大限度地避免井壁發生垮塌、卡鉆，降低鉆井事故，提高機械鉆速[1-6]。從2006年開始進行連續循環循環系統的研制工作，經過多次室內試驗、試驗井試驗及技術改進，攻克了多項技術難題，取得了一定成果。本文就中國石油集團鉆井工程技術研究院研制的連續循環鉆井系統的核心裝置——連續循環鉆井系統主機的結構設計給出一些見解，旨在為連續循環鉆井技術的進一步發展提供參考。

1 CCS主機結構組成及工作原理

1.1 結構組成

連續循環鉆井系統由頂驅、連續循環鉆井系統主機(CCS主機)、控制房、液壓電控系統、分流裝置等組成，如圖1所示。

1—頂驅；2—主機；3—控制房；4—分流裝置；5—液壓電控系統。

CCS主機是實現連續循環鉆井作業的核心裝置，由支架總成、鉆桿導引機構、動力鉗、腔體總成、上旁通閥、下旁通閥、專用動力卡瓦等部件組成，如圖2所示。CCS主機的主要功能是在接單根(或立柱)及起下鉆時，通過立管和旁通鉆井液循環通道間的切換，實現鉆井液的連續循環，并在密閉壓力腔室內完成鉆桿的自動上卸扣操作。

1—鉆桿導引機構；2—動力鉗；3—支架總成；4—腔體總成；5—專用動力卡瓦；6—上旁通閥；7—下旁通閥。

1.2 工作原理

CCS主機的工作原理是利用腔體總成內閘板的開合控制其內部上、下密封腔室的連通與隔離，并與分流裝置配合動作，完成密閉腔室內鉆井液通道的分流切換；同時利用動力鉗與腔體總成內背鉗閘板及底部動力卡瓦等的協同配合動作，實現在腔體總成內接卸鉆桿的自動上卸扣操作。

1.3 主要技術參數

密封壓力 35 MPa

循環排量 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)時間 15～20 min

2 關鍵技術

1) 可靠夾持鉆桿本體的大轉矩動力鉗的結構設計。與常規動力鉗[7]上卸扣操作不同，連續循環鉆井系統動力鉗夾持的是鉆桿本體，必須嚴格控制對鉆桿的夾持力[8]。動力鉗既要提供足夠的上卸扣轉矩，又不能傷害鉆桿本體。

2) 接入或移除鉆桿(或立柱)時鉆桿接頭的準確定位與對扣技術。鉆桿和鉆柱接頭螺紋的對接和旋扣是在密閉腔室內進行的，操作人員無法觀察。

3) 鉆桿接頭螺紋的防護技術。在密閉高壓腔室內進行上卸扣操作時，腔室內的高壓鉆井液對鉆桿接頭螺紋有作用力，若控制不當，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密封技術。腔體總成上半封閘板與鉆桿之間會產生相對轉動和軸向運動，閘板與鉆桿間的旋轉動密封是一個關鍵技術難點。

3 CCS主機研制

3.1 支架總成

支架總成用于支撐及連接腔體總成及動力鉗等部件，如圖3所示。通過旋轉其上的調節螺桿，可微量調節支架總成的總體高度，并可調整主機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力卡瓦，以承擔底部鉆柱的重力；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個平衡油缸可使動力鉗沿主機軸線平穩上下移動，或處于浮動狀態，配合動力鉗完成鉆桿接頭的準確對扣，以便在接、卸鉆桿時控制鉆桿順利旋入接箍，或將鉆桿從鉆柱中旋出，有利于在動力鉗上卸扣時保護鉆桿接頭螺紋，同時還可平衡高壓密閉腔體內鉆井液對鉆桿接頭螺紋的上頂力影響。在設計支架總成時，必須通過有限元分析計算，確保其整體強度、剛度，保障整套CCS主機的安全及穩定性。

1—底座；2—調節螺桿；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，除了承受腔體內的鉆井液壓力外，還要承受因鉆桿旋轉和上下移動而產生的額外載荷。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。當關閉上、下半封閘板時，腔體總成內部就形成密閉壓力腔。當中間全封閘板閉合時，密閉腔就被分隔為上、下兩個腔室。工作時，分流裝置控制上、下旁通閥的導通與阻斷，通過這2個密閉腔室的隔離或連通來實現鉆井液流道的切換，從而完成接單根(或立柱)及起下鉆時鉆井液的不間斷循環。上卸扣操作時，利用連續循環鉆井系統配備的光電傳感器和電控制技術，實現鉆桿接頭的精確定位，確保頂驅把鉆柱最上部母接頭準確送入腔體總成的背鉗閘板處并卡緊。動力鉗與4個平衡油缸配合，夾緊鉆桿并帶動鉆桿沿CCS主機軸線運動，實現鉆桿接頭與腔體總成內的鉆柱接頭軸線對中，然后完成對扣、旋扣及上卸扣。上卸扣操作時背鉗閘板夾緊鉆柱接頭的同時，還要承受上卸扣操作時的反轉矩。

3.3 鉆桿導引機構

鉆桿導引機構通過其上的連接底座連接于動力鉗的起升蓋上，由連接底座、支撐油缸、回轉臂和導引器等組成，如圖4所示。導引器鉸接在回轉臂外端；支撐油缸的活塞桿伸出時，驅動回轉臂帶動導引器升起，接入或移出鉆桿時可快速引導鉆桿與CCS主機的主軸心對中，提高接卸鉆桿的速度和效率。導引器上有喇叭口結構，便于鉆桿快速進入導引器內。

1—連接底座；2—支撐油缸；3—回轉臂；4—導引器。

3.4 動力鉗

動力鉗的總體結構[10]主要由底座、卡緊機構、旋扣機構和上卸扣機構4個功能部分組成，如圖5所示。動力鉗用于在連續循環鉆井接單根(或立柱)及起下鉆過程中，卡緊鉆桿并帶動鉆桿旋扣，在密閉腔室內帶壓完成旋扣、上扣、卸扣等操作。具體地說就是用夾緊機構夾緊鉆桿后，根據需要調整旋扣轉速，驅動鉆桿回轉并旋扣，再根據鉆桿規格調整上卸扣轉矩，實施上卸扣操作。

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

1—底座總成；2—卡緊機構；3—上卸扣機構；4—旋扣機構。

卡緊機構包括起升蓋、卡緊油缸、卡緊套筒、卡緊連桿、卡瓦等，如圖6所示?？ňo機構的功能是夾持鉆桿。同步啟動2個卡緊油缸，下拉起升蓋和卡緊套筒，通過3個卡緊連桿，推動三瓣卡瓦同步向鉆桿中心合攏，從而卡緊鉆桿；反之，啟動2個卡緊油缸上提起升蓋和卡緊套筒，通過3個連桿拉動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。

動力鉗的旋扣功能由旋扣機構實現，主要包括液馬達、旋扣齒輪、中心大齒輪、回轉筒等，如圖7所示。4個液馬達驅動旋扣齒輪，帶動中心大齒輪及回轉筒旋轉，從而帶動卡瓦和鉆桿也隨之一起轉動，實現鉆桿的旋扣操作，通過調節液馬達的液壓力和流量便可調節旋扣轉矩和旋扣速度。

上卸扣機構主要由定位油缸、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，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或拉動齒爪，驅動中心大齒輪和回轉筒旋轉，從而帶動卡瓦和鉆桿轉動，實現上扣或卸扣操作。兩套上卸扣機構反向對稱布置，同步為鉆桿上卸扣提供足夠的轉矩。

1—液馬達；2—旋扣齒輪；3—中心大齒輪； 4—回轉筒；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 專用動力卡瓦

專用動力卡瓦為特制的氣動卡瓦，主要是由氣控系統、階梯卡瓦座、卡瓦體、氣缸、導向套、導向桿、懸掛盤、刮泥板、保持架、耐磨環、連桿等組成，如圖9所示。其功能為連續循環接單根(或立柱)及起下鉆作業時自動卡持鉆桿和自動進行鉆桿刮泥。專用動力卡瓦的卡瓦座下端安裝在鉆機轉盤的補心內，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側面，從而將專用動力卡瓦與支架總成連接為一體，通過專用動力卡瓦使CCS主機能夠穩定地坐立于轉盤上。連續循環鉆井時專用動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和專用動力卡瓦對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象，提高了上卸扣操作的安全可靠性；起鉆時，刮泥板抱住鉆桿，并隨鉆桿的擺動而在環形浮動槽內浮動，進行鉆桿的自動刮泥作業。

1—耐磨環；2—卡瓦座；3—卡瓦體；4—導向套；5—導向桿；6—保持架；7—刮泥板；8—懸掛盤；9—連桿；10—氣缸。

3.6 上、下旁通閥

上、下旁通閥為常規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 結語

CCS主機經多次室內功能試驗及試驗井連續循環接單根和起下鉆試驗，并經數次結構改進，滿足各項技術指標。

1) 技術先進，集機、電、液技術于一體。

2) 研制了高壓旋轉密封閘板，解決了高壓旋轉密封的難題。

3) 在試驗井成功進行了清水、鉆井液和空氣介質的連續循環試驗，具備清水、鉆井液及氣體介質連續循環的能力。

4) 動力鉗卡瓦對鉆桿有效夾持面積大且均勻，不傷害鉆桿本體，功能參數可調。

5) 通過控制平衡補償油缸，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，有效減小自動上卸扣過程中鉆井液上頂力對鉆桿接頭螺紋的損傷。

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

7) 目前CCS主機還存在一些不足，例如需配備頂驅方能實現連續循環接單根、起下鉆操作；占用井口空間較大；接卸單根操作時間較長(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.連續循環鉆井[J].國外油田工程，2003，19(10)：25-26.

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

[4] 楊剛，陳平，郭昭學，等.連續循環鉆井系統的發展與應用[J].鉆采工藝，2008，31(2)：46-47，54.

[5] 胡志堅.連續循環鉆井技術的發展與研究[J].石油鉆采工藝，2011，33(1)：1-6.

[6] 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.

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

[8] 王錫洲.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.

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

[10] 肖建秋，馬青芳，胡志堅.連續循環鉆井系統動力鉗的結構設計[J].石油機械，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 基金項目：國家科技重大專項“窄密度窗口安全鉆井技術與配套裝配”(2011ZX05021-003) 作者簡介：肖建秋(1969-)，女，河北豐寧人，高級工程師，碩士，現主要從事鉆井機械設計工作，E-mail：xiaojqdri@cnpc.com.cn。

1001-3482(2017)02-0050-05

TE928

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.011