魏臣興 齊金濤 郭衍茹 徐海潮 林鐵軍

(1.渤海鉆探工程技術(shù)研究院， 天津 300457； 2.渤海鉆探鉆井技術(shù)服務(wù)分公司， 天津 300280；3.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)與開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610500)

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不同結(jié)構(gòu)連續(xù)循環(huán)閥工作原理探討

魏臣興1齊金濤2郭衍茹1徐海潮2林鐵軍3

(1.渤海鉆探工程技術(shù)研究院， 天津 300457； 2.渤海鉆探鉆井技術(shù)服務(wù)分公司， 天津 300280；3.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)與開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610500)

在分析國內(nèi)外連續(xù)循環(huán)閥發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，闡述不同結(jié)構(gòu)連續(xù)循環(huán)閥的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)，探討連續(xù)循環(huán)閥的發(fā)展趨勢(shì)，指出連續(xù)循環(huán)閥的研發(fā)方向。

連續(xù)循環(huán)鉆井； 連續(xù)循環(huán)閥； 球閥； 旁通閥

連續(xù)循環(huán)鉆井(continuous circulation drilling，簡稱CCD)是在接單根、立柱以及起下鉆過程中保證鉆井循環(huán)介質(zhì)連續(xù)不斷地被注入以維持恒定的鉆井循環(huán)排量和當(dāng)量循環(huán)密度，避免井下壓力波動(dòng)的一種鉆井新技術(shù)，它可以有效地防止接卸單根或立柱時(shí)停止循環(huán)而引起的井壁坍塌、溢流、沉砂卡鉆等事故復(fù)雜的發(fā)生，從而提高鉆井的安全性，縮短鉆井周期，降低鉆井成本。

目前，根據(jù)實(shí)現(xiàn)連續(xù)循環(huán)鉆井所用設(shè)備的不同分為連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)(continuous circulation system，簡稱CCS)和連續(xù)循環(huán)閥鉆井系統(tǒng)(continuous circulation valve，簡稱CCV)[1]。其中，連續(xù)循環(huán)閥鉆井系統(tǒng)是最容易實(shí)現(xiàn)的連續(xù)循環(huán)鉆井方式，其核心工具為連續(xù)循環(huán)閥。本次研究重點(diǎn)闡述連續(xù)循環(huán)閥的發(fā)展歷程以及不同結(jié)構(gòu)連循環(huán)閥的優(yōu)缺點(diǎn)，為國內(nèi)研發(fā)新型結(jié)構(gòu)連續(xù)循環(huán)閥提供參考。

1 連續(xù)循環(huán)閥的發(fā)展概況

1.1 國外研發(fā)情況

早期的連續(xù)循環(huán)閥為三通球閥結(jié)構(gòu)，如圖1所示，球芯有3個(gè)開口，通過操作鍵的旋轉(zhuǎn)來控制不同的開口參與鉆井循環(huán)介質(zhì)的循環(huán)。當(dāng)正常鉆進(jìn)時(shí)，由水龍帶輸送的鉆井循環(huán)介質(zhì)通過第一開口和第二開口進(jìn)入下部鉆柱內(nèi)進(jìn)行循環(huán)；當(dāng)需要接單根或立柱時(shí)，通過操作鍵旋轉(zhuǎn)球芯90°，使鉆井循環(huán)介質(zhì)由旁通孔進(jìn)入第二開口，然后通過第三開口進(jìn)入下部鉆柱內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)循環(huán)鉆井的目的。在位于挪威Stavanger的全尺寸試驗(yàn)鉆機(jī)“Ullrigg”上開展了首次連續(xù)循環(huán)鉆井測(cè)試，驗(yàn)證了連續(xù)循環(huán)閥與現(xiàn)代鉆機(jī)的整合能力。試驗(yàn)中，前3次連接時(shí)壓力為15 MPa，均順利實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)康?，但?次連接時(shí)由于給連續(xù)循環(huán)閥誤加了26 MPa的壓力，致使作用于閥座上的圍壓增加，閥芯在1 kN·m扭矩下不能轉(zhuǎn)動(dòng)，連續(xù)循環(huán)被迫打斷[2-3]。通過試驗(yàn)證實(shí)了三通球閥結(jié)構(gòu)的連續(xù)循環(huán)閥雖然能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)循環(huán)鉆井，但是在鉆柱內(nèi)流體壓力作用下卻存在球芯難以旋轉(zhuǎn)的問題。

圖1 三通球閥結(jié)構(gòu)圖

此后，意大利埃尼集團(tuán)(ENI)通過改進(jìn)，研制出E-CD系統(tǒng)(ENI circulation device)，主要采用2個(gè)單向閥取代三通球閥，一個(gè)安裝在軸向通道上，一個(gè)安裝在旁通口上，提高了流道切換的成功率和可靠性。ENI集團(tuán)利用E-CD系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試階段共鉆成7口復(fù)雜井，包括1口5 650 m的大位移水平井、2口高溫高壓井和1口復(fù)雜側(cè)鉆深井[1,4]。

控制壓力鉆井作業(yè)國際公司研發(fā)了不間斷鉆井系統(tǒng)(non stop driller system，簡稱NSD)，該系統(tǒng)主要由NSD球閥、NSD旁通閥及NSD控制管匯等組成[5]，并在巴布亞新幾內(nèi)亞ADD-5探井成功進(jìn)行泡沫鉆井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，但所用NSD球閥具體結(jié)構(gòu)尚未見報(bào)道。

2014年3月威德福公司公布其成功研發(fā)的連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)(continuous flow system，簡稱CFS)，其連續(xù)循環(huán)閥的中心閥為球閥、旁通閥為滑套式結(jié)構(gòu)(圖2)，可以根據(jù)流道壓力和鉆井液流向變化自動(dòng)開啟或者關(guān)閉鉆井液循環(huán)通道，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了旁通閥的安全可靠性[6-7]。

圖2 威德福連續(xù)循環(huán)閥示意圖

國內(nèi)對(duì)連續(xù)循環(huán)閥的研究從2011年開始蓬勃發(fā)展。中海油公布了其連續(xù)循環(huán)閥的結(jié)構(gòu)(圖3)，中心閥和旁通閥均通過扭簧和銷軸的作用，使板閥處于常閉狀態(tài)。中海油在惠州25-4油田的HZ25-4-6大位移井中采用了連續(xù)循環(huán)鉆井，避免了因巖屑堆積導(dǎo)致的遇阻和井漏等情況。鉆井液的相對(duì)密度比同區(qū)塊未使用連續(xù)循環(huán)鉆井的井低0.08 gcm3以上，漏失量較同區(qū)塊其他大位移井減少70%以上[8-9]。這種結(jié)構(gòu)的連續(xù)循環(huán)閥在正常鉆進(jìn)過程中，存在中心閥閥板易受沖蝕而導(dǎo)致的密封失效、扭簧長期受力而損壞和無法在鉆柱內(nèi)下入隨鉆測(cè)斜工具等問題。為此，深圳市遠(yuǎn)東石油鉆采工程有限公司提出了中心閥不安裝扭簧的方案，依靠主通路泄壓時(shí)流體帶動(dòng)閥板向上運(yùn)動(dòng)壓在閥座上來實(shí)現(xiàn)密封。在此基礎(chǔ)上成都?xì)W迅海洋工程裝備科技有限公司對(duì)中心閥和旁通閥密封面進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)出氣體鉆井用的連續(xù)循環(huán)閥[10-11]。中石油川慶鉆探運(yùn)用該技術(shù)在寧211井順利開展了氮?dú)忏@井試驗(yàn)、在西南油氣田月005-H1井進(jìn)行了連續(xù)循環(huán)充氣鉆井試驗(yàn)、在塔里木油田博孜101井進(jìn)行了連續(xù)循環(huán)空氣鉆井作業(yè)，試驗(yàn)均取得了成功[12]。

圖3 中海油連續(xù)循環(huán)閥結(jié)構(gòu)圖

針對(duì)不同鉆井循環(huán)介質(zhì)，為克服已有連續(xù)循環(huán)閥弊端，中石油渤海鉆探鉆井技術(shù)服務(wù)分公司提出了中心閥為球閥、旁通閥為板閥的連續(xù)循環(huán)閥[13]。由于中心閥為密封成熟的球閥結(jié)構(gòu)、旁通閥采用金屬錐面密封和密封件密封的雙密封結(jié)構(gòu)，并且密封件設(shè)置在閥座的背面，能有效避免密封件沖刷丟失，整個(gè)工具密封可靠，適用范圍廣。在蘇76-43-35井鉆進(jìn)過程中，順利實(shí)現(xiàn)了鉆井液、氣體和充氣鉆井的連續(xù)循環(huán)作業(yè)，且在接單根、立柱及起下鉆過程中，壓力波動(dòng)小于0.7 MPa。與此同時(shí)，中石油鉆井工程技術(shù)研究院也研發(fā)了類似結(jié)構(gòu)的連續(xù)循環(huán)閥，其旁通閥主要采取球面密封或密封面上刻槽硫化橡膠的金屬 — 橡膠雙密封結(jié)構(gòu)，也能較好地實(shí)現(xiàn)各種鉆井循環(huán)介質(zhì)的密封。此外，其他一些科研院所也提出了類似結(jié)構(gòu)的連續(xù)循環(huán)閥，譬如中石油長城鉆探、長江大學(xué)等單位[14-15]，只是目前尚無該工具加工使用情況的報(bào)道。

2014年，深圳市遠(yuǎn)東石油鉆采工程有限公司公開了2種新型的連續(xù)循環(huán)閥(圖4)。無論是導(dǎo)柱式還是浮球式，正常鉆進(jìn)過程中，在鉆井循環(huán)介質(zhì)的沖擊作用下，密封體或密封球緊緊壓在內(nèi)滑套上，使第三空腔空間與第二空腔完全隔絕，鉆井循環(huán)介質(zhì)由第一空腔，經(jīng)第二空腔和第四空腔進(jìn)入下部鉆柱內(nèi)；當(dāng)需要旁通循環(huán)時(shí)，拆除堵頭，連接旁通管線，啟動(dòng)旁通管線的同時(shí)關(guān)閉主通路管線，在第三空腔內(nèi)鉆井循環(huán)介質(zhì)壓力作用下，密封體或密封球緊緊貼在閥座上，將第一空腔與第二空腔隔絕，此時(shí)鉆井循環(huán)介質(zhì)由第三空腔，經(jīng)第二空腔和第四空腔進(jìn)入下部鉆柱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)鉆柱內(nèi)鉆井循環(huán)流體的持續(xù)注入[16-17]。該新型結(jié)構(gòu)的連續(xù)循環(huán)閥，避免了由于扭簧腐蝕損壞而導(dǎo)致密封失效的可能性，但是不可用隨鉆測(cè)斜儀器。目前尚無此類結(jié)構(gòu)連續(xù)循環(huán)閥加工試驗(yàn)的報(bào)道。

圖4 新型連續(xù)循環(huán)閥結(jié)構(gòu)圖

國內(nèi)各技術(shù)服務(wù)公司也探討了其他結(jié)構(gòu)連續(xù)循環(huán)閥的可能性，譬如中石油西部鉆探和中石油長城鉆探的三通球閥結(jié)構(gòu)、長城鉆探單板閥結(jié)構(gòu)的連續(xù)循環(huán)閥等，但這種結(jié)構(gòu)的連續(xù)循環(huán)閥尚無現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用報(bào)道[18-20]。

2 連續(xù)循環(huán)閥發(fā)展趨勢(shì)

連續(xù)循環(huán)閥結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，是目前連續(xù)循環(huán)閥鉆井最為關(guān)鍵的工具，也是各單位和科研院校重點(diǎn)研究內(nèi)容。單口井的連續(xù)循環(huán)閥使用量大，安全性要求較高。未來連續(xù)循環(huán)閥的發(fā)展將著重在以下幾個(gè)方面：

(1)連續(xù)循環(huán)閥的全面性。連續(xù)循環(huán)閥最為核心的部分為旁通閥的密封。早期的連續(xù)循環(huán)閥只能密封鉆井液，而對(duì)氣體密封的可靠性不高。發(fā)展的連續(xù)循環(huán)閥應(yīng)更為全面，在不更換旁通閥的前提下，需滿足鉆井液、氣體和充氣條件下連續(xù)循環(huán)鉆井作業(yè)，尤其是在單口井不同井段分別實(shí)施鉆井液鉆井和氣體鉆井的情況下，需減少更換旁通閥的繁瑣步驟，增加連續(xù)循環(huán)閥的實(shí)用性。

(2)連續(xù)循環(huán)閥的自動(dòng)化。早期的三通球閥需要井口人員手動(dòng)開關(guān)，雙板閥結(jié)構(gòu)的連續(xù)循環(huán)閥，無論有無扭簧都會(huì)對(duì)井下單點(diǎn)或多點(diǎn)測(cè)斜儀的返出造成影響，不利于現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)作業(yè)；球閥和板閥組合結(jié)構(gòu)的連續(xù)循環(huán)閥，雖能確保測(cè)斜儀返出，但是球閥的開關(guān)仍需要井口人員手動(dòng)操作。由于連續(xù)循環(huán)閥沒有壓力腔保護(hù)，密封要求高，一旦密封失效會(huì)對(duì)井口人員的人身安全帶來風(fēng)險(xiǎn)。因此研發(fā)根據(jù)流道壓力和鉆井液流向變化自動(dòng)開啟或關(guān)閉鉆井液循環(huán)通道、又能確保測(cè)斜儀返出的連續(xù)循環(huán)閥將成為發(fā)展方向。

(3)連續(xù)循環(huán)閥的可靠性。目前使用的連續(xù)循環(huán)閥，其中心閥一般為板閥或球閥，旁通閥為板閥。旁通閥的密封可靠性取決于扭簧壽命和密封面的密封性能。扭簧暴露在鉆井循環(huán)介質(zhì)中，在鉆井循環(huán)介質(zhì)的沖刷和腐蝕作用下極易損壞失效；鉆井循環(huán)介質(zhì)的沖刷和腐蝕以及鉆井液中的固相顆粒又會(huì)造成旁通閥密封面的失效：因此旁通閥的密封可靠性一直是科研人員關(guān)注的焦點(diǎn)，他們也在積極探索一種能夠解決板閥現(xiàn)有弊端的新型結(jié)構(gòu)連續(xù)循環(huán)閥，譬如威德福公司研發(fā)了帶有滑套式旁通閥的連續(xù)循環(huán)閥。

3 結(jié) 語

連續(xù)循環(huán)閥是連續(xù)循環(huán)鉆井的核心工具。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，已經(jīng)由早期僅能適用于鉆井液鉆井的單一結(jié)構(gòu)的三通球閥發(fā)展為不同結(jié)構(gòu)形式的連續(xù)循環(huán)閥，可適用于鉆井液鉆井、充氣鉆井和氣體鉆井。未來連續(xù)循環(huán)閥將能夠在不影響測(cè)斜等作業(yè)實(shí)施的情況下，根據(jù)需要自動(dòng)切換流通通道，延長密封使用壽命，充分發(fā)揮連續(xù)循環(huán)鉆井的優(yōu)勢(shì)，縮短非鉆進(jìn)時(shí)間和鉆井周期，從而降低鉆井成本。

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Discussion on the Principle of Different Structure Continuous Circulation Valve

WEIChenxing1QIJintao2GUOYanru1XUHaichao2LINTiejun3

(1. Bohai Drilling Engineering Technology Research Institute, Tianjin 300457, China;2. Drilling Technology Service Company BHDC, Tianjin 300280, China;3. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

Based on a brief introduction of the development of the continuous circulation valve both at home and abroad, the article also describes the working principle and characteristics of different structure continuous circulation valve. At last, the article discusses the development trend of the continuous circulating valve, and points out the direction for the research of continuous circulation valve.

continuous circulation drilling; continuous circulation valve; ball valve; by-pass valve

2015-02-05

國家教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目“基于XFEM和細(xì)觀力學(xué)的超深井鉆工具疲勞破壞機(jī)理研究”(20135121110005)；中石油渤海鉆探公司級(jí)項(xiàng)目“氣體連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)研制與應(yīng)用”(2013ZD04K)

魏臣興(1979 — ),男,博士,工程師,研究方向?yàn)闅怏w鉆完井工程。

TE921+.5

A

1673-1980(2015)05-0115-04