秦如雷，王林清，陳浩文，和國磊，許本沖

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（廣州），廣東 廣州511458）

0 引言

傳統(tǒng)的鉆井工藝中，在接卸單根時，需停泵中止孔內(nèi)鉆井液循環(huán)。但鉆井液循環(huán)中止會導(dǎo)致井內(nèi)巖屑停止上返，若沉渣下落不均勻集中在井內(nèi)某點，會形成“架橋”效應(yīng)，對于深井、超深井以及大位移井等特殊工藝井，由于井孔拐點眾多，摩阻力增加尤其明顯，卡鉆事故出現(xiàn)的概率也大幅增加［1-3］。而在單根接卸完畢開泵循環(huán)后，由于鉆井液“激動”壓力的影響，孔底壓力會快速升高，鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度（Equivalent Circulating Density of Drilling Fluid，簡稱ECD）也會迅速變化，而這對于窄密度窗口井來說，往往意味著孔底事故的發(fā)生。

為避免拆裝鉆桿過程中孔底事故的發(fā)生，保證鉆井液循環(huán)的連續(xù)性，連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)應(yīng)運而生。連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)（Continuous Circulation Drilling Technology），是利用連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（Continuous Circulation System，簡稱CCS）或連續(xù)循環(huán)接頭（Continuous Circulation Joint，簡稱CCJ）及鉆井液配液分流系統(tǒng)，實現(xiàn)在接卸鉆桿過程中，改變鉆井液傳統(tǒng)流動通道，通過旁路不停泵、無間斷地向井內(nèi)注入鉆井液，保持井內(nèi)鉆井液的循環(huán)狀態(tài)，持續(xù)不斷地清理孔內(nèi)碎屑沉渣；在接卸完鉆桿后，調(diào)整鉆井液分配機構(gòu)，引導(dǎo)鉆井液重新通過原通道循環(huán)［4-8］。這樣使得鉆進過程不會因為突然起停泵導(dǎo)致鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）的大幅度變化，保持巖屑上返的持續(xù)性，最大程度地減小孔內(nèi)事故發(fā)生的概率。

連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)早在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)被設(shè)想開發(fā)，但該技術(shù)研究一直缺少本質(zhì)上的突破。最初由Maris國際公司管理的聯(lián)合工業(yè)項目組進行開發(fā)研究［9-11］，進入21世紀(jì)之后，美國、德國、英國等為了推動鉆井技術(shù)的發(fā)展，提高在井眼不穩(wěn)定、井壁坍塌、卡鉆、地層裂縫以及鉆井液漏失等地層鉆井作業(yè)的成功率和安全性，解決復(fù)雜地層的鉆井問題，啟動了一系列前瞻性鉆井新技術(shù)的研究和新裝備的研制，其中連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)及裝備的研制被重新提出［12-13］。

1 技術(shù)實現(xiàn)形式

目前連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)主要通過連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)和連續(xù)循環(huán)接頭2種形式實現(xiàn)。

1.1 連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS）

目前國際上較為流行的是美國NOV開發(fā)的連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS）［14-15］，該系統(tǒng)由三重閘板分隔單元和旁路管匯組成。通過不同的分隔單元將鉆桿接頭分隔，引導(dǎo)鉆井液從頂驅(qū)通道通過旁路管匯進入鉆孔內(nèi)，使拆卸、接裝鉆桿時能夠避開原鉆桿中心通道，實現(xiàn)連續(xù)循環(huán)（見圖1）。該系統(tǒng)集電控、液壓、機械于一體，自動化程度高，人工介入程度低，最大限度保證鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）保持穩(wěn)定，適用于頂驅(qū)鉆機。該系統(tǒng)相繼在美國和意大利的陸地油田以及埃及的海上油田進行了百余次試驗，均獲得成功，平均接單根時間控制在20 min以內(nèi)，鉆井液持續(xù)循環(huán)，最大鉆井深度突破了5000 m。

圖1 連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS）示意Fig.1 Schematic diagram of the CCSsystem

不同地區(qū)、不同環(huán)境、不同平臺的多次成功試驗案例，證明了連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS）的可行性，亦令其完全進入商業(yè)化推廣階段。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國各大石油公司已租用的NOV公司的連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS）10余臺套，其成本高達千萬美元［16］。

1.2 連續(xù)循環(huán)接頭（CCJ）

連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS）整體成本高，操作復(fù)雜，價格昂貴。中小鉆井公司無法承受，中小工程并無使用的必要。但鉆井行業(yè)對連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)的需求還在，所以除連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS）外，國內(nèi)外鉆探科研機構(gòu)目前正致力于研發(fā)一種連續(xù)循環(huán)接頭（CCJ）［16-17］。該接頭主要由連續(xù)循環(huán)閥體（球閥或板閥）、通路切換引導(dǎo)裝置（旋塞）和殼體3部分組成（見圖2）。該接頭核心部件是內(nèi)置于中心的連續(xù)循環(huán)閥體，在鉆進過程中通過操作通路切換引導(dǎo)裝置（旋塞），使得連續(xù)循環(huán)閥開啟或者關(guān)閉，從而實現(xiàn)鉆井液通路在原中心通道和旁路的轉(zhuǎn)換。

圖2 連續(xù)循環(huán)接頭(CCJ)示意Fig.2 Schematic diagram of CCJ

此裝置具有操作簡單、結(jié)構(gòu)輕便的特性，制造成本低，價格遠低于連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS），適用于低成本鉆井平臺。但其缺乏自動化控制元件，使用時需人工操作旋塞、人工安裝旁通泥漿管線等。此外，在惡劣鉆井環(huán)境和深井、超深井以及水平井等特殊工藝井的應(yīng)用中，由于此類鉆井本身對鉆井液要求極高，鉆井液具有高鹽、高堿或強腐蝕性等特點，對接頭核心部件連續(xù)循環(huán)閥的破壞性比較強。故其使用時對閥體的強度提出了比較高的要求，對鉆井人員的安全也有一定的威脅。

2 連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)國內(nèi)研究現(xiàn)狀及不足

國內(nèi)鉆井行業(yè)對鉆井液連續(xù)循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用起步也比較早，但研究創(chuàng)新方面滯后于歐美石油公司。目前在國內(nèi)深水鉆井、大位移井、窄密度窗口井、壓力敏感井等工程領(lǐng)域，連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用，并且都收到了不錯的使用效果，但實際應(yīng)用的大多是租用的進口設(shè)備，如NOV。

我國對于連續(xù)循環(huán)技術(shù)的研究尚處于起步階段，出于我國鉆井行業(yè)現(xiàn)狀以及實際運營成本的考慮，在自主研發(fā)的連續(xù)循環(huán)技術(shù)中，各大石油公司及科研院所多集中于連續(xù)循環(huán)接頭（CCJ）及其配套設(shè)備的研制開發(fā)。連續(xù)循環(huán)接頭結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用方便，使用成本低。但對于連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)類的裝備研發(fā)進展一直未見有公開資料，這也決定了產(chǎn)品的使用局限性和我國自主開發(fā)連續(xù)循環(huán)技術(shù)的滯后性。

3 自動化連續(xù)循環(huán)井口裝備的研制

為實現(xiàn)鉆井液連續(xù)循環(huán)的自動化，連續(xù)循環(huán)井口裝備不可或缺。因此，在國外已有的連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種融入液壓背鉗、可傳扭氣動卡瓦等井口工具的自動化連續(xù)循環(huán)井口裝備。

3.1 設(shè)備組成

筆者研究團隊設(shè)計的鉆井液連續(xù)循環(huán)井口設(shè)備（見圖3），主要由背鉗、自動鉆井液切換系統(tǒng)和傳扭動力卡瓦3部分組成。背鉗安裝在自動鉆井液切換系統(tǒng)上方，用于在起下鉆過程中夾持上卸扣鉆具；自動鉆井液切換系統(tǒng)設(shè)有半封閘板防噴器、全封閘板防噴器和鉆井液旁通管路。封閘板防噴器數(shù)量為2組，其中一組布置在全封閘板防噴器上方，另一組布置在全封閘板防噴器下方。全封閘板防噴器與上下兩組半封閘板防噴器以串聯(lián)方式裝配，與上下兩組半封閘板防噴器的內(nèi)腔形成軸向貫通的鉆桿通道，鉆井液旁通管路布置在全封閘板防噴器與下面一組半封閘板防噴器之間，其出液口與鉆桿通道連通；傳扭動力卡瓦布置在自動鉆井液切換系統(tǒng)下方，用于在起下鉆過程中卡住下部鉆桿，并為鉆桿擰卸扣提供反扭矩。

3.2 自動化連續(xù)循環(huán)井口裝備工作原理

該設(shè)備使用時布置在井架平臺的井口上方，其在ECD敏感地層起鉆拆卸鉆桿的工作原理為：鉆井設(shè)備正常鉆進時，背鉗、全封閘板防噴器、上下兩組半封閘板防噴器及傳扭動力卡瓦均處于打開狀態(tài)，鉆井液旁通管路上閥門關(guān)閉，鉆井液由頂驅(qū)泵入鉆桿進行循環(huán)（見圖4a）。在遇到ECD敏感地層起鉆過程中，當(dāng)上、下鉆桿單根接頭處于下部半封閘板防噴器與全封閘板防噴器之間的位置時，通過傳扭動力卡瓦卡住下部鉆桿，此時全封閘板防噴器處于打開狀態(tài)，上下兩組半封閘板防噴器處于閉合狀態(tài)，鉆井液旁通管路上閥門關(guān)閉，鉆井液仍由頂驅(qū)泵入鉆桿進行循環(huán)；然后頂驅(qū)轉(zhuǎn)動卸開上、下鉆桿單根接頭，此時鉆井液繼續(xù)由頂驅(qū)泵入鉆桿，同時鉆井液旁通管路上閥門打開，由鉆井液旁通管路泵入鉆井液（見圖4b）；待上、下鉆桿單根接頭卸開后，停止由頂驅(qū)泵入鉆井液，頂驅(qū)帶動上部鉆桿接頭進入全封閘板防噴器與其上方半封閘板防噴器之間的位置，此時全封閘板防噴器關(guān)閉，全封閘板防噴器與其下方半封閘板防噴器之間的鉆桿通道形成密閉空腔，鉆井液旁通管路向密閉空腔中泵入的鉆井液進入下部鉆桿，再由下部鉆桿進入鉆井液循環(huán)系統(tǒng)（見圖4c）；然后，全封閘板防噴器上方的半封閘板防噴器打開，再由背鉗夾持上部鉆桿進行松扣作業(yè)，鉆井液旁通管路繼續(xù)向密閉空腔中泵入的鉆井液由下部鉆桿進入循環(huán)系統(tǒng)（見圖4d）。本設(shè)備下鉆接裝鉆桿工作原理相同，工序相反。

本設(shè)備通過背鉗、自動鉆井液切換系統(tǒng)和傳扭動力卡瓦配合，實現(xiàn)了鉆井中拆卸、接裝單根時鉆井液不間斷循環(huán)，有效地避免了因鉆井液靜置、沉砂過多導(dǎo)致的卡鉆問題。

本設(shè)備的自動鉆井液切換系統(tǒng)內(nèi)部配置有若干個位置傳感器，可實時監(jiān)測鉆桿的位置，以便精準(zhǔn)開合閘板。上述所有操作均通過遙控完成，無需人工靠近井口，極大地提高了安全性。

圖3 鉆井液連續(xù)循環(huán)井口設(shè)備Fig.3 Wellhead for drilling fluid continuous cir culation

圖4 拆卸鉆桿時鉆井液連續(xù)循環(huán)工作原理Fig.4 Wor king principle of continuous circulation of drilling fluid when dismantling dr ill pipe

4 結(jié)論

（1）連續(xù)循環(huán)技術(shù)安全可靠，在鉆進過程中拆卸、安裝單根鉆桿時，可實現(xiàn)鉆井液不間斷循環(huán)，從而使得鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）保持穩(wěn)定，保證鉆井的安全性和順利性。在國內(nèi)外深井、超深井、大位移井等特殊工藝井均已獲得廣泛應(yīng)用，值得推廣和進一步研究開發(fā)。

（2）目前連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)有連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS）和連續(xù)循環(huán)接頭（CCJ）2種技術(shù)形式。連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS）集電控、液壓、機械于一體，自動化程度高，人工介入程度低，最大限度地保證鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度保持穩(wěn)定，實用性和可靠性有保障，多次不同環(huán)境試驗均有理想效果，已獲得商業(yè)化推廣。但其成本高昂，操作復(fù)雜，目前適用于大型石油公司和復(fù)雜鉆井工程。

連續(xù)循環(huán)接頭（CCJ）具有操作簡單、結(jié)構(gòu)輕便的特點，制造成本低，適用于低成本鉆井平臺。但其缺乏自動化控制元件，使用時需人工介入和額外附加操作工序，具有一定的安全隱患。

（3）自動化鉆井液不間斷循環(huán)井口設(shè)備，通過背鉗、自動鉆井液切換系統(tǒng)和傳扭動力卡瓦的配合，可實現(xiàn)鉆井中拆卸、接裝單根時鉆井液不間斷循環(huán)。通過機電液一體化的設(shè)計，使得設(shè)備可遠程操控，有效保證了井口人員的安全。