连续循环钻井技术装备与应用_张微

采用顶驱钻机时，通过连接器、顶驱连接工具 和钻井液分流管汇配合实现连续循环。 接单根时， 连接器上下两个闸板密封钻杆周围，使接头位于全 封闸板和下部闸板之间，钻井流体在循环压力作用 下进入接箍体内，平衡钻柱内外压力。 卸扣上提钻 杆，关闭全封闸板，上部卸压后将公扣连接部分提 出接箍体，此时钻井流体通过接箍下部不间断的循 环进入钻柱。 连接在顶驱上的新的单根进入接箍体 上部，闸板密封钻杆周围，循环系统注入钻井液恢
针 对 连 续 循 环 钻 井 系 统 (CCS) 体 积 大 ， 商 业 成 本 高 ， 操 作 复 杂 不 便 等 特 点 ， 支 持 CCS 研 究 的 石 油 公 司 陆 续 提 出 一 种 实 现 连 续 循 环 的 新 思 路 。 2005 年后，国外一些大石油公司分别开始了连续循环短 节的研究和试验工作。 3.1 连续循环球阀短节
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中外能源 SINO-GLOBAL ENERGY
2011年 第 16 卷
连续循环钻井技术装备与应用
张 微，李英明，王佳露，李 彬，曾艳春
( 中 国 石 油 长 城 钻 探 工 程 技 术 研 究 院 ， 辽 宁 盘 锦 124010)
摘 要 为解决常规钻井在上扣、卸扣时因停止/开始泥浆循环，环空中当量泥浆密度波动较大带来的一系列井下问题，国外
为顺利完成高温高压井的施工，埃尼石油公司
提 出 采 用 连 续 循 环 短 节 技 术 (E-CD) 与 微 流 量 控 制 系 统 ，形 成 近 平 衡 钻 井 技 术(ENBD)。 该 连 续 循 环 短 节由控制上下和侧口的两个舌形阀组成，该舌形阀 可在小压力时单向打开，而在反向压力时关闭。
连续循环系统主要由连接器、 顶驱连接工具、 钻井液分流管汇、控制系统、液压动力装置 5 部分
作 者 简 介 ： 张 微 ， 高 级 工 程 师 ，1989 年 毕 业 于 大 庆 石 油 学 院 钻 井 工 程 专 业 ， 主 要 从 事 水 平 井 技 术 及 新 工 具 研 究 工 作 。 2007 年 ， 参 与 “水 平 井 侧 钻 水 平 井 钻 完 井 技 术 规 模 化 推 广 应 用 ”项 目 ，获 辽 宁 省 “ 金 桥 工 程 ” 一 等 奖 。 E-mail ：lhzhangwei678@
经上部循环，拨下与侧口相连的快速接头，连入钻 柱的短节， 与钻柱一起下入井内作为钻柱的一部 分，并与下一个与立柱相连的连续循环短节完成钻 井液循环通路的切换。
目前，这两种技术均已成熟，并进入商业化应 用阶段。 下文分别论述。 2 连 续 循 环 钻 井 系 统(CCS)
连 续 循 环 钻 井 概 念 的 提 出 始 于 1998 年 ， 并 由 Maris 国 际 公 司 Ayling 以 “ 一 种 连 续 循 环 钻 井 方 法 ” 的名称申请并获得美国专利。 以该理念方法为基 础 ， 在 6 家 国 际 大 石 油 公 司(Shell，U.K.，BP，Statoil， BG，Total 和 Eni) 的 资 助 和 英 国 石 油 技 术 研 究 院 的 支 持 下 展 开 研 究 ， 于 2002 年 完 成 连 续 循 环 钻 井 系 统(CCS)样 机 ，随 后 进 入 商 业 化 应 用[1]。 2.1 系统组成
关键词 连续循环 钻井 泥浆 上卸扣 短节
1 概述 连续循环钻井技术是指在钻井过程中，起下钻
接卸单根时，可以不停泵而保持井眼处于连续循环 状态的技术。 该技术可有效克服因开/停泵造成的 井下压力波动，减少因压力波动造成的井下复杂情 况及事故，尤其适用于压力敏感井、长水平段水平 井、大位移井、深水井、欠平衡井和窄密度窗口井。
复上部压力。 当上下两部分压力平衡时，打开全封 闸板，新的单根下放，通过接箍体内不间断循环接 单根。 完成后，接箍体内压力释放，密封打开，移开 接箍，钻井再次开始，整个过程不间断循环。 2.3 现场应用
该 系 统 研 究 历 时 3 年 ，2003 年 7 月 ， 在 美 国 俄 克拉荷马州陆上进行试验。 试验过程中，连续循环 系 统 完 成 了 72 根 的 接 单 根 工 作 。 测 量 和 保 养 均 按 常 规 方 式 进 行 ，72 次 均 获 成 功 ， 期 间 没 有 停 止 过 循 环 ，压 力 波 动 控 制 在 1.4～2.0MPa 之 间 。 2005 年 ，在 意 大 利 南 部 Agri 油 田 Monte Enoc10 井 使 用 连 续 循 环 系 统 ，完 成 准 127mm 钻 杆 82 次 连 接 ，每 次 接 单 根 的 时 间 为 18～20min， 系 统 使 用 的 闸 板 更 换 了 4 次 ， 但没有停钻或减慢钻井速度。 同年 5 月，在埃及海 上 探 井 PFMD 井 上 应 用 连 续 循 环 系 统 获 得 成 功 。 PFMD-1 井 位 于 Port Fouad 油 田 ， 水 深 24m， 该 井 2004 年 3 月 开 钻 ， 钻 到 井 深 4244m， 进 行 了 提 前 固 井 。 该 井 的 复 杂 工 况 在 当 地 非 常 有 名 ， 井 深 4000m 以 下 ，存 在 当 量 钻 井 液 密 度 大 于 2.0g/cm3 的 临 界 孔 隙 压 力 梯 度 带 ，并 且 具 有 最 低 达 0.1g/cm3 的 孔 隙 压 力和破裂压力梯度带。 在整个钻井工程中，动态的 静液压力在当量钻井液密度和钻井液密度之间变 化 ， 波 动 数 值 为 0.07g/cm3(2.8MPa)。 该 井 2005 年 5 月使用连续循环系统，危险压力梯度带用恒定的当 量 循 环 密 度 钻 井 液 钻 进 ，并 最 终 获 得 成 功 完 钻[3]。
② 顶驱连接工具与连续循环钻井装备配套开 发，该工具有助于提高整套系统的工作效率，有助 于顶驱夹持接头与立根间快速建立或断开连接，解 决了原夹持接头与连接器内母扣连接时无法精确 对正及耗时较长问题。 该工具用吊环悬挂在顶驱下 部。 顶驱连接工具主要由液压钳和双面吊卡组成。
③ 钻井液分流管汇连接在泥浆泵和立管之 间，接单根时，由它控制钻井液在顶驱和接箍体之 间的切换流动。 采用高压水龙带，将分流管汇连接 在接箍体的侧边入口处。 分流管汇阀门由液压控 制 ，且 与 主 控 系 统 相 连[2]。
连续循环钻井方式包括连续循环短节、旁通插 管、控制管线等。 该系统的主要工具AL ENERGY
2011年 第 16 卷
短节，该短节可以实现轴向或侧口连接。 不间断循 环短节使用时，需提前将短节连接在即将下井的钻 柱或单根上端。 正常钻井时，钻井液通过接在顶驱 上的钻杆，流经不间断循环短节，进入下部钻杆，形 成一个内部循环通路；在接、卸单根或立柱时，将旁 通管插入其侧口孔内， 操作内部机构转换阀通道 (关闭上部通道，同时打开侧位通道)，钻井液通过旁 通管，流经不间断循环短节，进入下部钻杆，形成一 个旁通内部循环通道。 钻柱连接完成后，操作内部 机构转换阀通道(关闭侧位通道，同时打开上部通 道)，钻井液经轴向通道循环。 此时，可将旁通管拔 出、移开。 通过两个通道的不断切换，实现了钻井液 的不间断循环。 在正常工况下，不间断循环短节随 钻柱一起下入井内。 当完成一个钻柱或立根的钻深 后，在钻柱上部再接入提前接有不间断循环短节的 立柱；需要提升钻柱时，操作过程与接钻柱时相反， 可 随 立 根 一 起 将 不 间 断 循 环 短 节 提 出 井 眼[5]。
第8期
张微等. 连续循环钻井技术装备与应用
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分述如下： ① 连接器是连续循环系统的心脏， 坐于钻台
之上，并在钻盘上侧向滑动。 连接器接箍体包含三 级防喷器，上部和下部为闸板密封防喷器，中部为 全封闸板。 当上部和下部闸板封闭时，形成压力室， 下部闸板反向安装。 缓冲器安装于顶部防喷器 4 个 液压活塞之上，用于提供垂向抑制力，来控制钻杆 进出受压的压力室。 缓冲器内部的夹持装置夹持钻 杆，并传递垂向力和旋转力。 夹持装置预装在一个 巨大的水平齿轮上， 齿轮由 4 个液压发动机驱动， 完成上卸扣操作。 液压活塞通过齿轮装置提供上卸 扣操作需要的初始扭矩。 接箍体包含在保护性的橇 装框架结构中，此结构设计有液压起升系统，可以 升降接箍体到达合适位置，便于闸板密封接头。
目前，连续循环钻井技术和装备已进入商业化 应 用 ， 其 商 业 机 底 座 尺 寸 为 1.5m ×1.8m； 工 作 压 力 为 35MPa；适 用 井 眼 尺 寸 为 准 228.6mm；钻 杆 尺 寸 为 准 76.2～准 149.22mm；扭 矩 为 95kN·m；排 量 为 50L/s； 质 量 为 15.42t[4]。 截 至 2005 年 9 月 ，美 国 Varco 公 司 的连续循环钻井系统已售出 4 套， 其中 3 套在美 国，1 套在北海油田。 3 连续循环短节
④ 钻井人员可以通过触摸屏操纵电动液压控 制系统。 控制单元本身是一种面向对象运行的程 序。 触摸屏软件系统与控制单元之间采用内部网络 进行通讯。
⑤ 液 压 动 力 装 置 以 Varco 的 标 准 设 计 为 基 础 ， 并 且 在 20.7MPa 压 力 时 可 提 供 0.003m3/s 的 排 量[3]。 2.2 工作原理
国 外 连 续 循 环 钻 井 技 术 的 研 究 始 于 1998 年 ， 目前的实现方式主要有两种，一种采用连续循环系 统(CCS)。 该 系 统 适 用 于 顶 部 驱 动 钻 机 ，利 用 三 重 闸 板构成连接器腔，腔体与旁路管汇相连，通过连接 器内闸板和旁路管汇的合理开合，保持泥浆不间断 循环， 同时由液压钳完成连接器腔内钻杆的上扣、 卸扣等动作。 另一种采用不间断循环短节，该技术 的 研 究 始 于 2005 年 ， 不 间 断 循 环 短 节 两 端 可 与 钻 柱相连， 短节内装有三通阀芯并在侧面开有侧口， 当阀芯处于上下通道时，侧口关闭，当阀芯与侧口 连通时，上面通道关闭。 根据需要，连续循环短节提 前连接在立柱上端， 运到井场并排放在钻台上备 用。 在井口接/卸立柱时通过转换阀芯位置，短节内 侧口插入与钻井液管线连接的快速接头，实现钻井 液侧路循环。 连接完成后，再转换阀芯，实现钻井液