不间断循环钻井系统

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不间断循环钻井系统
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马青芳
(中国石油集团钻井工程技术研究院钻井机械研究所)
摘要　不间断循环钻井系统是世界钻井界近年来出现的一项新技术,该系统可以在接单根或
立根期间保持钻井液的不间断循环,能够有效解决窄钻井液密度窗口的钻井问题。

概述了不间断循环钻井系统的优点、作用及技术发展历程,论述了系统的结构组成及工作原理。

不间断循环钻井系统为复杂井尤其是窄钻井液密度窗口井钻井提供了一种有效的解决方法,具有广阔的发展前景和市场空间。

关键词　不间断循环钻井系统　窄钻井液密度窗口　主体连接器
引 言
目前,复杂地层深井的钻井问题,已成为制约我国油气勘探开发事业发展的重要壁垒。

如何解决复杂地层深井钻井的主要技术难题引起了油气勘探开发界的高度关注,成为钻井工程所面临的重大挑战,也是当前钻井工程技术发展的主要方向。

其中复杂地层条件钻井中的漏、喷、塌、卡、斜、毒等井下复杂情况与事故仍是当前钻井技术壁垒最基础和最根本的问题。

当漏、喷、塌、卡、斜位于同一裸眼井段时,则引发出多种复杂问题,主要归结为窄钻井液密度窗口的安全钻井问题,成为目前钻井工程亟待解决的重大技术难题。

不间断循环钻井系统技术和装备的出现,大大改变了钻井作业的方式。

该系统可在接单根时保持钻井液的连续循环,可以有效避免接单根引起的压力波动,改善井眼质量和清洁度,降低循环漏失、地层破裂、井涌、卡钻等现象出现的几率,为复杂井尤其是窄钻井液密度窗口井钻井提供了一种有效的解决方法。

为解决复杂井钻井问题,中国石油集团钻井工程技术研究院钻井机械研究所已经开始不间断循环钻井系统的研制工作。

笔者拟对不间断循环钻井系统作一介绍,希望有益于这一实用新技术在我国的研究与应用。

不间断循环钻井系统的优点及作用
不间断循环钻井系统(Continuous Circulati on Syste m -CCS )是世界钻井界近年来出现的一项新技术,该系统可以在接单根或立根期间保持钻井液的不间断循环,实现100多年来常规钻井中钻井液循环方式的重大变革,是一项有着巨大经济意义和发展潜力的新技术。

不间断循环钻井系统在接单根或立根期间保持钻井液的不间断循环,在整个钻进期间实现了稳定的当量循环密度和不间断的钻屑排出,全面改善了井眼条件,可最大限度地保证已经形成的井壁不发生垮塌,极大地降低了钻井事故的发生,减小了发生井涌的可能性,提高了钻井作业的安全性。

不间断循环钻井系统具有以下优点。

(1)稳定的当量循环密度有助于消除接单根停泵和启泵引起的压力变化和压力波动;整个钻进期间建立了稳定的当量循环密度;是解决窄密度窗口安全钻井问题的有效方法。

(2)不间断钻屑的排出可减少接单根时卡钻的几率;在大位移井和水平井中,可有效防止井眼底边形成钻屑床;减少了接单根前清除下部钻具组合内岩屑所需的停钻时间;全面改善了井身质量。

(3)可全面改善井眼条件和钻井安全,提高总的机械钻速,节约钻井成本。

据报道,使用不间
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石　油　机　械
CH I N A PETROLEUM MACH I N ERY
2008年　第36卷　第9期
3基金项目:中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目“不间断循环钻井系统”(06B2030502)。

断循环钻井系统每口井大约节省100万美元[1]。

国外技术发展现状
随着石油天然气勘探开发的不断深入,复杂
井、深井、超深井、大位移井、水平井、分支井等特殊工艺井的作业越来越多,作业难度也不断增加,对钻井技术和装备提出了更高的要求。

发达国家为了满足石油天然气勘探开发的发展需要,提高在高温高压、井眼不稳定、井壁坍塌、卡钻、地层裂缝以及钻井液漏失等地层钻井作业的成功率和安全性,开展了一系列钻井新技术和新装备的前瞻性研究,不间断循环钻井系统就是其中之一。

不间断循环钻井系统最初由Laurie Ayling设计、Maris公司管理,后来由Varco公司收购,由于Varco公司与Nati onal O il w ell公司合并,现在该技术由NOV设计和供应。

1995年申请了第一项关于不间断循环钻井系统的专利,2000年该创意得到了由BP、BG、Eni、Stat oil、Shell、Tatal联合成立的“工业技术联合组织”的支持并获得1995万美元的资助,由5家公司和3家设备制造商联合研制。

在进行了3年的研究后,于2002年12月进行了先导性试验,<127mm(5英寸)钻杆接单根35次,压力波动218MPa;2003年7月31日～8月2日,BP在美国Oklahoma(俄克拉荷马州)进行了现场试验并取得成功,<11413mm(41
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英寸)钻杆接单根72次,接单根用13～20m in,压力波动114～211MPa;2005年6月初在埃及海上进行了第一次商业应用[2],该井密度窗口仅为0103,由于井涌、天然气渗出、漏失、井眼膨胀等原因,固
完<340mm(131
8
英寸)套管后暂时关闭,利用不间断循环钻井系统,接立根500次,完钻井深超过5000m。

现场应用结果表明,该装备能节省钻井时间,降低复杂井的事故发生率。

目前该装置已有6套投入油田现场使用。

从国外的发展可以看出,不间断循环钻井系统已经进入到成熟应用阶段,现场试验和商业应用都充分展现了该系统的可靠性和经济价值。

在未来的复杂井钻井工程领域,不间断循环钻井系统必将发挥重要的作用。

不间断循环钻井系
统结构及工作原理
不间断循环钻井系统主要由CCS主体连接器、分流装置、液压站和控制系统四大部分组成[3] (如图1所示)。

CCS主体连接器(CCS Main Unit)为不间断循环钻井系统的核心和执行机构,它主要由三闸板防喷器、强行起下装置、动力卡瓦、底座和升降系统组成。

钻井液分流系统(Mud D iverter Unit)主要由钻井泵、控制阀和钻井液管汇等组成,通过它将来自钻井泵的高压钻井液分流至立管和连接器,并通过其上控制阀实现接单根或立根时钻井液回路之间的切换。

液压站(Hydraulic Power Unit)为不间断循环钻井系统的液压动力源,为主机的执行动作提供动力。

控制系统(Contr ol Sys2 tem)基于工控机,为不间断循环钻井系统的操作提供指令,进行显示和记录,并具有报警和保护功能。

图1　不间断循环钻井系统
1—CCS主体连接器;2—钻井液分流系统;3
—管汇;4—液压站;5—控制系统;6—顶驱
不间断循环钻井系统[4]由钻井液分流系统、立管、顶驱和钻杆组成上钻井液回路,由钻井液分流系统、地面管汇、CCS主体连接器和钻杆组成下钻井液回路。

正常钻进时,钻井液通过上回路进行循环;在接单根或立根时,通过钻井液分流系统的控制阀件的动作,实现上下钻井液回路之间的切换;由CCS主体连接器上的三闸板防喷器的上半封、全封和下半封将主体连接器内腔封割成2个腔室。

接单根时,通过液压控制系统操作主体连接器上的控制阀、防喷器闸板以及动力大钳,实现上下2个腔室的压力切换和上卸扣操作,达到钻井液的不间断循环。

不间断循环钻井系统在接单根或立根时的动作流程:首先,上提CCS主体连接器,关闭上闸板防喷器和下闸板防喷器,使上闸板和下闸板之间形成一个密闭腔室A;对钻杆接头进行定位,下放下动力卡瓦,使卡瓦抱住下部钻杆,下放CCS主体连接器,将下动力卡瓦放入转盘补心中,卡住下部钻杆,操作上卡瓦卡住上部钻杆,此时钻井液通过立管、顶驱和钻杆组成的上钻井液回路实现循环;
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2008年　第36卷　第9期马青芳:不间断循环钻井系统
操作钻井液分流系统灌充泵,打开CCS 主体连接
器侧控制阀门,使密闭腔室A 灌满钻井液;通过铁钻工、下动力卡瓦和强行起下装置,卸开上下钻杆接头,此时,通过钻井液分流系统上下回路均充满高压钻井液,2路钻井液通过密闭腔室A 流入下部钻杆,实现钻井液循环;当上部钻杆提升至全封闸板防喷器上面时,全封闸板封闭,上闸板、全封闸板和下闸板之间形成2个密闭腔室B 和C,上钻井液回路关闭,钻井液通过下回路和下密闭腔室C,流入下部钻杆,实现钻井液循环;打开上闸板防喷器,提出上部钻杆,利用顶驱吊卡上提1根新的单根(或立根),放入CCS 主体连接器,关闭上闸板防喷器,操作钻井液分流系统,使上下2个回路同时流入高压钻井液;打开全封闸板,同时流入下部钻杆;利用铁钻工和强行起下装置,将新的单根(或立根)与下部钻杆连接,此时,关闭钻井液下回路,上回路正常循环,松开上卡瓦,上提CCS 主体连接器,松开下卡瓦,将CCS 主体连接器下置底座上,接单根(或立根)完毕,继续正
常钻进。

应用前景展望
不间断循环钻井技术主要应用于复杂井的钻井
作业。

(1)窄钻井液密度窗口井。

使用不间断循环钻井系统,在钻井过程中可使钻井液保持连续循环,并通过调整循环速度和钻井液密度,实现在孔隙压力和地层破裂压力比较相近的地层中钻进,同时减小压力波动控制稳定井底压力。

(2)欠平衡钻井。

稳定和控制井下压力是负压钻井的关键。

使用不间断循环钻井系统,在接钻杆时井下环境保持稳定,无气体聚集,并且钻屑不会落入环形空间。

取消了重建平衡系统所需的漫长循环周期,节省了每次接钻杆的时间。

(3)高压2高温井。

对于高压2高温井,储层附
近的破裂压力梯度接近其孔隙压力,需要控制当量循环密度,以避免发生井漏或井涌。

若停泵接单根,井底情况就会变得更加复杂。

(4)大位移井和水平井。

在大位移井和水平井中,不间断循环有助于岩屑的连续携带,阻止岩屑下沉到井眼较低的一边,可有效防止井眼底边形成钻屑床,这样就改善了井眼条件,大大减小了接单根时卡钻的可能性。

同时,洁净的环空还能减小旋转扭矩,改善钻柱的定向控制。

在国内特别是西部各大油田有相当数量的井属于上述情况,尤其是窄钻井液密度窗口井的安全钻井问题,已成为目前钻井工程亟待解决的重大技术难题。

因此,不间断循环钻井系统的研制,将为解决窄钻井液密度窗口井钻井技术瓶颈问题提供一种有效的方法,具有广阔的发展前景和市场空间。

参　考　文　献
[1]　Ayling L J,廉抗利1连续循环钻井1国外石油动
态,2003(1):15-181
[2]　Calder oni A,Chiura A 1Balanced Pressure D rillingW ith
Continuous Circulati on U sing Jointed D rill p i pe ———Case H ist ory,Port Fouad Marine Deep 1,Exp l orati on W ell Offshore Egyp t 1SPE 1028591
[3]　Jenner J W ,Elkins H L 1The Continuous Circulati on
System:An Advance in Constant Pressure D rilling 1SPE 907021
[4]　Calder oni A,B rug man J D 1The Continuous Circulati on
System ———Fr om Pr ot otype t o Commercial Tool 1SPE 1028511
作者简介:马青芳,女,高级工程师,生于1966年,
1985年毕业于华东石油大学机械系,1988年和1998年分
别于石油大学(北京)获硕士和博士学位,现从事石油钻井机械装备研发工作。

地址:(100091)北京市海淀区。

电话:(010)52781810。

E -mail:mqfdri@cnpc 1com 1cn 。

收稿日期:2008-07-02
(本文编辑　刘　锋)
　加大技术创新力度,走可持续发展之路　
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石　油　机　械2008年　第36卷　第9期。