不停泵循环钻修井技术研究
摘要：连续循环系统 （CCS）在国外已经发展了多年，在国内还很少使用，即使使用也要从国外公司高价租赁。通过我们开展的项目研究，可以研制自主知识产权的不停泵循环钻井系统，完成钻井工艺的进步和发展。本文对连续循环系统的组成和工作原理进行了论述 ，并分析了连续循环钻修井的优点与应用领域 ，着重介绍了连续循环系统的设计理念与建造要求，特别是关键部件的设计气液循环站和循环短节。
关键词： 钻修井; 连续循环; 气液循环站;循环短节; 结构设计
1.不停泵循环钻井系统概述
不停泵循环钻井系统，在国际上称为连续循环钻井系统（CCS），其开发的背景是随着世界石油资源的不断开发，各石油公司尝试开发复杂的油气藏，其中有些地层孔隙压力和地层破裂压力梯度的窗口相当窄，常规的钻进方式变得异常困难。在常规钻井过程中，会产生井眼不稳定、井壁坍塌、卡钻、地层裂缝以及泥浆漏失等问题，严重时会造成巨大的经济损失，甚至是人员伤亡。而利用不停泵循环作业系统冲砂的优势明显：
（1）不停泵循环系统的应用很大程度上消除和避免了冲起的砂子在冲砂管与套管环空中运移形成的卡钻事故。
（2）同时具有冲砂速度快，作业周期短，不易堵塞，效率高;以及携带工具方便广泛，外围设备安全可靠，占地面积小的特点。
（3）消除了为接单根停止和开始循环时的压力的波动，利于保持井眼压力稳定，大大降低了循环漏失、地层破裂、井涌、压差卡钻的风险。
2.不停泵循环技术发展
2005年6月初在埃及某海上油田进行了第一次商业应用，该井密度窗口仅为0.03，由于井涌、天然气渗出、漏失、井眼膨胀等原因，固完Ø334mm（13 1/8″）套管后暂时关闭，利用不间断循环钻井系统，接单根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。
在连续循环系统成功实现首次商业化应用后，从2006年开始进入CCS的油田开发阶段（CCS Field Development Phase），主要由Statoil公司利用CCS Mark2在北海油田进行钻井作业，共成功钻成10多口井，作业625天，完成接钻杆1122次，平均上卸扣操作时间14min。现场应用表明，CCS系统可靠性高，可显著降低钻井非生产作业时间（NPT），提高钻井效率。经过近十年的发展，连续循环系统已开始初步进入推广应用阶段
3.系统组成及原理
连续循环钻井系统（CCS）主要包括：主体单元、顶驱连接工具、钻井液分流管汇、控制系统和液压动力装置五部分。
工作原理：采用顶驱钻机时，通过CCS主体单元、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，主体上下两个闸板密封钻杆周围，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主体内，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，此时钻井流体通过主体单元下部不间断循环进入钻柱中。连接在顶驱上的新的单根进入主体上部，闸板密封钻杆周围，循环系统注入钻井液恢复上部压力。当上下两部分压力平衡时，打开全封闸板，新的单根下放，通过钻杆内不间断循环接单根。主体内压力释放，密封打开，移开接箍，钻井再次开始，整个过程循环不间断。
4.国产化设计
为了促进国内钻井技术尽快向高新技术发展，缩短国内外钻井技术的差距，优化油田的勘探与开发，降低油田勘探开发成本和保护油气藏，开展连续循环系统的研究势在必行。通过我们开展的这个项目研究，可以研制自主知识产权的不停泵循环钻井系统，完成钻井工艺的进步和发展。
我们设计的不停泵钻井循环系统主要包括两部分，气液循环站和循环短节。气液循环站是将低压气体压力转换为高压液体压力，从而控制流程阀门开关的橇装化装置。这种设计避免了动力电源的危险性，同时提高了高压阀门的控制扭矩。整体设计方案，简介紧凑，操作简单可靠。第二部分是循环短节，每个循环短节内有一个位于中心的球阀和一个旁通阀。该旁通阀是由液压或手动开关，从而构成循环。球阀处于关闭状态下就可以堵住钻杆内的压力，以便卸掉顶驱连接。每个新的立柱的上端接有该循环短节，其中球阀处于开启状态，让液流可通过顶驱往下循环。
4.1不停泵循环钻井系统总体要求
（1）整体布局：采用紧凑式布局，尽量减少占地面积。液压系统和控制柜采用集成方式，方便维修及安装。
（2）本体尺″在1.88m×1.55m×1.98m左右。框架及吊装：框架采用180×180×T20工字钢焊接结构。吊装点选择平衡重心，为方便设备工作，吊装架采用可拆装结构，吊点1点。
（3）泥浆主控阀及管道：主控阀共6个，串并联结构按原理图。各阀门采用整体式方箱连接，方箱截面为280mm×320mm，内通径4.0625″，长度640mm二个，1280mm一个。
（4）液压系统分为动力液压系统和检测液压系统，动力系统主要包括：气源空气滤清器2个，消音器1个，气液增压泵，油箱，蓄能器，多路换向阀6个加2个备用。每个主控阀配备1个液压执行器。监控液压系统的压力表等。
（5）检测系统包括：35MPa液压传感器、压力表各2个。气控系统及控制柜：6个液压多路换向阀一一对应加气控开关。液压执行器监控采用气动传感器，开、关为一组（2个），共6组。气压表、液压表、气动开关等控制系统及检测系统操控部分全部集成到控制柜的操作面板上。
（6）循环短节及旁通：循环短节内部包含球阀。旁通阀开关采用手动或液动二种方式。
4.2气液循环站设计原理简述
不停泵钻井循环系统主要包括两部分。一部分是循环管汇控制转换系统，即气液循环站。气液循环站是将低压气体压力转换为高压液体压力，从而控制流程阀门开关的橇装化装置。气液循环站的主要部分设计包括：
（1）液压系统（泥浆配送）;
（2）气控系统。
工作流程如下图
4.3 工作流程描述：
（1）上端带有循环短节A的立柱A下钻完成时，球阀处于开启状态，坐上卡瓦;
（2）将连接头连接在旁通阀上;
（3）在循环管汇控制转换系统中打开阀1，同时保持阀5处于开启状态，此时部分液流通过顶驱，部分通过旁通阀;
（4）观察控制管汇上的压力表，等待通过球阀的压力平衡后，关闭循环短节中的球阀;
（5）关闭阀5，此时没有液流经过顶驱/方钻杆水龙带;
（6）开启阀6，放掉水龙带中的泥浆，待压力降为零，然后关上阀6;
（7）从立柱A上卸掉顶驱，用顶驱将带有循环短节B的立柱B提起;
（8）将立柱B的下端与循环短节A连接;
（9）打开阀1，所以一部分液流开始通过顶驱开始灌注新的立柱B，一部分液流还是通过循环短节A上的旁通阀进行循环;
（10）观察控制管汇上的压力表，等待通过球阀的压力平衡后，调整球阀，使之处于开启状态;
（11）关掉阀1，此时没有液流流经管汇软管通过循环短节A上的旁通阀;
（12）放掉水龙带中的泥浆，待压力降为零，通过连接头上的显示仪器检查循环软管中不再有压力;
（13）卸掉连接头，把循环短节A上的旁通阀换上保护帽;
（14）提出卡瓦，用立柱B继续钻进或下钻。对于每根立柱，重复上述步骤，就可以钻达目的深度和井段。
4.4气液循环站控制系统
控制系统工作流程：
（1）动力系统中，气源驱动气液增压泵给蓄能器供18MPa液压;
（2）控制面板上的气阀开关，控制动力系统的气控多路换向阀;
（3）蓄能器中高压液压油通过换向阀驱动不同的液压执行器;
（4）阀门开关指示器可以显示液压执行器的开关状态;
（5）液压执行器驱动主控阀门打开;
（6）控制面板中的液压表可以显示主控阀门的压力值，从而监控整个系统的压力状态，实现各种动作。
4.5液压系统设计原理图
4.6气控系统设计原理图
4.7气液循环站成撬要求
（1）根据选型结果将设备成撬在一个撬座上，预留标准接口形式;
（2）撬装设计满足海上吊装要求，并预留足够的维修空间;
（3）撬安装可拆卸防护栏，避免吊装时磕碰;
（4）撬架配备四肢索具一套，并出具吊点、索具的CCS船检证书;
（5）所有选型设备须具有合格证和防爆证书。
4.8连续循环短节设计
连续循环短节实现了接卸单根过程中不停泵，保证钻井液的连续循环的关键设备。
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。实现连续循环钻井技术主要采用连续循环钻井系统和连续循环短节技术。
原有的短节结构由上接头与下接头丝扣连接，下接头侧面开有快速接口，上阀座、下阀座分别置于上接头、下接头上，在上阀座、下阀座上装有阀体，上阀座与上接头、阀体之间均通过密封圈进行密封，下阀座与下接头、阀体之间均通过密封圈进行密封。可以实现了接卸单根过程中不停泵，保证钻井液的连续循环，克服了现有技术在接卸单根过程中需要停泵、停止循环钻井液的不足。而本循环短节的设计采用弹簧复位阀芯方式，与阀座进行密封。
5.结论及认识
本文通过调研国内外不停泵循环钻井系统的技术原理及发展资料，结合钻井特点，研制旁通阀、循环短节、钻井液分流循环阀、研制撬装式气液循环系统，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，介绍了一套适用于不停泵循环钻修井系统的配套工艺装备技术，包括：
（1）不停泵循环钻井系统整体布局设计，能够满足海上钻修井需要;
（2）介绍了关键部件（主控阀门、液动执行器、气液增压泵、多路控制阀及旁通阀）的参数及选型，满足海上钻修井需要;
（3）描述了不停泵循环钻井系统的循环短节设计参数及关键结构;
（4）本文介绍的气液循环站适用范围广，系统设计特点优点明显。采用气液增压泵控制，循环管汇控制转换系统不使用电源。防爆等级高，危险系数低;液控系统采用蓄能器技术，快速实现阀门开关，减小用气量;布局结构增设弹簧减震平衡系统。对于液压压力脉冲有效减缓，更好承重;旁通满足大口径通量的要求，可以实现手动或液压控制，可以持续稳定提供等压钻井液。
（5）实体完成后，进行了性能验证试验，包括打压试验（42MPa），开关功能试验，泄漏量测试试验等，均符合设计目标要求。
通过我们这个项目的开展，我们掌握了不停泵循环钻井工艺设备的建造技术，为今后不停泵循环钻井技术工艺的应用和推广创造了技术条件。
参考文献：
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