阀式连续循环钻井装置的工业化应用探讨

张武辇贾银鸽张 静栾 波

（1.深圳市远东石油钻采工程有限公司，广东深圳 518068；2.中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛 266580）

阀式连续循环钻井装置的工业化应用探讨

张武辇1贾银鸽1张 静1栾 波2

（1.深圳市远东石油钻采工程有限公司，广东深圳 518068；2.中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛 266580）

连续循环钻井是对常规钻井钻井液循环方式的一次重大变革。介绍了阀式连续循环钻井原理和优缺点，在严格依据质量保证体系的基础上，紧密结合钻井作业实际，对连续循环短节、控制系统、接入立管管汇的过渡系统等阀式连续循环钻井装置进行了研制，并进行了7口井的现场试验，不同循环介质和不同钻井方式的连续循环钻井都获得成功，证明该装置能够适应钻井工艺各项技术要求。该装置实现不停泵保持井下连续循环进行井口钻具接卸扣作业，避免因开泵停泵造成井下压力激动，可以有效控制ECD值，保持井内压力稳定，避免和减少井下复杂情况乃至事故的发生，对提高钻井效率，降低钻井成本，提高钻井安全性，实现安全、高效、经济钻成各种复杂井起到重要作用。

阀式连续循环钻井；循环短节；控制系统；过渡管汇系统；压力激动；井内压力平衡

连续循环钻井技术是21世纪初发明应用的一项钻井新技术。它实现了在不停泵保持井下正常循环的工况下完成为井口接卸立柱（或单根）作业，当突发性井下复杂情况发生，或者钻进过程中需要紧急修理顶驱及提升系统等装备时，可以不短起，在保持井下连续循环状况下处理问题。连续循环避免因开泵停泵造成对井底的正负压力激动，可以有效控制环空ECD值，保持井内压力稳定，防止井壁坍塌和岩屑沉积，提高井眼清洗效果，减少扭矩和摩阻，提高定向效果，改善钻井液处理效果，维护其良好的流变性，减少阻、卡、漏、涌、喷等井下复杂情况的发生，提高钻井效率，降低钻井成本，确保钻井安全。

1 常规钻井过程中频繁开泵停泵的危害

（1）停泵即停止钻井液的循环将对井底产生负压力激动，可能造成井底压力低于地层孔隙压力而导致井涌、气侵、井壁坍塌和阻卡埋钻等事故。而当接完立柱重新开泵循环时，将引起正压力激动使得井底压力高于正常循环时的压力，甚至于超过地层破裂压力而造成压裂漏失和压差卡钻等问题，同时造成井身质量下降，给后续作业特别是下套管固井带来许多潜在困难。

（2）因停泵，岩屑下沉与积聚，不规则井眼形成桥塞阻卡，大斜度井大位移井形成岩屑床，造成起下钻严重阻卡；固控不佳、摩阻增大致使钻柱旋转扭矩增大甚至于卡死顶驱；造成设备负荷过重，长期超负荷运行致使设备失常失效，甚至造成事故；造成旋转导向系统导向失灵、井眼轨迹失控等许多严重问题发生。

（3）对深井段，特别是高温高压井，停泵使井眼下部静止钻井液温度升高，其密度、黏度、胶凝性、切力值等性能发生变化，流变性也变差。这一切钻井液性能的失稳不仅增加许多处理费用，而且带来井下阻、卡、漏、涌、喷等许多复杂情况的发生。

（4）欠平衡负压钻井，停泵开泵使井内环空压力极不稳定，可能造成井壁坍塌、卡阻、井下工具失灵等问题。而且为了补偿停泵时井底压力的降低，必须增大地面井口回压，这极易造成压裂地层井漏或井涌等复杂情况发生。停泵接立柱井内平衡系统的调控过程既复杂又浪费时间，严重影响作业时效。

（5）空气钻井中，接立柱（或单根）或起钻前都要进行长时间的停钻循环，但一停泵岩屑就会迅速沉积，特别是钻遇水层，一旦停泵，循环压力的失去使水层出水加快并与沉积岩屑混杂在一起，一方面造成阻卡，另一方面恢复钻进十分困难，需长时间无进尺来完成泄压和建立井内新的压力平衡。

2 连续循环钻井技术的优势

国内最先应用阀式连续循环钻井技术是2008年南海HZ25-4合作区块，前3口井没有使用连续循环钻井技术，井下复杂情况事故多，每口井都超时完钻，3口井总共超预算3 000多万美元，后来应用了连续循环钻井技术，同一作业区块钻另2口井，无事故发生，提前完钻且完井十分顺利，体现出了连续循环钻井技术极大的优越性，具体对比见表1。

表1 连续循环钻井与常规钻井技术对比

（1）消除井内波动压力的影响，保持钻井液稳定的当量循环密度，保持井眼压力稳定，防止循环漏失或井涌、井壁坍塌等井下复杂情况的发生；防止和减少压差卡钻、砂桥卡钻、椭圆井眼卡阻等事故发生；有效解决空气钻井中的连续携砂和地层出水问题，稳定井内压力，攻克空气钻井几乎无法克服的难关，并使其钻进更安全，进尺更深。

（2）最佳的井眼清洗效果。连续循环保持连续携屑，对于消除岩屑床、减少摩阻系数和旋转扭矩起到关键作用；提高定向效果，良好控制井眼轨迹；减少短起下钻和倒划眼作业时间，提高作业安全性和作业时效。

（3）省去了接立柱（或接单根）停泵前长时间停止钻进循环带砂时间、对显示层的测后效和长时间循环取样时间、负压钻井的卸压和重新建立井内压力平衡的大段时间；减少接立柱后下钻中的大长段划眼时间；作业过程中的设备维修不必短起至套管鞋，减少设备维修过程的总停钻时间，大幅提高钻井效率。

（4）改进了对钻井液的管理，改善了对ECD值的有效控制，对孔隙压力与破裂压力窄窗口井、压力变化敏感井、深水井钻进尤为重要。ECD的控制在保证井下安全的同时使井身质量得以提高，保证了后续作业如下套管固井等的顺利实施，并可适当降低钻井液的胶凝强度等，维护好钻井液流变性。可减少许多钻井液处理费用，降低钻井成本。

（5）在水合物钻井中，应用连续循环钻井技术，可在整个钻井期间连续不停地泵入冷却了的钻井液，严格控制井内钻井液温度于一定值，最大限度保持水合物的稳定，避免因水合物快速分解导致气体聚积或井壁坍塌而造成无法钻进的问题。

（6）消除井底气体聚积带来的不利影响，减少各种复杂情况的发生，保护油气层，安全钻进。

3 阀式连续循环钻井装置的结构

深圳市远东石油钻采工程有限公司经过1年多的努力，在成都欧迅海洋特种技术工程公司等单位的支持下，完成了我国第1套包含循环短节和控制系统的阀式连续循环钻井装置的设计和样机建造，定名为FECCS。

该装置充分考虑了海上作业、钻井安全、钻井工艺、辅助设备等要求，可有效实现钻井施工时钻井液的不间断连续循环，达到安全、高效钻井。该装置在流道转换系统、循环短节、整机控制系统方面进行了创新设计，通过接入立管循环管汇的控制系统，控制钻柱上二位三通循环短节的主侧阀系统的开关动作，改变进入钻柱内循环介质的循环流道：当钻井液经立管过循环短节主阀进行循环时，控制侧阀系统自动关闭，钻柱可带着循环短节入井实施钻进作业；而当钻井液从控制系统侧管线经循环短节侧阀系统进入钻柱内进行循环时，循环短节主阀自动关闭，就可以不必停泵在保持井下正常循环工况下进行卸接立柱作业。也就是通过控制立管循环或侧循环的流道变换达到不停泵保持井下连续循环状态在井口安全接卸立柱，也可以在处理井下复杂情况过程中，或维修顶驱和提升系统装备时不用短起和停泵，保持井下正常循环的安全情况下来完成（图1）。

图1 连续循环钻井循环示意图

4 阀式连续循环钻井装置工业化应用对模拟试验的要求

（1）必须有强度保证、密封可靠、功能完善等一系列数据资料做依据，要有防止侧阀系统任何部件震松落井的可靠装置。

（2）要有一套方便接入到立管管汇系统中的控制系统，实现对阀体流道转换的控制。

（3）流道转换压力波动小，保持井底压力平稳。

（4）要实现连续循环钻井作业和传统方式钻井作业的零时间交替互换。

（5）短节密封要适应空气钻井中的空气介质、氮气介质、雾化钻井液和充气钻井液介质以及钻井液钻井和钻井液欠平衡钻井多种不同介质的作业要求，阀体结构和密封方式还必须适应多种不同钻井方式要求。

（6）要达到空气钻井中途的钢丝绳钻杆内测斜时阀板不阻，可安全畅顺起下测斜仪。

（7）要解决起下钻过程管柱内形成“圈闭气”时能得以安全释放的问题。

（8）必须具备井口操作安全，管汇固定牢靠，泄压安全有序，符合井控要求。

经过3年的技术攻关，深圳远东石油钻采工程有限公司已备有可配合多种扣型钻杆使用的循环短节（技术指标见表2），并有适合陆地钻机使用的卧式控制系统4套，配合海上平台钻机使用的一体式立式控制系统3套，在国内率先实现了液气两相钻井液不同方式连续循环钻井作业商业化。在四川、新疆进行了现场应用，并在981平台进行了连续循环钻井试验。

5 阀式连续循环钻井装置现场试验

川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院以集团公司重大科研攻关项目“连续循环钻井技术在空气钻井中的应用”为题，组织力量进行现场试验，在循环系统中接入阀式连续循环钻井装置，不仅实现了以钻井液为介质的连续循环钻井设备工程化应用，而且首次将连续循环钻井装备成功应用于多种介质的空气钻井中，取得了重大突破，实现了空气连续循环钻井工程化应用。

表2 FECCS循环短节技术参数

5.1 试验方案及保障措施

试验采用空气压缩机、增压机、膜氮机、压力调控装置、过程控制记录装置等设备，开展地面模拟空气连续循环钻井的全流程试验，测试其连续循环功能动作、流道转换与压力波动、压力调控与安全泄压、控制系统的压耗检测等功能；测试控制系统执行机构操作压力与闸阀手动操作状况、循环阀的高低压工况下的动态密封状况等；开展液流介质连续循环钻井作业接卸单根试验、连续循环装备接入钻机系统的实践等。

在进入总体流程实验之前，对循环短节各部件、控制系统各单体，按照质量控制体系，执行了严格的质量保证措施，主要有以下方面。

（1）严格选材。材料强度要求高，主侧阀体阀座密封面硬度值要求超过HRC42，保证3 000次敲击不变形，具良好密封性，并具高温酸性环境下的防腐蚀性能。

（2）严格的炉号证书，机械性能与化学成分分析、加工件的磁粉检测、超声波探伤证书。

（3）创新的侧阀防松防倒扣的安全结构设计，以及总体结构设计的ANSYS有限元安全性分析与阀板受力动量校核。

（4）主阀板动作可靠性试验及开启关闭状态试验，负压<0.8 MPa即可自动关闭。

（5）单件循环短节液/气高低压静密封试验必须合格（钢对钢密封低压密封更比高压密封难）。静水高压70 MPa，低压2.5 MPa；空气高压40 MPa，低压2.0 MPa。不仅厂家要做，还需经有国家检测资质的中石油集团安全检测中心检测合格并出具证书。

（6）循环短节批量抽检，经有国家检测资质的西安三维应力检测中心进行超高强度的5 000 kN抗拉、135 600 N·m抗扭状况下侧阀孔变形量检测，结果均小于0.02 mm，装卸正常及磁粉裂缝检测合格。

（7）控制柜电控系统试验及液控系统试验，动作协调，操控可靠，可液控也可手动。

（8）控制管汇系统旋塞阀和执行机构单件的高压100 MPa静水压试验合格。

（9）控制系统总体流程密封试验，静水压70 MPa，空气40 MPa，并实现连续循环和传统作业循环的零时间转换。

（10）外径45 mm钻杆内测斜仪各种倾斜角度过阀体，防卡挂试验，不卡不挂安全上下。

（11）圈闭气安全释放泄压装置试验合格。

5.2 试验结果

完成上述一系列试验后，川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院组织了对四川、新疆7口不同循环介质和不同钻井方式的连续循环钻井实钻试验，除了四川南页1井不太适应，其他都获得成功。各井基本情况见表3。

5.2.1 不成功试验分析 南页1井钻进Ø339.7 mm井眼遇压力特敏感地层，用0.6 g/cm3充气钻井液钻进时水层出水达400 m3/h；用清水钻进，60 L/s排量下大漏，有进无出。而一停泵地层水回吐，涌出岩屑造成沉砂卡钻，井内压力极不稳定，高压可达12~15 MPa。一旦漏失管内即成负压，无法形成正常循环。使用充气钻井液，充气量100 m3/min、充水量30 L/s，但二者根本无法均匀混合，无法对ECD值进行有效控制，无法实现流道转换作业，这种状况建立不了循环。只有换成低密度均质循环介质，测准地层孔隙压力和漏失压力，才能准确控制合适的ECD值，采用连续循环钻井技术来攻克这种特敏感层钻井。

5.2.2 成功试验分析 施工最为成功的井是新疆博孜101井。该井邻井102井在2 502~3 802 m库什组1 300 m井段沙砾石层采用密度1.06~1.16 g/ cm3钻井液钻井，多处出现井漏，井下复杂，阻卡严重。该段Ø431.8 mm井眼钻进108 d，平均日进尺仅12.04 m，机械钻速只有1.08 m/h。3 802~5 500 m的康存组细砾岩，粉砂岩段的1 698 m段用Ø333 mm钻头钻进用时213 d，平均日进尺只有7.97 m，机械钻速低至0.7 m/h，钻井效率极低。

表3 FECCS连续循环钻井在陆地油田实际作业简况

博孜101井地质条件与其上述邻井相同。施工中从2 530 m开始采用空气连续循环钻井作业，Ø431.8 mm井眼钻至3 602 m。该段1 072 m钻时17 d，平均日进尺63.06 m，是邻井日进尺的5.24倍，机械钻速提高达6 m/h，比邻井提高了5.56倍。而3 602 m后的Ø 333.4 mm井眼，空气连续循环钻进至4 652 m，该1 050 m段钻时18 d，平均日进尺达58.33 m，是邻井的7.32倍，机械钻速5.8 m/h，是邻井的8.29倍。不仅顺利通过漏失层、钻过水层，而且井身质量特好，全井斜只有1°多，给后续下套管固井作业创造了优越条件。3 602 m井深的Ø431.8 mm井眼下入Ø374.65 mm套管（接箍外径达400 mm），仅用了42 h一次到底，固井质量好，并且节省了几十只钻头。由于首次使用顶驱装置，中间维修保养次数多，但因应用连续循环技术，原深度停钻不停泵维修，从中节省了大量时间，总体时效提高明显。而设计井身结构相同，没有使用连续循环钻井的102井则事故不断，未能完成钻井任务。

6 结论及认识

6.1 结论

（1）FECCS阀式连续循环钻井装置由用于改变流道的二位三通式连续循环短节和接入钻井循环系统的过渡管汇系统及地面控制系统所组成，比起井口控制式CCS连续循环系统具有结构简单、操控检修方便、流道转换迅速可靠、波动压力小、井下压力稳定等优势，并可实现零时间转换循环方式。

（2）装备的设计制造执行了严格的质量保证措施，可适应不同钻井液介质对密封性能和方式提出的不同要求；不同钻井方式不同的井口装置对连续循环短节外部结构和附加功能都提出不同要求，装备的高质量是工艺有效实施的保证，是工程化过程中很重要的工作。

（3）控制系统接入原钻机的循环系统，中间必有一套过渡管汇系统，这也是商业化过程中重要一环，需根据各自特点，有效利用有限空间，来准备配套部件安排接入方式，使系统控制运行有序合理。

6.2 局限性

（1）实施连续循环钻井段，每接1立柱（或接1单根）就得接1个连续循环短节，整体钻柱对循环短节密封及流道转换的安全可靠要求非常高。这样不仅对材质要求高，而且对主侧阀系统加工精度、侧阀板流道与水眼轴向同心度的要求很高。侧阀座径向偏差一丝则阀板角度会偏差好几度，因此研究团队按照军品质量控制程序，精心设计，精密加工，严密组配，做到精益求精。

（2）连续循环钻井必须是可以建立循环的井才能应用，有进无出漏失严重、管内形成负压无法建立循环的井，不适用该装置。

（3）空气连续循环钻井不适于钻开高压气层。因为空气钻井循环压力不高，高压气层压力大大高于循环压力。一旦用此钻开气层，高压气上顶使主阀迅速密封，对钻柱将形成几百千牛的上顶力，同时造成井底岩屑憋入钻头水眼，造成憋卡问题，因此，用空气连续循环钻井钻开高压气层不安全。

（4）空气钻井使用充气钻井液钻井，气和液的混合方式必须改进。目前混合很不均匀，往往更多地形成一段气一段液。使得管柱内动量波动大，侧阀受力不均，很容易造成密封失效。

总之，任何新技术新装备，都必须经过反复几十次几百次的检测、试验，然后下井进行实钻考验，才能从中发现问题，加以整改完善。经过近3年的反复设计改进和完善，控制系统实现了第3代的定型。而连续循环短节，更是从结构到密封方式、井口胶芯防刮、防掉安全装置、水眼通径优化等做了重大更新和完善，经多口井实钻考验，没有发生任何井下问题，达到了工业化应用水平。

［1］石俊江.连续循环系统综述［J］.钻采工艺，2008，31（1）：60-62，76.

［2］胡志坚，马青芳，邵强，等.连续循环钻井技术的发展与研究［J］.石油钻采工艺，2011，33（1）：1-6.

［3］张微，李英明，王佳露，等.连续循环钻井技术装备与应用［J］.中外能源，2010，16（8）：44-47.

［4］连吉弘，张华.惠州25-4油田大位移井钻井新技术应用效果［J］.长江大学学报，2010，7（2）：208-210.

（修改稿收到日期 2014-10-23）

〔编辑 付丽霞〕

Industrialized application of valve-type continuous circulation drilling device

ZHANG Wunian1, JIA Yinge1, ZHANG Jing1, LUAN Bo2
（1.Shenzhen Fareast Oil Drilling Engineering Co.Ltd.,Shenzhen518068,China;2.College of Mechanical and Electrical Engineering,China University of Petroleum（Hua dong）,Qingdao266580,China）

The continuous circulation drilling is a major change to the conventional drilling fluid circulation mode.This article describes a detailed study of the principle, advantages and disadvantages of valve-type continuous circulation drilling.The researches of continuous circulation sub, control system and transition system connected to the riser manifold are based on a strict quality assurance system and the field drilling operations.The field test got continuous circulation drilling successes of seven wells, with different circulation medium and different drilling methods, which proving that the device meets kinds of drilling technology requirements.The device realizes the continuously circulating operation of connection and disconnection of the drilling tool joints without pumping off.It can avoid the downhole pressure surge caused by on and off of pump, so the range of ECD can be effectively controlled to keep downhole pressure stable to avoid or reduce the complex occurrence which might result accidents.The continuous circulation drilling device plays an important role in improving drilling efficiency, reducing drilling cost and increasing drilling security to achieve the success of drilling safely, efficiently and economically in all kinds of complicated wells.

valve-type continuous circulation drilling;circulation sub;control system;transition manifold system;pressure surge;downhole pressure balance

张武辇，贾银鸽，张静，等.阀式连续循环钻井装置的工业化应用探讨［J］.石油钻采工艺，2014，36（6）：1-6.

TE921

：A

1000–7393（2014） 06–0001– 06

10.13639/j.odpt.2014.06.001

张武辇，1943年生。1965年毕业于北京石油学院开发系，现主要从事陆地、海上钻井设备研制工作，教授级高级工程师。电话：13808851917。E-mail：zhangjing@feode.com。