反循环双壁钻具研究与应用

刘义彬，郭贤伟，季小娜，董赵朋，田晓勇，王小娜

（渤海钻探工程有限公司 工程技术研究院，河北 任丘062552）

反循环双壁钻具研究与应用

刘义彬，郭贤伟，季小娜，董赵朋，田晓勇，王小娜

（渤海钻探工程有限公司 工程技术研究院，河北 任丘062552）

介绍了反循环钻井的应用现状、工艺原理和技术特点，研制了自地面至井底的全套双壁钻具。阐述了双壁钻杆、双壁气盒子、双壁方钻杆、双壁双通道单封旋塞阀、双壁环形单向阀以及双壁钻具转换短节的作用、结构、工作原理和基本参数。试验表明，双壁钻具的各项性能均符合设计要求。在现场应用1口井，取得了很好的效果。

反循环；双壁钻具；结构

反循环钻井技术作为欠平衡技术的重要分支，已成功应用于开发浅层天然气和煤层气中。在国外，反循环钻井技术主要用于矿产勘探，利用空气锤反循环技术成为突破硬地层钻进的主要手段，提速效果显著。加拿大Press Sol公司已经将双壁钻具反循环钻井技术成功应用到浅层天然气的商业开发中。在国内，双壁反循环钻井技术仅在水文地质工程方面应用较多，例如北京水文地质工程公司在地热井上实施过双壁反循环钻井，中国地质科学院勘探所、吉林大学等对双壁钻井都进行过研究，对石油钻井方面的应用有指导和借鉴意义［1-3］。目前，我国大多数油田已进入开发后期，地层压力衰竭严重，如何进行低压油气藏的勘探开发和解决钻进中的漏失问题就凸显得尤为重要。反循环钻井技术作为解决井漏和低压易漏油气藏的勘探开发的一种崭新方法，具有良好的应用前景。

1 双壁钻具反循环钻井工艺原理

双壁钻具反循环钻井原理如图1所示，压缩空气从双壁钻杆的环形空间压入井底，流经钻头进入双壁钻具中心管，携带井底钻屑高速返出到地面，形成反循环过程。该技术的优点：

1） 能有效降低井底压差，提高机械钻速。

2） 施工过程稳定，井内冲洗液面高度影响较小。

3） 钻探富含水层的深水井，钻进不受水位深度的影响。

4） 钻具压力分布均匀，且大于大气压力，钻具气密封性良好。

图1 双壁钻具反循环钻井原理

2 双壁钻具的研制

反循环钻井技术是以空压机和双壁钻具为依托。在石油钻探领域采用气举反循环钻井时，有必要在工具、设备和工艺技术方面做出较大的改进，以适应石油钻探的工艺特点。这些改进主要包括设计适应现场条件的气举反循环钻井流程，解决井眼轨迹的控制问题，研制适合于小井眼的双壁钻具以及增加双壁钻具的密封压力级别等。

双壁钻具系统主要由双壁气盒子、双壁六方钻杆、双壁钻杆、双壁双通道单封旋塞阀、双壁钻铤、双壁环形单项阀等组成。

2.1 双壁钻杆

双壁钻杆作为压缩空气和钻井液混合流动的通道，其结构如图2所示。双壁钻杆设计要求：首先钻杆要有相应的强度和刚度；钻进过程中为防止造成过度磨损和增加水力损耗，内、外管不应产生较大的相对位移；双壁的内外双通道密封性要好，能有效隔离两通道以及外管空间；中心通道要平滑，以降低岩屑返出时造成的冲蚀、磨损；双壁钻杆在现场要方便与原有钻具的连接。双壁钻具外管靠端面密封；内管采用插入式连接，依靠多个O形圈密封。内中心管采用无缝钢管制造。

图2 双壁钻杆结构示意

2.2 双壁气盒子

双壁气盒子结构主要由内本体、滚动轴承、外本体、进气管、注气管和下接头等部件组成，如图3所示。其设计要求具有气液双通道以及高压密封性；要有足够的抗拉强度；芯轴与壳体可相对转动；排渣通道具有高抗冲蚀和耐磨性。双壁气盒子的作用是提供气液双通道，在保证注气需要的同时，又要保证循环的气液固三相流体能够顺利地排入到过滤循环罐中。

图3 双壁气盒子结构示意

2.3 双壁六方钻杆

双壁六方钻杆作为转盘驱动的主要井口钻具，要充分保证其结构的机械强度。在内径和外径已定的条件下，采用六方截面的方钻杆具有更大的机械强度。双壁六方钻杆结构如图4所示。

图4 双壁六方钻杆结构示意

2.4 双壁双通道单封旋塞阀

双壁双通道单封旋塞阀是用于反循环钻井作业与双壁方钻杆联接的手动旋塞阀，其结构如图5所示。本体和内中心管的之间为气体通道，内中心管通孔为液（气）体通道，二者是密封隔离的。

图5 双壁双通道单封旋塞阀结构示意

通过有限元分析软件Abaqus对双壁双通道单封旋塞阀的关键部件（球阀）进行仿真应力和变形分析，应力云图和变形云图如图6。由模拟数据可知：球阀在受力达108 MPa时才会发生屈服变形；球阀在最大压力情况下，变形量仅为0.127 mm。表明所设计的球阀完全可以满足使用要求。

图6 球阀仿真应力和变形云图

在反循环钻井作业中，双壁双通道单封旋塞阀安装在双壁方钻杆的上部或者下部，其作用有2个。一是提供气体通道和液（气）体通道；二是单封防喷。具有单封内眼的功能，可以与井下双壁环形单向阀配合，实现两个通道同时开或关，有利于现场工艺的处理。双壁双通道单封旋塞阀平时为常开式，当发生溢流、井涌时，只需用专用扳手转动球体90°，就能快速地关闭该阀，防止地层流体沿钻柱水眼向上喷出。

2.5 双壁环形单向阀

双壁环形单向阀主要由上接头、连杆、阀杆、阀座、弹簧、本体及密封组件等组成，其结构如图7所示。阀杆与本体的内孔径配合，使阀杆扶正居中；阀杆设有轴向气道，供气体通过；阀杆下端与双壁钻杆内管配合。阀座与本体之间采用O形圈和YX形密封圈组合方式，与阀杆之间采用锥面金属密封和橡胶件密封。在弹簧的作用下，阀座与阀杆配合锥面保持紧密接触。回流控制阀的上下端为钻杆接头螺纹，与双壁钻杆连接。

图7 双壁环形单向阀结构示意

3 现场应用

3.1 达县仙女山温泉2井概况

达县仙女山温泉2井是一口以钻采温泉为目的的直井，二开215.9 mm井眼清水钻进至井深678 m，因井下漏失严重而无法继续钻进。本井从678～900 m（嘉陵江组）井段设计实施空气反循环钻井工艺。井身结构如图8所示。

图8 达县仙女山温泉2井井身结构示意

3.2 钻具组合及钻井参数设计

钻具组合：127 mm（5英寸）三牙轮钻头＋228.6 mm（9英寸）双壁钻铤＋228.6 mm（9英寸）环形单向阀＋钻杆-钻铤转换短节＋双壁钻杆转换短节＋127 mm（5英寸）双壁钻杆＋双壁钻杆转换短节＋139.7 mm（5⅟²英寸）方保接头＋双壁下旋塞＋双壁六方钻杆＋双壁上旋塞＋双壁气盒子＋旋转充气水龙头。

钻井参数：钻压50～60 k N，冲砂钻压20～40 k N，注气量4 m3／min。

3.3 现场施工情况

达县仙女山温泉2井施工井段678～900 m，进尺222 m。反循环钻进时，能正常钻进携带岩屑，岩屑粒径最大达10 mm×10 mm×30 mm。机械钻速为4.6 m／h，与正循环相比提高65%。解决了地层漏失问题，降低了钻井成本，整体施工效果良好，达到了试验预期。

4 结论

1） 双壁钻具反循环钻井工艺特别适合于压力衰竭、漏失量较大、低压、低渗地层等非常规油气藏的勘探开发。

2） 配套并研制了自地面至井底的全套双壁钻具，包括双壁钻杆、双壁气盒子、双壁方钻杆、双壁双通道单封旋塞阀、双壁方保接头、双壁钻杆转换短节、双壁钻杆-钻铤转换短节以及双壁环形单项阀等。

3） 双壁钻具的外管端面密封与内管的插入密封性能好，耐气压10 MPa，耐液压30 MPa，达到了设计要求。

4） 现场应用表明该技术工艺简单，成本低，效果好。

5） 反循环钻井技术的现场应用，必将加快低压、易漏油气藏勘探开发节奏，对提高油气井产量及开发综合经济效益具有重要意义。

［1］ 王运美，李琛，马建民.反循环钻井技术在浅层气开发中的应用［J］.石油机械，2007，35（5）：59-61.

［2］ 李生红，杨启明.双壁钻杆反循环钻进的优点浅析［J］.中国煤田地质，1990，2（2）：84.

［3］ 李永和.双壁钻杆低压钻井工艺技术［J］.石油钻探技术，2007，35（2）：2-3.

［4］ 吴智中.钻井双壁钻具研制与应用［J］.石油钻探技术，2007，35（2）：46-47.

［5］ 刘建林.反循环空气锤及其在空气钻井中的应用前景［J］.石油矿场机械，2012，41（7）：11-14.

［6］ 陈颖洁，房小松，朱荣东，等.气体钻井钻具失效原因与预防措施［J］.石油钻探技术，2011，40（2）：87-90.

Research and Application of Reverse Circulation Double-wall Drill

LIU Yi-bin，GUO Xian-wei，JI Xiao-na，DONG Zhao-peng，TIAN Xiao-yong，WANG Xiao-na
（Engineering Technology Research Institute，BHDC，Renqiu 062552，China）

The present sit uation of t he application of reverse circulation drilling，pr ocess principle and technical characteristics are described，and the double-wall drill are developed fromthe ground to t he botto m of a f ull range of double-wall drill.In detail t he double-wall drill pipe，double-wall box，double-wall drill pipe，double-wall t wo-channel single sealing cock valves，double-wall ring check val ves and double-wall drill conversion sub f unction，str uct ure，wor king principle and basic parameters are elaborated.Tests show that double-wall drill perf or mance of the design requirements.And a well on site application achieved good application effect.

reverse circulation；double-wall drill；str ucture

TE921.203

A

1001-3482（2014）06-0018-04

2013-12-26

中国石油集团公司项目“特殊工艺井钻井与提高单井产量钻井技术”子课题“反循环钻井技术研究及双壁管低压钻井完井技术研究”（04B2080207）

刘义彬（1981-），男，山东烟台人，工程师，2004年毕业于长江大学，主要从事欠平衡、空气钻井的研究应用工作，E-mail：liuybcc＠126.co m。