连续循环阀钻井技术在南海东部大位移井中应用

2017-01-06许传波

石油矿场机械 2016年12期

关键词：管管旁通井眼

张强，许传波

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司深水工程技术中心，广东深圳 518067)①

连续循环阀钻井技术在南海东部大位移井中应用

张强，许传波

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司深水工程技术中心，广东深圳 518067)①

钻井；连续循环阀；大位移井；钻井时效

大位移井是指井眼的水平位移与垂直深度比值等于或者大于2的定向井，它是开发边际油田的最有效手段之一。由于大位移井具有长的裸眼稳斜段，岩屑易于沉积形成岩屑床，为了有效提升携岩石性能，防止卡钻事故发生，钻井液应保持连续循环状态。南海东部油田常规顶驱旋转钻进过程中，需要停泵接立柱(或者单根)，开泵恢复循环。频繁地开泵、停泵一方面造成岩屑的沉积，导致沉砂卡钻等事故，另一方面由于大位移井压力窗口窄，漏失压力和坍塌压力相差不大，停泵、开泵造成的激动压力易造成井漏井塌等复杂状况。因此，大位移井钻进过程中保证钻井液处于连续不间断循环状态十分重要。

南海东部油田某区块采用新型钻井工艺——连续循环阀钻井技术(CCV，Continuous Circulation Valve)开发了3口大位移井。

1 连续循环阀钻井技术简介

连续循环钻井技术(CCD，Continuous Circulation Drilling)是指整个钻进期间钻井液连续流动，有效地保证井底稳定的当量循环密度ECD和充分携岩及清洗井眼的一种钻井技术。连续循环钻井技术分成连续循环系统钻井技术(CCS，Continuous Circulation System)和连续循环阀钻井技术(CCV)[1-2]。

1.1 国内外研究现状

Laurie Ayling在1995年首次提出了连续循环钻井的概念。2000年，连续循环钻井联合工业项目开始运行，2003年取得现场测试的成功，随后开始了工程样机的设计和制造并在2005年连续循环系统实现商业化应用。Statoil 公司利用连续循环钻井技术在北海油田成功完钻6口井，标志着该技术的巨大应用潜力[3-6]。

连续循环系统结构复杂，对设备密封、强度、耐用性等性能与操作标准均提出了很高的要求，限制了连续循环钻井技术的发展。为了简化该技术，意大利ENI集团首次开发了E-CD系统[7]，即连续循环阀系统。首台样机在位于挪威的全尺寸试验钻机“ Ullrigg”上的测试结果表明，连续循环阀可以大幅提高钻井时效。随后该公司利用连续循环阀钻井技术开发7口复杂井，均取得成功[8]。2011年开始，深圳远东石油钻采工程有限公司联合川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院展开了连续循环阀的技术攻关，并将该技术成功应用在四川、新疆等7口井的钻探工作中。经过近10 a的发展，连续循环阀钻井系统已进入推广应用阶段，国内主要的石油公司也在尝试使用此项技术。

1.2 技术优势

1) 保持井眼清洁。钻井液长时间的静止会导致岩屑的沉积，连续循环阀钻井可以保证钻井液的不间断循环，有效地清除井内岩屑，防止造成压差卡钻、砂桥卡钻、沉砂卡钻等钻井事故的发生，同时，连续清洗井壁提升了井壁泥饼致密度，减少漏失的同时降低了井壁泥饼摩擦因数，摩阻降低，从而减少钻进转矩，提升作业时效。

2) 消除井内波动压力的影响[9]。大位移井钻进过程中稳定的井内压力可以降低钻井液当量循环密度的波动，降低井壁不稳定坍塌的风险，连续循环阀钻井技术接立柱时不用频繁地开泵停泵，消除了开泵停泵造成的激动或者抽汲压力，降低井漏或井涌风险。

3) 减少钻井非生产时间，增加钻井时效，节约成本。常规钻井在卸接立柱或单根后需要一定的时间重新建立循环，建立平衡，连续循环阀系统不需要这段非生产时间，同时钻井液的连续循环可以有效降低倒划眼的时间和次数，降低倒划眼的转矩与难度，工作效率大幅度提升[10]。

4) 结构简单，性能可靠。连续循环阀钻井系统相对其他连续循环系统设备稳定性高，操作简单，现场实用性强。同时常规钻井如果设备出现故障，需将井内钻具短起到套管鞋，连续循环阀系统可以随时进行设备维修，从而节省作业时间。

2 连续循环阀系统工作原理

2.1 结构组成

连续循环阀系统主要由连续循环阀、控制分流系统、管汇系统组成。控制分流系统接入泥浆泵和立管管汇系统，通过控制面板上平板阀的操作实现立管和连续循环系统间的转换。控制分流系统由电液控制，安全防爆，对承压能力和密封性能要求较高。每次作业前应对其首先进行低压试验(2.1 MPa/5 min)，然后进行高压试验(49 MPa/15 min)，试压期间压降不大于2%或者1 MPa才能进行下一步作业。

连续循环阀是连续循环阀系统的主体结构，由旁通阀、侧阀座、中心单向阀、循环阀本体等组成。连续循环阀连接在钻柱上，在钻进过程中作为钻柱的一部分下入井中，接立柱或者单根时与控制系统配合，通过改变钻井液的流向实现钻井液连续循环。使用循环阀时一方面保证与常规钻井设备的兼容性与匹配性，不影响电缆测斜等仪器的顺利下入，另一方面，保证旁通阀与管汇系统密封良好，满足低压及高压试压标准。

管汇系统连接连续循环阀系统各部件，要有一定的高压承压能力，为钻井液的循环提供流通通道。

2.2 作业流程

连续循环阀钻井在接立柱过程中的具体操作步骤主要分成4步[11]。

1) 正常钻进。正常钻进过程中钻井液经由立管管汇循环，连续循环阀的旁通阀关闭。如图1所示。

图1 立管管汇循环系统

2) 旁通阀接入控制分流系统。使用顶驱上提钻柱，保证连续循环阀的旁通阀处于方便接入旁通软管高度，坐上卡瓦，固定钻柱，将高压软管接入连续循环阀的旁通阀，并保证其强度和密封性能良好，此时连续循环阀与控制分流系统连接。

3) 循环系统转换。使用控制系统将高压软管内充满钻井液，并当管汇压力达到与立管压力相当时，关闭立管管汇系统，并卸掉立管压力，此时立管管汇和连续循环系统实现转换，钻井液不通过立管管汇，直接流经连续循环阀实现立柱过程中的连续循环。如图2所示。

4) 接立柱，恢复正常钻进。接立柱后，打开立管循环系统，将立管管汇内充满钻井液并达到循环压力，此时使用控制系统关闭连续循环阀的旁通阀，卸掉旁通软管及管汇内的剩余压力，提起卡瓦，从而恢复正常钻井过程。

图2 连续循环阀系统

3 连续循环阀钻井技术现场使用评价

3.1 南海东部油田大位移井概况

南海东部油田某区块位于南海珠江口盆地，油田所在海域水深100 m，主要目标层位于中新统，属于正常的温度及压力系统，前期主力油层的采出程度超过60%，已经进入开发后期。为了进一步开发深部潜力较大的油藏，2015-04开始在预探井PY10-8-1井的基础上开始3口大位移调整井的钻探，以求增加采出程度，挖掘剩余潜力。3口井的基本参数如表1所示。

表1 南海东部3口井基本参数

3.2 现场应用

不稳定的工况易造成井下复杂事故的发生，为了保证井下安全，决定在4 892～5 568 m使用连续循环阀钻井系统，保证钻井液的连续循环。该井段共使用连续循环阀短节24个，泵压、排量、钻压较为稳定，钻进过程中当量循环钻井液密度ECD变化率小于2.4%，机械钻速ROP相比常规钻井速度有所增加，比设计完钻时间提前10%以上，顺利完成钻井。如图3。实践表明：使用连续循环阀系统顺利通过断层，到达完钻井深，没有发生垮塌漏失等现象，同时倒划眼起钻过程非常顺利，表明该段井眼较为规则，井壁光滑，井眼清洗效果较好。连续循环阀钻井工艺在该井的使用是成功的。

图3 连续循环阀系统在PY10-8-A3井的应用

连续循环阀钻井工艺在PY10-8-A3井中的成功应用为该区块后续大位移井的钻井积累了宝贵的经验，随后开钻的2口大位移井PY10-8-A1井和PY10-8-A1H井在复杂井段均采用了连续循环阀钻井工艺并顺利完钻。连续循环阀在3口井的使用情况如表2所示。

表2 连续循环阀在3口井的使用情况

4 结论

1) 连续循环阀钻井技术实现了钻井过程中钻井液的不间断循环，降低井底当量循环钻井液密度ECD的波动范围，提升井眼清洗效果，有效地解决了窄压力窗口井、高温高压井、大位移井等复杂井在接立柱过程中停泵、开泵造成的系列难题。

2) 连续循环阀钻井技术在南海东部油田3口大位移井中的成功应用是该技术在海上油田的又一成功突破，为未来海上大位移井等复杂井的开发提供了有力的技术支持，为复杂井的钻进提供了一个新的思路和解决方法。

3) 连续循环阀系统仍有许多技术瓶颈需要攻关。例如旁通阀与高压软管的密封性能、连续循环系统与立管系统的无时间间隙转换、高压管汇与控制系统的强度与耐压性能、两种循环系统的部件匹配性问题等。

[1] 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.

[2] Brugman J D，Vogel R E，Jenner J W.The continuous circulation system-from prototype to commerciall tool[R].SPE 102851，2006.

[3] 马青芳.不间断循环钻井系统[J].石油机械,2008，36(9)：210-212.

[4] 王瑜，丁伟.连续循环钻井技术及其应用前景[J].石油矿场机械,2008，37(11)：94-97.

[5] 周爽.连续循环钻井[J].国外油田工程,2003，19 (10)：23-25.

[6] Jenner J W，Elkins H L，et al.The continuous circulation system：an advance in constant pressure drilling[R].SPE 907022PA，2005.

[7] Vogel R.Continuous circulation system debuts with commercial successes offshore Egypt Norway[J].Drilling Contractor，2006，62 (6)：50-56.

[8] 陈香润，邱亚玲，刘清友，等.连续循环系统工作原理分析及方案设计[J].西南石油大学学报,2007，29(1)：110-112.

[9] 王锡洲，王洪兵，肖利君，等.连续循环系统工作原理分析及方案设计[J].石油矿场机械,2009，38(10)：35-39.

[10] Torsvolla，Horsrud P.Continuous circulation during drilling utilizing a drillstring integrated valve-the continuous circulation valve[R].SPE 98947，2006.

[11] Ayling L J，Jenner J W.Continuous circulation on drilling[J].Drilling Technology，2003(2)：14269-14271.

Application of Continuous Circulation Calve Drilling Technology in Nanhai East Large Displacement Wells

ZHANG Qiang，XU Chuanbo

(Deepwater Well Engineering & Operating Center，Shenzhen Branch，CNOOC Ltd.，Shenzhen 518067，China)