窦金永

（大庆钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413）

气体钻井专用连续循环系统的研制

窦金永

（大庆钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413）

针对气体钻井特点，研发了一套专用于气体钻井的连续循环系统。该系统结构合理，功能完善，能够满足气体钻井的实际需要。阐述了研制该装备的关键技术，以期为国内连续循环系统的研发和完善提供新思路，具有一定的参考和指导意义。

气体钻井；连续循环系统；关键技术

在常规气体钻井过程中，钻杆上卸扣时由于气体循环通道中断，被迫停止气体的循环，造成诸多不利影响：①造成井眼中岩屑的沉降，容易导致沉砂卡钻；②在地层出水的情况下，积聚的水量过大会破坏井壁的稳定；③长时间的循环降低了整个接单根的效率。在气体钻井过程中采用常规的连续循环系统能够解决上述问题，但是存在匹配不合理、研制费用昂贵的问题。为此，研制了专用于气体钻井的连续循环系统。

1 结构及原理

气体钻井专用连续循环钻井系统主要由连续循环系统主机、闸板阀、液压动力系统以及电气控制系统组成（如图1），另外还需要顶驱的配合。其中，连续循环系统主机主要由导引机构、动力钳、升降机构、密封封隔装置、动力卡瓦及主机底座组成，如图2所示。

连续循环系统通过上述各部分的有机结合，实现了接单根（或立柱）和起下钻过程中气体的连续循环。通过上、下2个特制的半封封隔器可在钻杆接头两端形成密封，在转盘之上形成1个压力腔，钻杆卸扣后，特制的全封封隔器可以将整个压力腔分为上、下2个压力腔。接单根或立柱时，首先通过升降机构提升主机，将钻杆接头移动到正确的位置，由密封封隔装置下面的卡瓦将钻柱坐在方瓦上；然后关闭上、下2个半封封隔器形成压力腔，进行卸扣，钻具连接公扣旋出，直至完全退出母扣，此时打开旁通闸板阀向下压力腔，注入气体建立循环通道，之后关闭过顶驱循环通道；然后关闭母扣上方的全封封隔器，从而将压力腔分为2个部分，之后上压力腔泄压，取出公接头；同时，气体沿打开的母接头向下流入仍然维持正常循环。新上扣的单根或立柱通过导引机构公接头被放入上腔室，关闭上半封封隔器，全封封隔器随即被打开。此时，打开过顶驱的气体循环通道，之后关闭连接下腔室的循环通道，随后新接钻杆公接头下移，进行钻杆连接操作。钻杆上扣完成后，压力腔泄压，半封封隔器被打开，打开下部卡瓦，继续钻进作业。在井口带压循环条件下，上扣、卸扣以及钻杆下入和起出作业，都是由连接在压力腔顶部的动力钳和升降机构共同控制并操作完成的［1-2］。

图1 连续循环系统组成

图2 连续循环系统主机整体结构

2 主要技术参数

3 技术关键

在研发气体钻井专用连续循环系统的过程中，逐步确定了以下几个技术关键：

1） 实现上半封封隔器的旋转密封。

2） 实现钻杆接头的精确定位。

3） 大转矩动力钳的优化设计。

4） 实现主机的灵活移动。

3．1 上半封封隔器的旋转密封

为达到理想的密封及使用效果，上半封封隔器必须满足旋转密封的需要，选择使用环状胶芯的结构，与现有的主动式旋转防喷器相比，上半封封隔器的特点为不过接头、不必封零、无需冷却。通过方案优化，研发了一种胶筒式环形封隔器，通过液压推动胶筒变形延伸密封高压环空，实现在钻杆上、卸扣的过程中抱紧钻杆，与钻杆同步旋转。上半封封隔器的结构如图3。

图3 上半封封隔器结构

3．2 钻杆接头的精确定位

根据气体钻井压力级别低，封隔器外壁较薄的特点，创新采用下半封封隔接头外环空、动力卡瓦承托钻杆接头的设计，提高了坐卡的可靠性、降低了主机高度、无需寻找接头位置、半封胶芯不必上下滑动而且节省人力。如图4所示。

图4 钻杆接头精确定位示意

3．3 大转矩动力钳的优化设计

动力钳的作用为：卡紧钻杆并为钻杆上卸扣提供转矩。如图5所示，动力钳主要包括4大部分，其中卡瓦牙、卡紧连杆、旋转内套、内套止推轴承、上盖、限位筒以及卡紧液压缸组成卡紧机构，大齿轮、旋扣液压马达、旋转体止推轴承以及旋转体扶正轴承组成旋扣机构，上卸扣液压缸、齿爪及固定块组成上卸扣机构，定位液压缸及引导臂组成定位机构［2］。

图5 动力钳结构

3．4 主机的灵活移动

采用主机整体可横向移动的方式来代替主机固定在钻台面上的方式，能够方便进行钻铤及下部钻具的起下作业，方便更换旋转防喷器胶芯。实现主机整体可横向移动需要研发一个特殊的主机底座，如图6所示。主机底座主要由滚道、滚子、上侧限定板、边侧限定板、前侧限定板、后侧限定板、支撑板、滑动板、锚定机构、吊装机构以及基座等组成。

图6 主机底座结构

4 结论

1） 针对气体钻井特点，研制了一套结构合理、功能完善的连续循环系统，能够满足气体钻井的需要，提高工作效率。

2） 在实际研发过程中梳理出了实现上半封封隔器的旋转密封、钻杆接头的精确定位、大转矩动力钳的优化设计以及实现主机的灵活移动等几个关键技术，并逐一予以解决。

3） 该气体钻井专用连续循环系统还有待现场检验，并需要不断完善。

［1］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．

［2］王锡洲，王洪兵，肖利君，等．连续循环系统上卸扣卡瓦卡紧力计算方法研究［J］．石油矿场机械，2009，38（10）：35-39．

Development of Gas Drilling Continuous Circulation System

DOU Jin-yong
（Drilling Engineering and Technology Institute of Daqing，Daqing 163413，China）

According to the characteristics of gas drilling，a dedicated continuous circulation system for gas drilling has been studied．The structure of the system is reasonable，and the function is perfect to meet the actual needs of gas drilling．The key technology in the development of the equipment is analyzed，in order to provide a new way of thinking for development and improvement of domestic continuous circulation system，a certain reference and guiding significance is given．

gas drilling；continuous circulation system；key technology

TE926

A

1001-3482（2014）01-0066-04

2013-07-08

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”子课题“碳酸盐岩、火成岩及酸性气藏高效安全钻完井技术”（2011ZX05021002）

窦金永（1984-），男，天津人，工程师，主要从事气体／欠平衡钻井以及控压钻井科研工作，E-mail：doujinyongoo＠sina．com．cn。