連續循環閥氣體鉆井技術及其現場試驗

許期聰 鄧虎 周長虹 肖洲 董仕明 劉貴義

中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院

近年來，氣體鉆井技術日趨成熟，在四川、新疆等地已廣泛推廣應用，在提高機械鉆速、治漏惡性井漏、發現和保護油氣層等方面發揮了重要作用。但目前面臨大出水地層氣體鉆井生產時效低，中斷循環后可能引起井壁垮塌、卡鉆等井下復雜，充氣鉆井井底壓力波動大、井控風險高等問題。連續循環氣體鉆井技術可保持接單根、起鉆過程鉆井介質始終處于連續循環狀態，保持井底壓力恒定，消除因循環中斷造成的井下復雜，提高鉆井效率。本文在中國石油天然氣集團公司重大工程現場試驗項目的資助下，開展了基于連續循環閥的連續循環鉆井技術的研究試驗，以期為氣體鉆井技術及窄密度窗口控壓鉆井技術的進一步發展和推廣提供理論和技術支撐。

1 發展連續循環氣體鉆井技術的必要性

1．1 大出水地層氣體鉆井機械鉆速慢、鉆井時效低

大出水地層接立柱時，由于停止注氣井底大量積液，造成環空當量密度升高，降低了氣體鉆井機械鉆速；同時注氣舉液壓力高、波動大、時間長，給地面設備及管線帶來較大的安全風險。DB6井氣體鉆井期間地層出水量約74m3／h，鉆完1柱立柱大約需6h，而接立柱后注氣舉液至壓力穩定約需4h，最高壓力14MPa（圖1－a），井底壓力穩定前后鉆速相差1倍（圖1－b）。

圖1 DB6井充氣鉆井期間接立柱后壓力變化圖

1．2 大出水地層不能真實反映井底鉆壓，容易導致井斜

接立柱后井底大量積液，在注氣舉液過程中鉆進，氣舉壓力、懸重波動大，地面不能實時反映井底真實鉆壓，井斜不易控制，井眼不規則。DB6井氣體鉆井用14d鉆穿礫石層，井斜角由2．28°增加至18．02°，氣體鉆井結束后劃眼時間超過了40d。

1．3 出水地層、復雜地層氣體鉆井中斷循環易帶來卡鉆風險

氣體鉆井不具有鉆井液鉆井的懸浮能力，在中斷循環后未帶出井筒的大顆粒巖屑、局部輕微掉塊及大肚子井段的巖屑會急速下落堆積，帶來卡鉆風險。磨溪8井沙二段采用霧化鉆井提速治漏，鉆進時井下正常，但每次停氣、液接單根后下放鉆具不能到底，有時甚至需倒出單根重新循環，增加了井下風險。

1．4 充氣治漏井中斷循環后易導致井漏發生

在井漏、出水同存地層實施充氣鉆井雖然大幅度減小漏失，但在接單根期間和接單根后較長一段時間內，氣液比較低，井底壓力升高，井漏依然會發生。

1．5 充氣鉆井液壓波動大、溢流難監測

充氣鉆井接單根中斷循環后，井筒內氣體滑脫，恢復循環時間長，循環罐液面波動大，無法準確判斷井下溢流情況。

2 國內外相關技術發展現狀

目前國外擁有了成熟的鉆井液鉆井連續循環技術，包括連續循環鉆井系統（Continuous Circulation System，簡稱CCS）和不間斷循環閥兩種［1－11］，但未見用于氣體鉆井的報道。CCS于1995年提出［1］，2000年開始研發［2］，2003年成功開展現場試驗［3］，該系統現由美國NOV公司獨家提供技術服務，不對外銷售，已有6套投入商業應用。不間斷循環閥由ENI集團研制，該裝置完全甩掉CCS復雜龐大組合體的概念，現場更加適用［12－14］。

我國在連續循環鉆井方面的研究才剛剛起步，目前國內多家單位已開始了鉆井液介質條件下的CCS和連續循環閥兩種裝置的研究。中國石油鉆井技術研究院在“十一五”立項對此進行了研制攻關，設計了用于鉆井液循環的連續循環鉆井裝置，主要用于鉆井液窄密度窗口井。中國石油長城鉆探工程公司、西南石油大學等單位對閥式連續循環鉆井系統正在開展研究。中國石油川慶鉆探工程公司聯合國內科研院所研究并成功試驗了一種基于連續循環閥的連續循環鉆井系統，現正進一步試驗、改進、完善之中。

3 連續循環鉆井系統及技術原理

連續循環鉆井系統包括連續循環閥和地面控制系統。連續循環閥隨鉆具一起入井，通過地面控制系統實現正循環時側循環自動關閉和密封，側循環時正循環自動關閉和密封；地面控制系統包括執行裝置、控制裝置。

連續循環鉆井技術原理：通過連續循環地面控制系統控制連續循環閥，在不同鉆井工況下，根據需要實現正循環、側循環轉換，正循環時側循環自動關閉和密封，側循環時正循環自動關閉和密封，保持接單根、起鉆過程鉆井介質始終處于連續循環狀態（圖2），保持井底壓力恒定，消除因循環中斷造成的井下復雜，提高鉆井效率。

圖2 連續循環鉆井工藝流程圖

4 連續循環氣體鉆井現場試驗

4．1 寧211井氮氣鉆井條件下試驗

寧211井是四川省南部邊緣長寧背斜構造的一口評價井。215．9mm井眼鉆進的韓家店組—石牛欄組為粉砂巖、頁巖夾石灰巖，鉆井液鉆井存在鉆速慢，漏失量大等難題。采用氮氣鉆井鉆進至井深1 482．22 m開始連續循環鉆井系統試驗，主要目的是檢驗連續循環閥氣密封性、系統的可操控性、連續循環工藝的可行性。該井正常鉆進時，氮氣注入量120m3／min，鉆進時立壓2．6MPa。接單根總用時14min，先后完成了3次接單根連續循環作業（圖3），在側循環和正循環切換過程中，系統運行平穩，井口壓力波動小于0．07MPa，實現了接單根和起鉆作業的氣體連續循環，達到了井底壓力恒定的效果。初步證實了連續循環工藝的可行性和系統的可靠性。

4．2 月005－H1井氣液混合相條件下試驗

月005－H1井處于明月峽構造帶主體中北段西翼的甘家灣構造石炭系地層—構造復合圈閉北段近軸部位置。鄰井月5井采用1．07g／cm3的鉆井液鉆進至井深673．00m（雷口坡組），發生井漏，其中嘉五段地層井漏失返。本井311．2mm井眼（雷口坡組頂—飛仙關組頂）采用充氣鉆井提速治漏。

圖3 寧211井連續循環氣體鉆井注入壓力實時監測曲線圖

2013年3月21日，充氣鉆井至井深910．21m開始試驗連續循環鉆井系統，目的在于檢驗該系統在氣液混合條件下的密封能力、系統的可操控性，試驗正循環與側循環相互轉換時壓力波動大小等。該井試驗井段910．21～927．15m，注氣量60m3／min，注液量45 L／s，鉆進時立壓7．0MPa。側循環和正循環切換過程中，系統運行平穩、可控性好，實現了氣液混合時的有效密封，接單根前后最高壓力波動0．3MPa，池液面變化0．4m3（常規充氣鉆井液池液面波動可達20m3）（圖4），順利實現了充氣鉆井接單根作業中井下連續循環，確保了環空液柱當量密度穩定，有效地解決了充氣鉆井接單根后壓力波動大的問題，可避免由于環空液柱當量密度變化造成的井漏，較為準確判斷井下溢流情況，提高充氣鉆井的安全性。

充氣鉆井從停泵接單根、開泵到重新建立正常循環的時間大約為15min（井深900m左右），且隨著井深增加，時間會大幅延長；而采用連續循環技術實現了“無縫”連接，縮短了接單根“重建正常循環”的時間，有效提高充氣鉆井作業效率。

5 結論

1）連續循環氣體鉆井技術可以保持接單根、起鉆過程鉆井介質始終處于連續循環狀態，保持井底壓力恒定，消除因循環中斷造成的井下復雜等問題，提高大出水地層氣體鉆井效率和安全性。

2）連續循環氣體鉆井系統的研制成功將拓展氣體鉆井在出水地層的應用范圍，為提高深井、超深井及復雜地層的氣體鉆井時效、降低事故復雜、進一步加快油氣勘探開發步伐提供技術支撐。

圖4 月005－H1井連續循環H921．17m接單根錄井曲線圖

3）連續循環鉆井技術在充氣鉆井過程中的試驗成功，標志著該項技術從單一循環介質邁向了兩相循環介質的新臺階。

4）該項技術不僅可用于氣體鉆井作業，還可以用于液相條件下的連續循環，適用于欠平衡井、窄密度窗口井及壓力敏感井，為提高鉆井效率、實現安全高效鉆井提供技術手段。

［1］AYLING L J，JENNER J W，ELKINS H．Continuous circulation drilling［C］∥paper 14269presented at the Offshore Technology Conference，6－9May 2002，Houston，Texas，USA．New York：Offshore Technology Conference，2002．

［2］JENNER J W，ELKINS H L，SPRINGETT F，et al．The continuous circulation system：An advance in constant pressure drilling［J］．SPE Drilling ＆ Completion，2005，20（3）：168－178．

［3］VOGEL R．Continuous circulation system debuts with com－mercial successes offshore Egypt，Norway［J］．Drilling Contractor，2006，62（6）：50－52．

［4］胡志堅，馬青芳，邵強，等．連續循環鉆井技術的發展與研究［J］．石油鉆采工藝，2011，33（1）：1－6．HU Zhijian，MA Qingfang，SHAO Qiang，et al．Development and investigation of continuous circulation drilling［J］．Oil Drilling ＆ Production Technology，2011，33（1）：1－6．

［5］馬青芳．不間斷循環鉆井系統［J］．石油機械，2008，36（9）：210－212．MA Qingfang．Continuous circulation drilling system［J］．China Petroleum Machinery，2008，36（9）：210－212．

［6］王瑜，丁偉．連續循環鉆井技術及其應用前景［J］．石油礦場機械，2008，37（11）：94－97．WANG Yu，DING Wei．Development and application prospect of continuous circulation drilling technology［J］．Oil Field Equipment，2008，37（11）：94－97．

［7］CALDERONI A，GIROLA G，MAESTRAMI M，et al．Micro－flux control，E－CD continuous circulation valves allow operator to reach HPHT reservoirs［J］．Offshore Drilling，2009，65（3）：58－62．

［8］TORSVOLL A，HORSRUD P，REIMERS N．Continuous circulation during drilling utilizing a drillstring intergrated valve－the continuous circulation valve［C］∥paper 98947－MS presented at the IADC／SPE Drilling Conference，21－23 February 2006，Miami，Florida，USA．New York：SPE，2006．

［9］AYLING L J．Continuous circulation drilling method．US Patent：US6315051B1［P］．2001－11－13．

［10］AYLING L J．Continuous circulation drilling method．US Patent：US6739397B2［P］．2004－05－25．

［11］HAUGEN D M，HABETZ J M．Methods and apparatus for connecting tubular while drilling．US Patent：CA2459839A1［P］．2006－09－19．

［12］JENNER J W，ELKINS H L，SPRINGETT F，et al．The continuous circulation system：An advance in constant pressure drilling［C］∥paper 90702－MS presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition，26－29 September 2004，Houston，Texas，USA．New York：SPE，2004．

［13］CALDERONI A，CHIURA A，VALENTE P，et al．Balanced pressure drilling with continuous circulation using joined drill pipe［J］．Journal of Petroleum Technology，2007，59（4）：62－65．

［14］CALDERONI A，BRUGMAN J D，VOGEL R E，et al．The Continuous Circulation system from prototype to commercial tool［C］∥paper 102851－MS presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition，24－27 September 2006，San Antonio，Texas，USA．New York：SPE，2006．