連續循環鉆井系統防噴器組的研制

李 俊趙榮軍孟慶榮王 薇 王一婷陳德浩

（1.華北石油榮盛機械制造有限公司，河北任丘 062552；2.華北油田公司采油工程研究院，河北任丘 062552）

連續循環鉆井系統防噴器組的研制

李 俊1趙榮軍1孟慶榮1王 薇 王一婷2陳德浩2

（1.華北石油榮盛機械制造有限公司，河北任丘 062552；2.華北油田公司采油工程研究院，河北任丘 062552）

連續循環鉆井技術是近年來出現的一項新技術，該技術能夠實現接單根或立柱期間鉆井液的連續循環。鉆井液的連續循環是通過一組防噴器組成的密閉腔內對不同閘板腔的開啟和關閉來實現。通過對連續循環鉆井過程中防噴器組工況的分析，結合常規鉆井防噴器的特點，確定了該防噴器組的整體結構形式，介紹了防噴器無側門螺栓連接結構的設計、耐磨前密封的設計、試制和試驗、卡瓦閘板的設計、閘板開關狀態檢測裝置的設計情況以及整機樣機制造及現場試驗情況。現場試驗表明，該防噴器組的設計基本達到了預期的目標。最后根據連續循環系統現場試驗情況提出了下一步的改進方向。

連續循環鉆井；防噴器組；無側門螺栓連接；耐磨前密封；現場試驗

連續循環鉆井（Continuous Circulation Drilling-CCD）系統實現了接單根或立柱期間鉆井液的連續循環，從而在整個鉆進期間內實現了穩定的當量循環密度和不間斷的鉆屑排出，全面改善了井眼條件和鉆井安全，提高了復雜地層鉆井的成功率和安全性，是100多年來常規鉆井鉆井液循環方式的重大變革，是一項有著巨大經濟意義和發展潛力的新技術［1-2］。該技術特別適合窄鉆井液密度窗口條件下的安全鉆井。另外，在大位移井、水平井、高壓高溫井、欠平衡井中，該技術可最大限度地保證已經形成的井壁不發生垮塌，避免卡鉆，極大地降低鉆井事故，提高總的機械鉆速［3-4］。

連續循環系統主要由主機、鉆井液分流裝置、動力單元以及控制系統組成。主機是連續循環系統的核心，主要包括動力鉗、強行起下裝置、防噴器組和動力卡瓦等。連續循環系統的工作原理是：首先關閉防噴器組的上、下半封閘板，在防噴器內形成一個密閉的容腔，在容腔內填充滿高壓鉆井液后，利用動力鉗卸扣，使鉆桿接頭脫離；接著用強行起下裝置將上部鉆桿提升至中間全封閘板上端，并利用鉆井液分流裝置與防噴器上的旁通閥，完成鉆井液循環通道的分流切換，即鉆井液完全從防噴器上的旁通管道泵入腔體，而鉆井液泵與立管之間的通道被完全切斷；之后關閉全封閘板，從而形成上、下2個密閉腔室，在上腔卸壓后打開上半封閘板，并提出上部鉆桿，這樣就完成了卸鉆桿操作。同樣利用與上述相反的控制流程可完成加接新鉆桿的操作，此時鉆井液仍不斷被泵入井內，從而實現鉆井液的連續循環［1-5］。防噴器組是連續循環系統主機的關鍵部件，在接單根或立根過程中形成密閉腔體密封鉆桿、提供鉆井液連續循環的通道。其中防噴器上閘板總成在工作過程中除了承受工作壓力產生的負荷外，還要承受鉆桿旋轉和上下移動產生的額外負荷，工作條件非常惡劣。這就要求防噴器閘板膠芯要比常規鉆井用防噴器膠芯更加耐磨、使用壽命長、更換方便迅速［2］。另外，在上卸扣過程中，主機要承受上卸扣的反扭矩，國外的產品是靠鉆具與動力卡瓦之間的摩擦力來承受扭矩，這就需要鉆具的重量大于445 kN，否則無法為動力卡瓦提供反扭矩，完成上卸扣［2-3］，而且卡瓦牙板既要承受鉆具重量，又要提供反扭矩，與鉆桿本體之間受力狀態非常復雜，很容易損壞鉆桿本體。

為了適應連續循環鉆井技術發展的需要，進行了關鍵部件防噴器組的研制開發。針對連續循環鉆井系統防噴器的工況，提出了以下幾點要求：閘板膠芯耐磨性好、使用壽命長、更換閘板膠芯方便快捷；利用卡瓦閘板來承受扭矩，使動力卡瓦僅承受鉆具重量，結構簡單可靠；在高度方向上閘板腔之間的距離應能夠讓開鉆桿接頭，滿足上卸扣的要求；防噴器組應有2個側出口，用于上卸扣過程中循環鉆井液；在此基礎上，要求盡可能地降低整機高度。

1 防噴器組總體結構設計

結合連續循環鉆井系統的特殊需要，通過深入分析研究國內外同類產品的情況，確定了防噴器組采用通徑228.6 mm、工作壓力35 MPa的閘板防噴器，確定了防噴器組由1臺單閘板防噴器和1臺三閘板防噴器組成。三閘板防噴器采用雙栽絲連接，從上到下分別安裝全封閘板、卡瓦閘板和半封閘板，中部有1個側出口，單閘板防噴器采用上栽絲下法蘭連接，安裝半封閘板，下部有1個側出口，這樣，單閘板防噴器半封閘板與三閘板防噴器全封閘板之間的距離既能夠滿足上卸扣的要求，又降低了整機高度，減輕了重量。

防噴器內腔采用矩形腔結構，有效降低了防噴器的高度，頂部密封面采用耐磨耐腐蝕合金，防止磨損、擦傷及鉆井液腐蝕，延長本體使用壽命；殼體和側門的連接采用無側門螺栓連接的結構，更換閘板快捷、方便；側門與殼體的密封采用徑向密封，不需要預緊力，密封可靠；液缸設計成薄壁型，以縮小整機外形尺寸，減輕重量；取消了普通防噴器的手動鎖緊裝置，設計了閘板開關狀態檢測裝置；專門設計研發了耐磨前密封，使閘板動密封耐磨性能良好，具有較大的橡膠儲備，即便在橡膠或鉆具嚴重磨損時也能形成可靠的密封。

防噴器組的具體參數：通徑228.6 mm；額定工作壓力35 MPa；額定液控壓力21 MPa；推薦液控壓力8.5～10.4 MPa；金屬本體溫度級別：T20（-29～121 ℃）；橡膠件溫度級別：BB（-18～93 ℃）；工作介質：天然氣、原油、鉆井液。

可配備閘板規格：全封、?60.3 mm、?73 mm、?88.9 mm、?101.6 mm、?114.3 mm、?127 mm、?139.7 mm、?168.3 mm、?177.8 mm。

可配備卡瓦規格：?60.3 mm、?73 mm、?88.9 mm、?101.6 mm、?114.3 mm、?127 mm、?139.7mm、?168.3 mm、?177.8 mm。

卡瓦閘板承受扭矩：100 kN·m。

側出口規格及數量：?80 mm×35 MPa，數量2個，分別布置在單閘板的下部及三閘板中部。

2 關鍵技術

2.1 無側門螺栓連接結構的設計

連續循環系統防噴器膠芯在使用過程中工作條件惡劣，膠芯很容易磨損失效，需要經常更換。常規防噴器側門和殼體之間采用端面密封，需要較大的預緊力，一般靠螺栓連接來產生預緊力，更換膠芯需要上卸大量的螺栓，工作量較大，停鉆時間很長。而連續循環鉆井要求要盡可能地縮短停鉆時間，以利于提高效率，降低鉆井成本［4］。為此，將殼體與側門之間的密封方式改為軸向密封，這樣，殼體與側門之間不需要預緊力；在側門與殼體的連接上采用了與常規防噴器不同的無螺栓結構：殼體與側門之間通過無螺栓機構進行連接，側門總成通過銷軸懸掛在殼體上，可以在銷軸上滑動，依靠無螺栓連接機構承受井壓作用在側門上的作用力。更換閘板時，只需要將無螺栓連接機構打開，即可將側門總成和閘板總成從殼體中取出，進行閘板膠芯的更換，更換完成后，將閘板總成和側門總成推入殼體內然后將無螺栓連接機構關閉并鎖緊即可，更換膠芯方便快捷。確定了基本結構后，根據工作壓力和通徑尺寸，確定了殼體、側門、無螺栓連接機構等的初步尺寸，然后建立三維模型，利用有限元軟件按照強度試驗、密封試驗等不同工況分別進行有限元模擬計算，根據計算結果進行尺寸和結構調整，然后再進行模擬計算。經過多次模擬計算，最終確定了殼體、側門、無螺栓連接機構等零件的尺寸和結構，完成了產品的結構設計。

2.2 耐磨膠芯的研制

連續循環系統防噴器膠芯在使用過程中除了承受工作壓力產生的負荷外，還要承受鉆桿旋轉和上下移動產生的額外負荷，如果采用普通閘板防噴器膠芯，很容易磨損失效，一方面由于密封膠芯壽命短，頻繁更換膠芯，增加了接單根的時間，降低了連續循環鉆井的效率，另一方面由于膠芯易損壞，增加了連續循環鉆井的風險。為此，通過對膠芯在工作過程中的受力情況的分析，從結構和材料2方面入手，進行了耐磨膠芯的研制。

密封膠芯的受力情況：膠芯主要承受密封壓力、鉆桿旋轉以及上下移動時膠芯與鉆桿之間的摩擦力。密封壓力為循環鉆井液的壓力，無法更改；膠芯與鉆桿之間的摩擦力由防噴器液缸的關閉壓力決定。因此在滿足密封的基礎上，盡可能地減小關閉壓力，將極大地改善膠芯的受力狀況。從結構上對膠芯進行了優化設計，使膠芯的儲膠量增加，變形更加均勻，使膠芯在很小的關閉壓力下即可密封鉆桿，并且在出現較大磨損后也能夠形成密封。另外，根據膠芯的工況，優選多個配方，進行了多次模擬試驗，根據試驗的結果對膠芯的結構尺寸和配方進行優化調整，最終確定了膠芯的結構尺寸和配方。并進行了耐磨前密封的試制和試驗。在試驗過程中時，僅使用3.5 MPa的關閉壓力即可密封35 MPa井壓，與常規防噴器的推薦關閉壓力（10.5 MPa）相比，關閉壓力降低了很多；優選的膠芯配方使膠芯耐磨性能良好，在有水冷卻的情況下，能夠連續旋轉30 min并且密封21 MPa井壓。產品性能達到了設計要求。圖1為上半封膠芯和下半封膠芯試驗后的情況。

圖1 上半封膠芯（動密封）和下半封膠芯試驗后情況

2.3 卡瓦閘板的設計

常規鉆井上卸扣時，卡瓦卡在鉆桿的接頭處，對鉆桿本體不會造成損壞，而連續循環鉆井上卸扣時，由于動力鉗和動力卡瓦距離太遠，不能卡在接頭上，只能卡在鉆桿本體上進行上卸扣，特別是動力卡瓦的卡瓦牙板既要承受鉆具重量，又要提供上卸扣反扭矩，受力狀態非常復雜，很容易損壞鉆桿本體；由于鉆桿在鉆井過程中要承受鉆井液壓力、鉆具重量以及旋轉扭矩，鉆桿本體損壞后會產生應力集中，出現鉆桿斷裂等事故。為此，在結構設計上將背鉗的功能分開，動力卡瓦僅承受鉆具重力，單獨在主機防噴器內部增加一個背鉗用于承受上卸扣的反扭矩，將原來由一副牙板同時承受扭矩和鉆具重力的狀況，改變為由兩副閘板分別承受扭矩和鉆具重力，減輕了動力卡瓦和背鉗的閘板受力情況，并根據連續循環鉆井的需要專門設計了背鉗卡瓦結構，減輕了上卸扣過程中對鉆桿本體的損壞。

2.4 閘板開關狀態檢測裝置的研制

連續循環鉆井需要實現鉆桿的自動上卸扣，并完成鉆井液循環通道的切換，是完全自動化的控制，這些工作都必須在防噴器閘板關閉并密封的情況下才能進行，這就需要對防噴器閘板的開關狀態進行檢測。常規的方法是通過對防噴器控制油壓力的檢測來判斷，但是可能存在閘板卡在腔內不能完全關閉或打開，而控制壓力正常，由此導致判斷錯誤。經過研究，考慮到在連續循環鉆井過程中不需要長時間密封鉆桿，去掉了防噴器的手動鎖緊裝置，在缸蓋上安裝了位移傳感器，可以檢測防噴器閘板的開關位置并轉換為電信號傳輸到連續循環系統控制芯片中，供系統判斷防噴器開關狀態，進行下一步的操作。

3 樣機制造及試驗

2011年，該防噴器組與動力鉗、動力卡瓦、強行起下裝置及控制模塊進行了主機的組裝和調試，調試合格后與動力單元、鉆井液分流裝置以及控制系統進行了連續循環系統的組裝調試。并于2012年10月在試驗井上進行了模擬試驗 ，對系統進行了測試。分別進行了循環壓力為5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa條件下的連續循環接單根試驗，最后在循環壓力25 MPa的情況下共進行了15次接單根試驗后完成了模擬試驗，防噴器密封良好，各密封部位未出現滲漏現象。在上卸扣過程中，鉆桿只有輕微的損傷，達到了設計要求。

4 結論

（1）經過廠內試驗和現場模擬試驗表明：該連續循環系統防噴器組完全能夠完成連續循環鉆井過程中密封鉆桿、切換循環通道、承受扭矩和鉆具重力的功能，上閘板密封膠芯在現場共進行了大約20次的接單根上卸扣過程，模擬井壓20 MPa，密封情況良好，密封可靠，基本上達到了設計要求。在試驗過程中也發現了一些問題，將在下一步進行改進。

（2）增加的卡瓦閘板作為背鉗，能夠承受上卸扣的反扭矩，減少了對鉆桿本體的傷害，但仍有輕微的損傷，無法消除，下一步還要在卡瓦牙板的結構上進行改進和研究。

（3）上閘板耐磨密封膠芯在上卸扣過程中密封鉆桿良好，基本達到了設計要求，但與國外同類產品還有一定的差距，下一步還應進行進一步的研究。

［1］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.

［2］蔚寶華，王炳印，曲從鋒，等.高溫高壓儲層安全鉆井液密度窗口確定技術［J］.石油鉆采工藝，2005，27（3）：31-37.

［3］楊剛，陳平，郭瞪學，等.連續循環鉆井系統的發展與應用［J］.鉆采工藝，2008，31（2）：46-47，54.

［4］石俊江.連續循環系統綜述［J］.鉆采工藝，2008，31（1）：60-62.

［5］胡志堅，馬青芳，侯福祥.鉆井液連續循環系統過程控制技術分析與探討［J］.石油機械，2010，38（2）：69-72.

（修改稿收到日期 2013-11-24）

〔編輯 薛改珍〕

Development of BOP stack for continuous circulation drilling system

LI Jun1,ZHAO Rongjun1,MENG Qingrong1,WANG Wei1,WANG Yigting2,CHEN Dehao2
（1.Rongsheng Machinery Manufacture Ltd.of Huabei Oilfield,Renqiu062552,China;2.Oil Production Engineering Institute.of Huabei Oil field Co.,Renqiu062552,China）

Continuous circulation drilling technology is a new technique appeared recently and it can realize a continuous circulation of drilling fluid during joint connection and column erection.The continuous circulation of drilling fluid is accomplished through the opening and closing of different ram cavities in closed cavity made of a group of blowout preventers.The thesis determines the overall structure of blowout preventer and introduces design of bolted structure without the side door;design,trial manufacture and testing of wear-resisting front seal;design of slip ram;design of ram status detector;manufacturing of the whole machine prototype;and situation of field tests.The field tests indicate that the BOP stack can achieve expectant goal basically.In the end,the thesis puts forward the further improvement direction according field test of circulation drilling system.

Continuous circulation drilling;BOP stack;bolting without the side door;wear-resisting front seal;field test

李俊，趙榮軍，孟慶榮，等.連續循環鉆井系統防噴器組的研制［J］.石油鉆采工藝，2014，36（1）：37-39.

TE931.1

：A

1000-7393（2014）01-0037-03

10.13639/j.odpt.2014.01.010

李俊，1974年生。1997年畢業于石油大學（華東）機械制造專業，現從事防噴器、不壓井作業裝置的設計工作，工程師。電話：15831897589。E-mail：lijun510922@126.com。