摘　要：目前氣體鉆井面臨大出水地層生產(chǎn)時效低，中斷循環(huán)后可能引起井壁垮塌、卡鉆等井下復(fù)雜，充氣鉆井井底壓力波動大、井控風(fēng)險高等問題。為此，介紹了新研制的一種基于連續(xù)循環(huán)閥的鉆井系統(tǒng)的技術(shù)原理以及現(xiàn)場試驗(yàn)情況。該系統(tǒng)主要由連續(xù)循環(huán)閥和地面控制系統(tǒng)兩個部分組成，鉆進(jìn)中將連續(xù)循環(huán)閥接在鉆桿上，接單根、起下鉆時，通過連續(xù)循環(huán)控制系統(tǒng)切換循環(huán)通路，實(shí)現(xiàn)井下連續(xù)循環(huán)。在寧211井氮?dú)忏@井和月005-H1井充氣鉆井2口井現(xiàn)場試驗(yàn)的結(jié)果表明，接單根作業(yè)井底壓力恒定，縮短了重新建立正常循環(huán)的時間，實(shí)現(xiàn)了接單根和起鉆作業(yè)過程中的連續(xù)循環(huán)，初步證實(shí)了連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的可靠性與工藝的可行性。連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)在充氣鉆井過程中的試驗(yàn)成功，標(biāo)志著該項(xiàng)技術(shù)從單一循環(huán)介質(zhì)邁向了兩相循環(huán)介質(zhì)的新臺階，可為鉆井液條件下的欠平衡井、窄密度窗口井、大位移井、長段水平井安全高效鉆井提供新的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：氣體鉆井  大出水  連續(xù)循環(huán)閥  控制系統(tǒng)  井底壓力  恒定  波動  時效  安全

Field tests of gas drilling technology with continuous circulation valves

Abstract：The current gas drilling is alwaYs challenged by a rather low ROP and low drilling efficiency due to a lluge volume of for matlon water invasion ln a well.Besides，once the circulation system is interrupted，the accumulated water in the bottonl of the well will tend to cause the lower wall cavin9，the drill tools’stickin9，a great BHP surge in aerated drillin9，or a high risk of well control In view of this,we introduced a newly developed continuous circulation system as well as its principles and pilot tests．The svstem is malnly composed ot continuous circulation valves connected to a drill pipe and a ground control system to achieve the downhole continuous circulation through changing the circulation channels when the drilling operation is done such as making a connection or tripping.Field tests in Well Ning 211 nitrogen drilling and Well Yue 005-H1 aerated drilling showed that this system achieved the continuous clrculatlon in the drilling operation；the BHP was kept constant when making a conncction and the time was reduced ofrestoring normal circulation.It was also preliminarily confirmed that the system has structural reliability and technological leasibility．The success of Pllot test of this system in aerated drilling marks that this technology achieves a new levelfrom single phase to two-phase circulation media，providing a new safe and effective method for thc UBD wells，wells with a narrow window of densitv，extended reach drilling(ERD)wells，and horizontal wells with long intervals．

Key words：gas drilling，formation water flow，low drilling efficiency，pressure surge，continuous circulation valve，contr01 svstem,constant BHP，safety and efficiency

近年米，氣體鉆井技術(shù)日趨成熟，在四川、新疆等地已廣泛推廣應(yīng)用，在提高機(jī)械鉆速、治漏惡性井漏、發(fā)現(xiàn)和保護(hù)油氣層等方面發(fā)揮了重要作用。但目前面臨大出水地層氣體鉆井生產(chǎn)時效低，中斷循環(huán)后可能引起井壁垮塌、卡鉆等井下復(fù)雜，充氣鉆井井底壓力波動大、井控風(fēng)險高等問題。連續(xù)循環(huán)氣體鉆井技術(shù)可保持接單根、起鉆過程鉆井介質(zhì)始終處于連續(xù)循環(huán)狀態(tài)，保持井底壓力恒定，消除因循環(huán)中斷造成的井下復(fù)雜，提高鉆井效率。本文在中國石油天然氣集團(tuán)公司重大工程現(xiàn)場試驗(yàn)項(xiàng)目的資助下，開展了基于連續(xù)循環(huán)閥的連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)的研究試驗(yàn)，以期為氣體鉆井技術(shù)及窄密度窗口控壓鉆井技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和推廣提供理論和技術(shù)支撐。

1　發(fā)展連續(xù)循環(huán)氣體鉆井技術(shù)的必要性

1．1　大出水地層氣體鉆井機(jī)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(huán)空當(dāng)量密度升高，降低了氣體鉆井機(jī)械鉆速；同時注氣舉液壓力高、波動大、時間長，給地面設(shè)備及管線帶來較大的安全風(fēng)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(wěn)定約需4h，最高壓力14MPa(圖1-a)，井底壓力穩(wěn)定前后鉆速相差1倍(圖1-b)。

1．2　大出水地層不能真實(shí)反映井底鉆壓，容易導(dǎo)致井斜

接立柱后井底大量積液，在注氣舉液過程中鉆進(jìn)，氣舉壓力、懸重波動大．地面不能實(shí)時反映井底真實(shí)鉆壓，井斜不易控制，井眼不規(guī)則。DB6井氣體鉆井用14d鉆穿礫石層，井斜角由2.28°增加至l8.02°，氣體鉆井結(jié)束后劃眼時間超過廠40d。

1．3　出水地層、復(fù)雜地層氣體鉆井中斷循環(huán)易帶來卡鉆風(fēng)險

氣體鉆井不具有鉆井液鉆井的懸浮能力，在中斷循環(huán)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(fēng)險。磨溪8井沙二段采用霧化鉆井提速治漏，鉆進(jìn)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(huán)，增加了井下風(fēng)險。

1．4　充氣治漏井中斷循環(huán)后易導(dǎo)致井漏發(fā)生

在井漏、出水同存地層實(shí)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(nèi)，氣液比較低，井底壓力升高，井漏依然會發(fā)生。

1．5　充氣鉆井液壓波動大、溢流難監(jiān)測

充氣鉆井接單根中斷循環(huán)后，井筒內(nèi)氣體滑脫，恢復(fù)循環(huán)時間長，循環(huán)罐液面波動大，無法準(zhǔn)確判斷井下溢流情況。

2　國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前國外擁有了成熟的鉆井液鉆井連續(xù)循環(huán)技術(shù)，包括連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)(Continuous Circulation System，簡稱CCS)和不間斷循環(huán)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(fā)^[2]，2003年成功開展現(xiàn)場試驗(yàn)^[3]，該系統(tǒng)現(xiàn)由美國NOV公司獨(dú)家提供技術(shù)服務(wù)，不對外銷售，已有6套投入商業(yè)應(yīng)用。不間斷循環(huán)閥由ENl集團(tuán)研制，該裝置完全甩掉CCS復(fù)雜龐大組合體的概念，現(xiàn)場更加適用^[12-14]。

我國在連續(xù)循環(huán)鉆井方面的研究才剛剛起步，目前國內(nèi)多家單位已開始了鉆井液介質(zhì)條件下的CCS和連續(xù)循環(huán)閥兩種裝置的研究。中國石油鉆井技術(shù)研究院在“十一五”立項(xiàng)對此進(jìn)行了研制攻關(guān)，設(shè)計了用于鉆井液循環(huán)的連續(xù)循環(huán)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(xué)等單位對閥式連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)正在開展研究。中國石油川慶鉆探工程公司聯(lián)合國內(nèi)科研院所研究并成功試驗(yàn)了一種基于連續(xù)循環(huán)閥的連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)，現(xiàn)正進(jìn)一步試驗(yàn)、改進(jìn)、完善之中。

3　連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)及技術(shù)原理

連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)包括連續(xù)循環(huán)閥和地面控制系統(tǒng)。連續(xù)循環(huán)閥隨鉆具一起入井，通過地面控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)正循環(huán)時側(cè)循環(huán)自動關(guān)閉和密封，側(cè)循環(huán)時正循環(huán)自動關(guān)閉和密封；地面控制系統(tǒng)包括執(zhí)行裝置、控制裝置。

連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)原理：通過連續(xù)循環(huán)地面控制系統(tǒng)控制連續(xù)循環(huán)閥，在不同鉆井工況下，根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)正循環(huán)、側(cè)循環(huán)轉(zhuǎn)換，正循環(huán)、側(cè)循環(huán)自動關(guān)閉和密封，側(cè)循環(huán)時正循環(huán)自動關(guān)閉和密封，保持接單根、起鉆過程鉆井介質(zhì)始終處于連續(xù)循環(huán)狀態(tài)(圖2)，保持井底壓力恒定，消除因循環(huán)中斷造成的井下復(fù)雜，提高鉆井效率。

4　連續(xù)循環(huán)氣體鉆井現(xiàn)場試驗(yàn)

4．1　寧211井氮?dú)忏@井條件下試驗(yàn)

寧211井是四川省南部邊緣長寧背斜構(gòu)造的一口評價井。Æ215.9mm井眼鉆進(jìn)的韓家店組一石牛欄組為粉砂巖、頁巖夾石灰?guī)r，鉆井液鉆井存在鉆速慢，漏失量大等難題。采用氮?dú)忏@井鉆進(jìn)至井深1482.22m開始連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)試驗(yàn)，主要目的是檢驗(yàn)連續(xù)循環(huán)閥氣密封性、系統(tǒng)的可操控性、連續(xù)循環(huán)工藝的可行性。該井正常鉆進(jìn)時，氮?dú)庾⑷肓?span lang="EN-US">l20m³／min，鉆進(jìn)時立壓2.6MPa。接單根總用時14min，先后完成了3次接單根連續(xù)循環(huán)作業(yè)(圖3)，在側(cè)循環(huán)和正循環(huán)切換過程中，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，井口壓力波動小于0.07MPa，實(shí)現(xiàn)了接單根和起鉆作業(yè)的氣體連續(xù)循環(huán)，達(dá)到了井底壓力恒定的效果。初步證實(shí)了連續(xù)循環(huán)工藝的可行性和系統(tǒng)的可靠性。

4．2　月005-Hl井氣液混合相條件下試驗(yàn)

月005-Hl井處于明月峽構(gòu)造帶主體中北段西翼的甘家灣構(gòu)造石炭系地層一構(gòu)造復(fù)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(jìn)至井深673.00m(雷口坡組)，發(fā)生井漏，其中嘉五段地層井漏失返。本井Æ311.2mm井眼(雷口坡組頂—飛仙關(guān)組頂)采用充氣鉆井提速治漏。

2013年3月21日，充氣鉆井至井深910.21m開始試驗(yàn)連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)，目的在于檢驗(yàn)該系統(tǒng)在氣液混合條件下的密封能力、系統(tǒng)的可操控性，試驗(yàn)正循環(huán)與側(cè)循環(huán)相互轉(zhuǎn)換時壓力波動大小等。該井試驗(yàn)井段910.21～927.15m，注氣量60m³／min，注液量45L／s，鉆進(jìn)時立壓7.0MPa。側(cè)循環(huán)和正循環(huán)切換過程中，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、可控性好，實(shí)現(xiàn)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(guī)充氣鉆井液池液面波動可達(dá)20m。)(圖4)，順利實(shí)現(xiàn)了充氣鉆井接單根作業(yè)中井下連續(xù)循環(huán)，確保了環(huán)空液柱當(dāng)量密度穩(wěn)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(huán)空液柱當(dāng)量密度變化造成的井漏，較為準(zhǔn)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(huán)的時間大約為l5min(井深900m左右)，且隨著井深增加，時間會大幅延長；而采用連續(xù)循環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“無縫”連接，縮短了接單根“重建正常循環(huán)”的時間，有效提高充氣鉆井作業(yè)效率。

5　結(jié)論

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

2)連續(xù)循環(huán)氣體鉆井系統(tǒng)的研制成功將拓展氣體鉆井在出水地層的應(yīng)用范圍，為提高深井、超深井及復(fù)雜地層的氣體鉆井時效、降低事故復(fù)雜、進(jìn)一步加快油氣勘探開發(fā)步伐提供技術(shù)支撐。

3)連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)在充氣鉆井過程中的試驗(yàn)成功，標(biāo)志著該項(xiàng)技術(shù)從單一循環(huán)介質(zhì)邁向了兩相循環(huán)介質(zhì)的新臺階。

4)該項(xiàng)技術(shù)不僅可用于氣體鉆井作業(yè)，還可以用于液相條件下的連續(xù)循環(huán)，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(shí)現(xiàn)安全高效鉆井提供技術(shù)手段。

參考文獻(xiàn)

[1]AYLING L J，JENNER J W，ELKINS H．Continuous circulation drilling[C]//paper l4269 presented at the Offshore Technology Conference，6-9 May 2002，Houston，Texas，USA．New York：Offshore Technology Conference，2002．

[2]JENNER J W，ELKINS H L，SPRINGETT F，et ai．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 cornmercial successes offshore Egypt，Norway[J]．Drilling Contractor，2006，62(6)：50-52．

[4]胡志堅，馬青芳，邵強(qiáng)，等．連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)的發(fā)展與研究[J]．石油鉆采工藝，2011，33(1)：1-6．

HU Zhijian，MA Qingfang，SHAO Qiang，et al．Developmenl and investigation of continuous circulation drilling[J]．Oil Drilling＆ Production Tcchnology，2011，33(1)：1-6．

[5]馬青芳．不間斷循環(huán)鉆井系統(tǒng)[J]．石油機(jī)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(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)及其應(yīng)用前景[J]．石油礦場機(jī)械，2008，37(11)：94-97．

WANG Yu，DING Wei．Development and application prospect of continuous circulation drilling technology[J]．Oil Field Equipmenl，2008，37(11)：94-97．

[7]CALDERONI A，GIROl，A 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 circula rion 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：US631505181[P]．2001 11-l3．

[10]AYLING L J．Continuous circulation drilling method．US Patent：US673939782[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，ELKlNS 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，VOGELR E，et al．The Continuous Circulation system from prototype to commercial tool[C]//paper l0285l-MS presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition．24-27 Seplember 2006，San Antonio，Texas，USA．New York．SPE，2006．

本文作者：許期聰  鄧虎  周長虹  肖洲  董仕明  劉貴義

作者單位：中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院