李 俊趙榮軍孟慶榮王 薇 王一婷陳德浩

（1.華北石油榮盛機(jī)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(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)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(jī)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(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)接單根或立柱期間鉆井液的連續(xù)循環(huán)。鉆井液的連續(xù)循環(huán)是通過一組防噴器組成的密閉腔內(nèi)對(duì)不同閘板腔的開啟和關(guān)閉來實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)連續(xù)循環(huán)鉆井過程中防噴器組工況的分析，結(jié)合常規(guī)鉆井防噴器的特點(diǎn)，確定了該防噴器組的整體結(jié)構(gòu)形式，介紹了防噴器無側(cè)門螺栓連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、耐磨前密封的設(shè)計(jì)、試制和試驗(yàn)、卡瓦閘板的設(shè)計(jì)、閘板開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)情況以及整機(jī)樣機(jī)制造及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該防噴器組的設(shè)計(jì)基本達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。最后根據(jù)連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況提出了下一步的改進(jìn)方向。

連續(xù)循環(huán)鉆井；防噴器組；無側(cè)門螺栓連接；耐磨前密封；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

連續(xù)循環(huán)鉆井（Continuous Circulation Drilling-CCD）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了接單根或立柱期間鉆井液的連續(xù)循環(huán)，從而在整個(gè)鉆進(jìn)期間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的當(dāng)量循環(huán)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(fù)雜地層鉆井的成功率和安全性，是100多年來常規(guī)鉆井鉆井液循環(huán)方式的重大變革，是一項(xiàng)有著巨大經(jīng)濟(jì)意義和發(fā)展?jié)摿Φ男录夹g(shù)［1-2］。該技術(shù)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(shù)可最大限度地保證已經(jīng)形成的井壁不發(fā)生垮塌，避免卡鉆，極大地降低鉆井事故，提高總的機(jī)械鉆速［3-4］。

連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)主要由主機(jī)、鉆井液分流裝置、動(dòng)力單元以及控制系統(tǒng)組成。主機(jī)是連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的核心，主要包括動(dòng)力鉗、強(qiáng)行起下裝置、防噴器組和動(dòng)力卡瓦等。連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的工作原理是：首先關(guān)閉防噴器組的上、下半封閘板，在防噴器內(nèi)形成一個(gè)密閉的容腔，在容腔內(nèi)填充滿高壓鉆井液后，利用動(dòng)力鉗卸扣，使鉆桿接頭脫離；接著用強(qiáng)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(huán)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(guān)閉全封閘板，從而形成上、下2個(gè)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(shí)鉆井液仍不斷被泵入井內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)鉆井液的連續(xù)循環(huán)［1-5］。防噴器組是連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)主機(jī)的關(guān)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(xù)循環(huán)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(chǎn)生的負(fù)荷外，還要承受鉆桿旋轉(zhuǎn)和上下移動(dòng)產(chǎn)生的額外負(fù)荷，工作條件非常惡劣。這就要求防噴器閘板膠芯要比常規(guī)鉆井用防噴器膠芯更加耐磨、使用壽命長(zhǎng)、更換方便迅速［2］。另外，在上卸扣過程中，主機(jī)要承受上卸扣的反扭矩，國(guó)外的產(chǎn)品是靠鉆具與動(dòng)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(dòng)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(tài)非常復(fù)雜，很容易損壞鉆桿本體。

為了適應(yīng)連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)發(fā)展的需要，進(jìn)行了關(guān)鍵部件防噴器組的研制開發(fā)。針對(duì)連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)防噴器的工況，提出了以下幾點(diǎn)要求：閘板膠芯耐磨性好、使用壽命長(zhǎng)、更換閘板膠芯方便快捷；利用卡瓦閘板來承受扭矩，使動(dòng)力卡瓦僅承受鉆具重量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠；在高度方向上閘板腔之間的距離應(yīng)能夠讓開鉆桿接頭，滿足上卸扣的要求；防噴器組應(yīng)有2個(gè)側(cè)出口，用于上卸扣過程中循環(huán)鉆井液；在此基礎(chǔ)上，要求盡可能地降低整機(jī)高度。

1 防噴器組總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)的特殊需要，通過深入分析研究國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)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(tái)單閘板防噴器和1臺(tái)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(gè)側(cè)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(gè)側(cè)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(jī)高度，減輕了重量。

防噴器內(nèi)腔采用矩形腔結(jié)構(gòu)，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(zhǎng)本體使用壽命；殼體和側(cè)門的連接采用無側(cè)門螺栓連接的結(jié)構(gòu)，更換閘板快捷、方便；側(cè)門與殼體的密封采用徑向密封，不需要預(yù)緊力，密封可靠；液缸設(shè)計(jì)成薄壁型，以縮小整機(jī)外形尺寸，減輕重量；取消了普通防噴器的手動(dòng)鎖緊裝置，設(shè)計(jì)了閘板開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)裝置；專門設(shè)計(jì)研發(fā)了耐磨前密封，使閘板動(dòng)密封耐磨性能良好，具有較大的橡膠儲(chǔ)備，即便在橡膠或鉆具嚴(yán)重磨損時(shí)也能形成可靠的密封。

防噴器組的具體參數(shù)：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(jí)別：T20（-29～121 ℃）；橡膠件溫度級(jí)別：BB（-18～93 ℃）；工作介質(zhì)：天然氣、原油、鉆井液。

可配備閘板規(guī)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(guī)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(cè)出口規(guī)格及數(shù)量：?80 mm×35 MPa，數(shù)量2個(gè)，分別布置在單閘板的下部及三閘板中部。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無側(cè)門螺栓連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)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(jīng)常更換。常規(guī)防噴器側(cè)門和殼體之間采用端面密封，需要較大的預(yù)緊力，一般靠螺栓連接來產(chǎn)生預(yù)緊力，更換膠芯需要上卸大量的螺栓，工作量較大，停鉆時(shí)間很長(zhǎng)。而連續(xù)循環(huán)鉆井要求要盡可能地縮短停鉆時(shí)間，以利于提高效率，降低鉆井成本［4］。為此，將殼體與側(cè)門之間的密封方式改為軸向密封，這樣，殼體與側(cè)門之間不需要預(yù)緊力；在側(cè)門與殼體的連接上采用了與常規(guī)防噴器不同的無螺栓結(jié)構(gòu)：殼體與側(cè)門之間通過無螺栓機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接，側(cè)門總成通過銷軸懸掛在殼體上，可以在銷軸上滑動(dòng)，依靠無螺栓連接機(jī)構(gòu)承受井壓作用在側(cè)門上的作用力。更換閘板時(shí)，只需要將無螺栓連接機(jī)構(gòu)打開，即可將側(cè)門總成和閘板總成從殼體中取出，進(jìn)行閘板膠芯的更換，更換完成后，將閘板總成和側(cè)門總成推入殼體內(nèi)然后將無螺栓連接機(jī)構(gòu)關(guān)閉并鎖緊即可，更換膠芯方便快捷。確定了基本結(jié)構(gòu)后，根據(jù)工作壓力和通徑尺寸，確定了殼體、側(cè)門、無螺栓連接機(jī)構(gòu)等的初步尺寸，然后建立三維模型，利用有限元軟件按照強(qiáng)度試驗(yàn)、密封試驗(yàn)等不同工況分別進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行尺寸和結(jié)構(gòu)調(diào)整，然后再進(jìn)行模擬計(jì)算。經(jīng)過多次模擬計(jì)算，最終確定了殼體、側(cè)門、無螺栓連接機(jī)構(gòu)等零件的尺寸和結(jié)構(gòu)，完成了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.2 耐磨膠芯的研制

連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)防噴器膠芯在使用過程中除了承受工作壓力產(chǎn)生的負(fù)荷外，還要承受鉆桿旋轉(zhuǎn)和上下移動(dòng)產(chǎn)生的額外負(fù)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(shí)間，降低了連續(xù)循環(huán)鉆井的效率，另一方面由于膠芯易損壞，增加了連續(xù)循環(huán)鉆井的風(fēng)險(xiǎn)。為此，通過對(duì)膠芯在工作過程中的受力情況的分析，從結(jié)構(gòu)和材料2方面入手，進(jìn)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(zhuǎn)以及上下移動(dòng)時(shí)膠芯與鉆桿之間的摩擦力。密封壓力為循環(huán)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(guān)閉壓力決定。因此在滿足密封的基礎(chǔ)上，盡可能地減小關(guān)閉壓力，將極大地改善膠芯的受力狀況。從結(jié)構(gòu)上對(duì)膠芯進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使膠芯的儲(chǔ)膠量增加，變形更加均勻，使膠芯在很小的關(guān)閉壓力下即可密封鉆桿，并且在出現(xiàn)較大磨損后也能夠形成密封。另外，根據(jù)膠芯的工況，優(yōu)選多個(gè)配方，進(jìn)行了多次模擬試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)膠芯的結(jié)構(gòu)尺寸和配方進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，最終確定了膠芯的結(jié)構(gòu)尺寸和配方。并進(jìn)行了耐磨前密封的試制和試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中時(shí)，僅使用3.5 MPa的關(guān)閉壓力即可密封35 MPa井壓，與常規(guī)防噴器的推薦關(guān)閉壓力（10.5 MPa）相比，關(guān)閉壓力降低了很多；優(yōu)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(xù)旋轉(zhuǎn)30 min并且密封21 MPa井壓。產(chǎn)品性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。圖1為上半封膠芯和下半封膠芯試驗(yàn)后的情況。

圖1 上半封膠芯（動(dòng)密封）和下半封膠芯試驗(yàn)后情況

2.3 卡瓦閘板的設(shè)計(jì)

常規(guī)鉆井上卸扣時(shí)，卡瓦卡在鉆桿的接頭處，對(duì)鉆桿本體不會(huì)造成損壞，而連續(xù)循環(huán)鉆井上卸扣時(shí)，由于動(dòng)力鉗和動(dòng)力卡瓦距離太遠(yuǎn)，不能卡在接頭上，只能卡在鉆桿本體上進(jìn)行上卸扣，特別是動(dòng)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(tài)非常復(fù)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(zhuǎn)扭矩，鉆桿本體損壞后會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，出現(xiàn)鉆桿斷裂等事故。為此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上將背鉗的功能分開，動(dòng)力卡瓦僅承受鉆具重力，單獨(dú)在主機(jī)防噴器內(nèi)部增加一個(gè)背鉗用于承受上卸扣的反扭矩，將原來由一副牙板同時(shí)承受扭矩和鉆具重力的狀況，改變?yōu)橛蓛筛遍l板分別承受扭矩和鉆具重力，減輕了動(dòng)力卡瓦和背鉗的閘板受力情況，并根據(jù)連續(xù)循環(huán)鉆井的需要專門設(shè)計(jì)了背鉗卡瓦結(jié)構(gòu)，減輕了上卸扣過程中對(duì)鉆桿本體的損壞。

2.4 閘板開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)裝置的研制

連續(xù)循環(huán)鉆井需要實(shí)現(xiàn)鉆桿的自動(dòng)上卸扣，并完成鉆井液循環(huán)通道的切換，是完全自動(dòng)化的控制，這些工作都必須在防噴器閘板關(guān)閉并密封的情況下才能進(jìn)行，這就需要對(duì)防噴器閘板的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。常規(guī)的方法是通過對(duì)防噴器控制油壓力的檢測(cè)來判斷，但是可能存在閘板卡在腔內(nèi)不能完全關(guān)閉或打開，而控制壓力正常，由此導(dǎo)致判斷錯(cuò)誤。經(jīng)過研究，考慮到在連續(xù)循環(huán)鉆井過程中不需要長(zhǎng)時(shí)間密封鉆桿，去掉了防噴器的手動(dòng)鎖緊裝置，在缸蓋上安裝了位移傳感器，可以檢測(cè)防噴器閘板的開關(guān)位置并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸?shù)竭B續(xù)循環(huán)系統(tǒng)控制芯片中，供系統(tǒng)判斷防噴器開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)行下一步的操作。

3 樣機(jī)制造及試驗(yàn)

2011年，該防噴器組與動(dòng)力鉗、動(dòng)力卡瓦、強(qiáng)行起下裝置及控制模塊進(jìn)行了主機(jī)的組裝和調(diào)試，調(diào)試合格后與動(dòng)力單元、鉆井液分流裝置以及控制系統(tǒng)進(jìn)行了連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的組裝調(diào)試。并于2012年10月在試驗(yàn)井上進(jìn)行了模擬試驗(yàn) ，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。分別進(jìn)行了循環(huán)壓力為5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa條件下的連續(xù)循環(huán)接單根試驗(yàn)，最后在循環(huán)壓力25 MPa的情況下共進(jìn)行了15次接單根試驗(yàn)后完成了模擬試驗(yàn)，防噴器密封良好，各密封部位未出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。在上卸扣過程中，鉆桿只有輕微的損傷，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

（1）經(jīng)過廠內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)表明：該連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)防噴器組完全能夠完成連續(xù)循環(huán)鉆井過程中密封鉆桿、切換循環(huán)通道、承受扭矩和鉆具重力的功能，上閘板密封膠芯在現(xiàn)場(chǎng)共進(jìn)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(dá)到了設(shè)計(jì)要求。在試驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，將在下一步進(jìn)行改進(jìn)。

（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(duì)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(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)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(dá)到了設(shè)計(jì)要求，但與國(guó)外同類產(chǎn)品還有一定的差距，下一步還應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

［1］胡志堅(jiān)，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.

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

［3］楊剛，陳平，郭瞪學(xué)，等.連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2008，31（2）：46-47，54.

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

［5］胡志堅(jiān)，馬青芳，侯福祥.鉆井液連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)過程控制技術(shù)分析與探討［J］.石油機(jī)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(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)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(yè)于石油大學(xué)（華東）機(jī)械制造專業(yè)，現(xiàn)從事防噴器、不壓井作業(yè)裝置的設(shè)計(jì)工作，工程師。電話：15831897589。E-mail：lijun510922@126.com。