活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)及其在鉆井中的應(yīng)用

馬金凱，蒲軍宏，張 成，王 軍，雷 剛

（1.中石油川慶鉆探有限公司川東鉆探公司，重慶401120；2.中石油西南油氣田分公司川東北氣礦工監(jiān)部，四川達州635000）

活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)及其在鉆井中的應(yīng)用

馬金凱*，蒲軍宏，張 成，王 軍，雷 剛

（1.中石油川慶鉆探有限公司川東鉆探公司，重慶401120；2.中石油西南油氣田分公司川東北氣礦工監(jiān)部，四川達州635000）

隨著油氣勘探條件不斷復(fù)雜，鉆井復(fù)雜也越來越多。精細化控壓鉆井技術(shù)雖解決了部分問題，但仍無法滿足同一裸巖段多壓力系統(tǒng)問題。活塞式雙壁鉆桿鉆井一種可以對井底壓力進行精確控制的鉆井技術(shù),可以實現(xiàn)鉆井液閉環(huán)循環(huán)，能夠解決現(xiàn)有常規(guī)鉆井技術(shù)諸多限制。另外，活塞式雙壁鉆桿鉆井中的RTS系統(tǒng)利用雙壁鉆桿可為井下提供電力和數(shù)據(jù)傳輸通道，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的有線傳輸，故RTS系統(tǒng)在隨鉆測量/隨鉆測井方面較普通MWD/LWD更具優(yōu)勢。通過對國內(nèi)外相關(guān)文獻調(diào)研、分析，對活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)的系統(tǒng)組成、基本原理進行了分析，系統(tǒng)地對比與總結(jié)了活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)在鉆井中的應(yīng)用情況及其特點和優(yōu)勢，最后結(jié)合油氣勘探開發(fā)的現(xiàn)狀及發(fā)展相關(guān)技術(shù)提出了建議。

活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)；井底壓力；控壓鉆井；欠平衡鉆井；大位移鉆井；深水鉆井

活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)它是一種一體化、多用途的鉆井技術(shù)。最初是為解決連續(xù)油管鉆井應(yīng)用的井眼清潔和鉆壓控制問題所帶來的挑戰(zhàn)而提出的，后來不斷發(fā)展成為了一項可以實現(xiàn)鉆井液閉環(huán)循環(huán)的多用途的鉆井技術(shù)新技術(shù)[1-10]。本文對國外活塞式雙壁鉆桿鉆井的系統(tǒng)組成、特點及其在鉆井中的應(yīng)用進行了詳細的分析。

1 活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)系統(tǒng)組成及原理

活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)是以同心雙壁鉆桿技術(shù)為基礎(chǔ)，將鉆井液由雙鉆桿環(huán)空泵入至井內(nèi)，再由內(nèi)部鉆桿中筒攜帶巖屑返回至井口，從而實現(xiàn)了鉆井液的閉環(huán)循環(huán)?；钊诫p壁鉆桿鉆井系統(tǒng)由以下幾部分組成[2-6]（如圖1所示）：

圖1 活塞式雙壁鉆桿鉆井與常規(guī)鉆井技術(shù)的對比[5]

（1）頂驅(qū)適配器：其安裝在雙鉆桿頂部，它能將鉆井液由雙鉆桿之間的環(huán)空泵入至井內(nèi)，再從內(nèi)部鉆桿中返回至井口。

（2）雙壁鉆桿：可用API規(guī)格的5-1/2″～6-1/2″鉆桿鉆桿改制，在每個鉆桿內(nèi)嵌入特別設(shè)計的內(nèi)管即可，插入的內(nèi)管需要采用一種專用的裝置對其固定，該裝置可快速且簡單對普通鉆桿完成改造，其加工簡單、便于維修，而且可實現(xiàn)現(xiàn)場快速、簡單的完成改制，且成本較低。

（3）下部鉆具組合（下部BHA），包括常規(guī)BHA組件（如鉆頭、井下動力鉆具等）、雙浮動閥、流動轉(zhuǎn)換接頭（flow x-over）和下部擴眼器等。雙浮動閥是一個專利的自動壓力操作閥，位于雙壁鉆桿的底端，它可以同時或單獨關(guān)閉、打開雙壁鉆桿的兩個流道，在故障保護默認位置，雙浮動閥關(guān)閉雙壁鉆桿的兩個通道，該雙浮動閥使得鉆井實現(xiàn)井下隔離，使得控制壓力鉆井（MPD）過程中的地表無壓力，可加強鉆井安全和方便井底壓力的控制。

（4）液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)有一臺最大流量為400lpm的泵，該泵由鉆工控制室進行遠程控制。

（5）活塞式雙壁鉆桿鉆井遙測系統(tǒng)（RTS）[3]，如圖2所示，RTS系統(tǒng)為井下MWD/LWD工具提供了2條高速數(shù)據(jù)傳輸通道，還可將雙壁鉆桿作為電力傳輸線路，因此可使用井下電動鉆具。

圖2 活塞式雙壁鉆桿鉆井遙測系統(tǒng)[3]

（6）地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和傳感裝置，主要包括壓力傳感器和流量計，流入流量計安裝在立管的分支處，回流流量計安裝在回流管線節(jié)流閥處。

（7）常規(guī)鉆機、泥漿泵、泥漿凈化系統(tǒng)、泥漿儲存罐及其它的輔助裝備和技術(shù)等。

2 活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)與常規(guī)鉆井技術(shù)的比較

如圖1所示，活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)在鉆井液循環(huán)方式上與常規(guī)鉆井技術(shù)有著較大的差異：（1）常規(guī)鉆井中鉆井液的循環(huán)原理：泥漿池→泥漿泵→地面管匯→立管→水龍帶→水龍頭→鉆柱內(nèi)→鉆頭→鉆柱外環(huán)形空間→井口、泥漿槽→鉆井液凈化設(shè)備→泥漿池；（2）活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)鉆井液的循環(huán)原理：泥漿池→泥漿泵→地面管匯→立管→水龍帶→頂驅(qū)適配器→雙壁鉆桿環(huán)形空間→鉆頭→鉆柱的內(nèi)鉆桿→井口→節(jié)流管匯→鉆井液凈化設(shè)備→泥漿池。

對常規(guī)鉆井技術(shù)與活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)的裝備配備情況進行了分析對比，不難看出，常規(guī)鉆井技術(shù)與活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)在裝備上差異總體上很小，只需對部分裝備改進即可采用常規(guī)鉆機裝備實現(xiàn)活塞式雙壁鉆桿鉆井，其改進費用也十分低廉。所以活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)具有廣泛的運用前景及空間。

活塞式雙壁鉆桿鉆井鉆井技術(shù)與常規(guī)鉆井比較具有明顯優(yōu)勢，其主要包括為：①活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)鉆井過程中為井底物理隔離的方式，大大增加了鉆井的安全性；②活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)采用了雙壁鉆桿和滑動活塞，能夠更加精確地控制井底壓力；③活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)大大提高了井底巖屑的清洗能力；④采用活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)可有效地降低鉆井液成本，因為采用滑動活塞封隔井底減少了鉆井液的用量，而且活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)允許將低成本、低密度的鉆井液以低流速泵入井內(nèi)[2]；⑤活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)通過滑動活塞的液壓系統(tǒng)對鉆頭施加鉆壓，可方便、有效地控制鉆壓[2]；⑥活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)可較方便的使用尾管鉆井；⑦活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)中鉆桿接頭采用了無承壓接頭技術(shù)。

3 活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)在深水鉆井中的應(yīng)用

在陸上復(fù)雜地層及海洋深水中蘊含著大量的油氣資源。但是由于鉆井裝備和工藝的局限，使得鉆井作業(yè)很困難，傳統(tǒng)的鉆井方法和設(shè)備已不能完全滿足其鉆井要求[11]?；钊诫p壁鉆桿鉆井技術(shù)則在深水鉆井中體現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢，其主要可體現(xiàn)為：（1）活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)可以實現(xiàn)新的雙梯度鉆井方案；（2）活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)可以進行無隔水管的鉆井作業(yè)；（3）活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)在隨鉆測量與隨鉆測井方面比常規(guī)隨鉆測量與隨鉆測井更具優(yōu)勢；（4）活塞式雙壁鉆桿鉆井在MPD、UBD、MFC鉆井中具有更加明顯的優(yōu)勢；（5）活塞式雙壁鉆桿鉆井在大位移井、水平井、定向井鉆井中優(yōu)勢明顯；（6）活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)可實現(xiàn)尾管鉆井；（7）活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)可實現(xiàn)單一直徑井身結(jié)構(gòu)。它的這些優(yōu)勢使得深水鉆井可以選用更低費用的鉆機、更低要求的鉆井設(shè)備和工具，使深水鉆井更加安全、高效、低成本，為深水油田的高效開發(fā)奠定了堅實基礎(chǔ)。

3.1 采用活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)可有效實現(xiàn)雙梯度鉆井

滑動活塞附著于BHA上方約400m的鉆柱上，它允許鉆桿旋轉(zhuǎn)，允許井下旁通流（當需要時），也允許活塞和BOP/RCD之間的井環(huán)空加壓[5]。這使得井底和上部井眼環(huán)空形成了物理隔離，將井變成了一個液壓缸，滑動活塞是液壓缸活塞，雙壁鉆柱是液壓缸桿?；瑒踊钊奈锢砀綦x允許活塞上下使用不同特性的流體。因此，可以在滑動活塞以上和BOP/RCD之間的井環(huán)空使用高密度液體，由于是在該段井眼是下過套管的井段，對該液體的性能相應(yīng)降低；可以在滑動活塞以下至井底的這段環(huán)空和鉆柱內(nèi)使用低密度的活性循環(huán)鉆井液，這樣非常有利于保護儲集層。相反，也可以在滑動活塞以上使用低密度液體，在滑動活塞以下使用合理密度的鉆井液。于是，在滑動活塞的上部和下部所使用的鉆井液的密度不一致，從而形成了一種新型的雙梯度鉆井。

3.2 采用活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)實現(xiàn)無隔水管鉆井

隔水管是為海底井口和平臺之間泥漿循環(huán)提供回路，為鉆具送入海底井口進行導(dǎo)向，其組件主要有井口導(dǎo)管、防噴器組、隔水管聯(lián)接器、撓性接頭、隔水管組以及伸縮節(jié)等[14]。但是，隨著水深的增加隔水管的變得異常龐大，對海洋鉆井船的作業(yè)能力提出更高的要求，這使得成本相應(yīng)增加。另外，近年來國外深水油氣勘探中曾因隔水管斷裂引起了不少鉆井事故[15]，這些都嚴重阻礙深水油氣勘探開發(fā)的步伐。如果不使用隔水管，將在很大程度上提升海洋鉆井船的作業(yè)能力，降低海洋鉆井成本和深水鉆井的風(fēng)險，推進海洋油氣勘探向更深的海域挺進?；钊诫p壁鉆桿鉆井技術(shù)進行無隔水管鉆井作業(yè)，能大大降低深水鉆井對鉆井船的要求與鉆井的風(fēng)險。由于活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)自身能夠為海底井口和平臺之間提供泥漿循環(huán)回路，因此，可以不使用鉆井隔水管，也就省去了很多隔水管組件?；钊诫p壁鉆桿鉆井技術(shù)實現(xiàn)無隔水管鉆井示意圖如圖3所示。采用活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)進行無隔水管鉆井時，所有的海底井口設(shè)備和結(jié)構(gòu)保持不變，只是需要在海底井口防噴器（BOP）上面安裝海底旋轉(zhuǎn)控制裝置（RCD），RCD能夠封住鉆柱與BOP之間的間隙，在RCD工作將使井眼與鉆柱間的環(huán)形空間始終處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣便有效地將海水和滑動活塞上部井眼環(huán)空內(nèi)的液體隔離開，滑動活塞上部井眼環(huán)空內(nèi)液體可通過滑動活塞給下部鉆具組合施加鉆壓和向前的牽引力，還可有效控制井底壓力。由此可見，采用活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)實現(xiàn)無隔水管鉆井可以提升鉆井船的水深作業(yè)能力，同時由于不使用隔水管，可大大降低鉆井成本。

3.3 活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)中的活塞式雙壁鉆桿鉆井遙測系統(tǒng)

活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)中的遙測系統(tǒng)（RTS）（如圖2所示）利用雙壁鉆桿為井下MWD/LWD工具提供了2條高速數(shù)據(jù)傳輸通道，RTS系統(tǒng)使得雙壁鉆桿作為電力傳輸線路、數(shù)據(jù)傳輸通道，由于RTS系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的有線傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸速度非常高，這樣就可以在最短的時間內(nèi)將井下實時測量的數(shù)據(jù)傳輸至地面，地面工作人員就可以在井下發(fā)生異常后立即發(fā)現(xiàn)并作出決策，由于RTS系統(tǒng)實現(xiàn)了有線傳輸，便可以快速將地面指令通過傳輸通道發(fā)送給井下執(zhí)行機構(gòu)，因此這種RTS系統(tǒng)實質(zhì)上就是一種智能鉆桿系統(tǒng)。由于RTS系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸不依賴于鉆井液，在停泵、起鉆、鉆進等工況下均可進行數(shù)據(jù)傳輸，這就拓寬了RTS系統(tǒng)的適用范圍。另外，由于電力可以通過雙壁鉆桿傳輸至井底，故可以在井下使用井下電動鉆具。由此可以看出，活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)在井下測量方面也具有十分巨大的潛力，它使得氣體鉆井、充氣鉆井、泡沫鉆井等鉆井技術(shù)能夠比較方便的在海洋使用。另外，由于可以使用井下電動鉆具，還可以結(jié)局空氣鉆井、泡沫鉆井中采用氣動螺桿出現(xiàn)的井下動力不足等問題。

圖3 無隔水管活塞式雙壁鉆桿鉆井鉆井技術(shù)示意圖[9]

3.4 活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)在MPD、UBD和MFC中的應(yīng)用

在海洋深水鉆井中經(jīng)常會遇到安全鉆井泥漿密度窗口窄的問題，為解決這類問題，國際上主要采用控壓鉆井、欠平衡鉆井和微流量鉆井?；钊诫p壁鉆桿鉆井技術(shù)在這些技術(shù)中是極為有利的，因為[3-5]：①活塞式雙壁鉆桿鉆井能夠精確控制井底壓力，在很小的壓力窗口間進行鉆井；②活塞式雙壁鉆桿鉆井改善了鉆井液循環(huán)的控制方法，抑制了泥漿泵開關(guān)時的壓力波動；③活塞式雙壁鉆桿鉆井的流量傳感器可以實現(xiàn)快速、精確的井涌和漏失檢測，能精確檢測出0.01m3的泥漿體積變化，系統(tǒng)能夠立即作出的響應(yīng)和調(diào)整；④活塞式雙壁鉆桿鉆井采用物理屏障抑制了環(huán)空鉆井液的漏失，降低了鉆井液對近井地帶地層的污染；⑤井底雙浮動閥實現(xiàn)井底物理隔離，發(fā)生井涌時雙浮動閥和滑動活塞充當井下防噴器的角色，增強鉆井的安全性；井漏時可阻止井眼環(huán)空鉆井液的漏失，可避免因環(huán)空流體漏失導(dǎo)致的一系列復(fù)雜和事故的發(fā)生。故，活塞式雙壁鉆桿鉆井不僅降低了對海底防噴器組的要求，還有效解決了深水鉆井鉆遇淺層高壓氣層、淺層高壓水層的問題。

活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)實現(xiàn)精確控制井底壓力的過程如圖4所示[2]。在接單根時（圖4a）同時將雙浮動閥和鉆井泵關(guān)閉，這時內(nèi)部鉆桿受到靜液柱壓力，而外部鉆桿則受到了靜液柱壓力與立管壓力，所以井底雙浮動閥存在一定的壓差；當開泵時（圖4b），此時的雙浮動閥仍處于關(guān)閉狀態(tài)，流動轉(zhuǎn)換接頭將起作用，雙壁鉆桿通過BHA上的流動轉(zhuǎn)換接頭建立循環(huán)通道，此時內(nèi)部鉆桿受液柱壓力和節(jié)流壓力，外部鉆桿受液柱壓力和泵壓，雙浮動閥仍然承受一定的壓差，但所承受壓差隨著鉆井液的循環(huán)不斷減小，直至與井底壓力相平衡前；正常鉆進（圖4c），當壓差與井底壓力相平衡時，隨即打開雙浮動閥，開始正常循環(huán)鉆進，此時流動轉(zhuǎn)換接頭將不再起作用，雙浮動閥也不承受壓差。整個過程中井口節(jié)流閥一直打開。

圖4 活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)實現(xiàn)壓力精確控制示意圖[7]

3.5 活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)在鉆定向井、水平井、大位移井方面的優(yōu)勢

采用活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)可以很好地解決這些問題：（1）活塞式雙壁鉆桿鉆井有非常優(yōu)越的井眼清洗能力，由于重力作用巖屑堆積是定向井、水平井及大位移井鉆井中的大問題，通過高效地清除鉆頭后面的巖屑來解決該問題；（2）活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)通過液壓系統(tǒng)向滑動活塞施加壓力，該壓力可給鉆柱施加向前的牽引力，這就很好的解決了加不上鉆壓和水平延伸難度大等問題，目前世界記錄的最長水平延伸距離為10.9km，而應(yīng)用活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)延伸距離可超過20km，由于活塞式雙壁鉆桿鉆井的水平延伸距離是常規(guī)大位移鉆井的2倍以上，因此其泄油面積將增加到4倍以上；（3）由于滑動活塞安裝在下部BHA的上部大致400m左右，基本能夠使鉆柱浮在鉆井液中，即可有效地起到減摩降扭的作用，所以活塞式雙壁鉆桿鉆井可以較容易地克服鉆柱摩阻/扭矩大所帶來的問題，也可以較好地解決套管磨損嚴重等問題；（4）活塞式雙壁鉆桿鉆井可采用尾管鉆井，即將尾管作為BHA的一部分，鉆井尾管可以在鉆完一段井段后進行通過滑動活塞完成對尾管的膨脹并固井，這樣便較好地解決了套管下入難的問題、井壁穩(wěn)定問題以及固井中的一些問題。

3.6 采用活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)實現(xiàn)尾管鉆井

活塞式雙壁鉆桿鉆井可采用尾管鉆井，即將尾管作為下部鉆具組合（BHA）的一部分，鉆井尾管可以在鉆完一段井段后進行通過滑動活塞完成對尾管的膨脹并固井[6-7]。尾管配置鉆井還包括如下裝置：（1）尾管接頭，安裝在雙浮動閥上，允許通過內(nèi)置開關(guān)將尾管與鉆桿相連來實現(xiàn)流體流動和尾管旋轉(zhuǎn)的控制；（2）尾管擴張器，安裝在滑動活塞上，用來進行尾管擴張；（3）下部擴眼器，直接安裝在7-1/2″的三牙輪鉆頭上，它可以使井眼由7-1/2″擴展到9-1/2″。

3.7 活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)可實現(xiàn)單一直徑的井身結(jié)構(gòu)

海洋深水鉆井，由于安全泥漿密度窗口窄，采用常規(guī)鉆井技術(shù)需要下套管層數(shù)多，導(dǎo)致表層（或淺層）鉆進時井眼尺寸大、鉆速低、套管用量大，而且一些區(qū)域由于地層壓力復(fù)雜，導(dǎo)致完鉆井眼尺寸過小，不能高效、優(yōu)質(zhì)完井。活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)可以實現(xiàn)單一井徑的井身結(jié)構(gòu)特點，可以很好地避免上述問題的發(fā)生。

4 結(jié)論及展望

通過針對活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)與常規(guī)鉆井技術(shù)的結(jié)合分析，可以發(fā)現(xiàn)由于活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)可實現(xiàn)新的雙梯度鉆井，可解決定向井、大位移井鉆井遇到的問題，可應(yīng)用于MPD、UBD、MFC等技術(shù)，可實現(xiàn)單一直徑的井身結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)無隔水管鉆井，RTS系統(tǒng)能很好地解決LWD/MWD數(shù)據(jù)傳輸問題，使得該技術(shù)在深水鉆井中有很大的優(yōu)勢，活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)中關(guān)鍵的技術(shù)包括雙壁鉆桿、雙浮動閥、滑動活塞、RST系統(tǒng)、頂驅(qū)適配器等，雙壁鉆桿不僅實現(xiàn)了鉆井液的閉環(huán)循環(huán)，還能傳輸電力、傳輸數(shù)據(jù)，為活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)實現(xiàn)井下檢測和控制奠定了堅實的基礎(chǔ)。二者在裝備上差異較小，僅需用較低的費用對常規(guī)鉆井部分裝備進行改進就可實現(xiàn)活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)，即能使深水鉆井更加安全、高效、低成本。所以活塞式雙壁鉆桿鉆井技術(shù)在深水鉆井中具有很好的應(yīng)用前景及空間。

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TE921

B

1004-5716(2015)12-0073-05

2014-12-18

2015-01-06

馬金凱（1979-），男（漢族），遼寧昌圖人，工程師，現(xiàn)從事油氣井技術(shù)應(yīng)用研究工作。