万米超深孔与连续循环钻井技术 前苏联实施了庞大的深钻工程，孔深12,262米，为当今世界最...

万米超深孔面临着孔底高温高压工况（13000m超深孔孔底温度最高可达360℃，压力最大可达200MPa），由此带来泥浆、孔底动力钻具、井壁稳定性、钻杆柱等一系列难题。连续循环钻井系统是世界钻井界近年来出现的一项新技术和新装备，该技术在接单根时，仍保持钻井液的连续循环，可显著降低钻孔中温度，大大提高上述各项技术的适用性，同时，可有效避免接单根时由于停泵和开泵引起的井底压力波动和岩屑沉降；在整个钻进期间，实现了稳定的当量循环密度和不间断钻屑排出，全面提高了井眼质量和清洁度，可大幅度减少钻井事故，提高钻井作业的安全性与经济性，对万米超深孔钻探施工具有十分重要的意义。

连续循环钻井系统是实现连续循环钻井技术的关键技术，其综合了机、电、液、控制一体化等多学科技术，主要是利用主机腔体总成闸板的开合，形成和控制主机上下密封腔室的连通与隔离，与分流管汇配合，完成密闭腔室内钻井液通道的分流切换，实现在接单根中钻井液的不间断循环；利用动力钳、平衡补偿装置和腔体背钳的协同动作，实现在密封腔室内钻杆的自动上卸扣操作。

3.1.1 国内外研究现状

1995年，Laurie Ayling首先提出了连续循环钻井（CCD）的概念，即在接单根期间保持钻井液的连续循环，并申请了第一项专利；1999年，荷兰Shell NAM公司通过定量风险分析得出结论，连续钻井液循环将使非作业钻井时间减半，每口井作业成本可节省100万美元；2000年，连续循环钻井联合工业项目开始运行，该计划由Maris公司管理，并获得了ITF的资助和由Shell、BP、Total、Statoil、BG和ENI组成的“工业技术联合组织”的支持；2001年，项目选择Varco Shaffer作为设备制造与供应商参与研制。2003年，BP公司在美国Oklahoma的陆上井对一种连续循环系统样机进行了现场测试并取得了成功，随后开始了工程样机的设计和制造。2005年，在意大利南部的Agri油田以及埃及海上的PortFouad油田，ENI公司成功实现了连续循环系统的商业化应用。2006年至2008年，Statoil公司在北海油田利用连续循环系统钻成了6口井，均取得了巨大的成功。经过近10年的发展，目前国外连续循环系统已进入推广应用阶段，在ENI和Statoil公司取得显著成功后，BP、BG和Shell等公司也正在考虑首次使用此项技术。

国内主要是中石油钻井工程研究院自2006年起跟踪这一技术，并展开研究，经过多年的技术攻关，2012年4月9日，在中石油钻井工程研究院与渤海钻探钻井技术服务公司联合建成的科学试验井上，该院研发的连续循环钻井系统样机模拟试验过程中，样机基本动作成功实现，但系统的控制精度、可靠性还存在较大问题，样机在关键技术上还需进一步攻关研究。

3.1.2 关键技术

从技术发展的成熟度和现场操作的安全性考虑，研制连续循环系统应该是根据我国万米深孔钻探技术特点，发展具有自主知识产权的连续循环钻井技术。连续循环系统是集机、电、液、控制于一体的先进钻井技术装备，要成功实现国产化目标，首先必须对系统的关键技术展开深入分析和研究。连续循环系统的关键技术及难点主要包括以下几方面。

（1）高压动密封技术

在高压高温泥浆连续循环和钻杆运动（轴向、旋转）工况下，孔口连接系统上半封闸板与钻杆之间会产生相对转动和轴向运动，因此闸板的动密封性能是一个关键问题，目前国外产品在35MPa压力下每接40～50次钻杆就必须更换闸板。

（2）钻杆精确定位与连接技术

钻柱与钻杆接头在不可直接观察的压力腔中完成接、卸操作，钻杆的位置由顶驱上下运动控制，下部钻柱的位置则由卡瓦与连接器共同确定，如何保持钻柱和钻杆的螺纹接头处在一个较为合理的位置，便于螺纹对中，是连续循环动作是否能顺利完成的关键，也是系统提高效率的关键。

（3）钻杆连接螺纹与杆体保护技术

钻杆本体保护。在上卸扣过程中，极易造成钻杆本体损伤；尤其是动力卡瓦部分，既要承受钻柱的重量，又要提供足够的上卸扣扭矩，使钻杆本体与卡瓦牙板之间的受力状态非常复杂，极易引起钻杆打滑并损伤本体，甚至导致钻柱滑脱掉入井内。

钻杆接头的对接和旋扣均在密封腔内进行，操作人员无法直接观测到腔内情况，同时腔内的高压钻井液使接头螺纹承受很大的上顶力作用，如果操作不当，极易造成螺纹损伤，因此在接头对接和旋扣时，必须利用强行起下装置平衡钻井液上顶力作用，使螺纹啮合面上的接触力保持合适值；另外螺纹润滑脂必须具有防冲刷能力，避免接头螺纹发生粘扣。

（4）泥浆切换分流技术

泥浆分流控制的关键是保证循环压力稳定、无扰动，由于立管与旁通管道之间存在压力差异，因此直接切换容易引起泥浆循环压力的不稳定，同时高压泥浆也会对阀件产生冲刷和冲击作用。因此，在切换前，必须先对低压一侧管道进行充填增压，消除立管与旁通管道之间的压力差异，这样不仅可以保持泥浆循环压力稳定，同时也消除了对阀件的不利影响，可有效提高阀件使用寿命。

3.1.3 研究内容与简单方案

实现连续循环钻井技术的主要装置是连续循环钻井系统，连续循环系统控制较为复杂，安全可靠性要求高，在研制过程中必须针对高压动密封技术、钻杆精确定位与连接技术、钻杆连接螺纹与杆体保护技术、泥浆切换分流技术等关键技术进行深入分析和研究。

课题的研究可在充分调研国内外研究现状的基础上，比较分析典型的连续循环系统的结构，确定项目需开发的连续循环钻井系统主要由泥浆连接器、分流管汇装置、钻杆接卸机械手、控制系统、动力系统等部分组成。

（1）研究内容

主要研究内容如下：①国内外泥浆连续循环技术情报调研与分析；②泥浆连续循环控制流程制定；③泥浆连续循环系统实施方案（包括泥浆连接器、分流管汇装置、钻杆接卸机械手、控制系统、动力系统等）；④关键部件仿真分析研究；⑤样机的总体设计与各部分设计研究；⑥样机的制造与加工；⑦样机室内实验研究与现场实验研究；⑧连续循环配套钻探工艺技术与优化技术研究。

参考设计参数为：工作压力≤35MPa，钻杆外径，最大扭矩9kN· m，泥浆流量≤1200gpm（75.7L/s）。

（2）研究方案

泥浆连接器可由3个类似防喷器的结构组成，每个结构体内部各带有一个密封板，其中下结构体中的是反向密封闸板，中间的是盲板。最上部和下部的结构体中带有旁通和阀门，并连接分流管汇装置，作为接单根时充压、卸压和保持钻井液循环的通路；钻杆接卸机械手具有旋扣、紧扣及卸扣功能，同时在强行起下装置的驱动下能够上下移动，并带有动力卡瓦用于承受钻柱悬重，并提供上卸扣反扭矩；控制系统则为系统各执行部分提供动作驱动力与驱动指令，动力系统主要为液压站，提供驱动动力源。

针对泥浆联接器与分流管汇装置的研究可在三重闸板防喷器基本结构的基础上，进行技术的改造，增加泥浆分流通道，并注重局部细节设计，新材料选型等解决高压动密封技术难题，设计新型压力防冲击结构设计，解决泥浆分流切换的扰动难题。钻杆接卸机械手部分则通过优选控制元件、改进控制算法，保证钻杆与钻柱的精确定位、对中与连接；通过改善卡瓦牙板接触条件与材料，改进螺纹润滑密封，减少螺纹和杆体的伤害。动力系统采用液压驱动，模块化设计，并将手动与自动技术相结合，提高操作便利与可靠性。控制系统的逻辑控制信号主要是压力和位置检测，其中压力检测包括密封腔压力立管压力以及各执行机构工作压力等，而位置检测则是指闸板开合、泥浆阀开合、钻杆接头位置以及各执行机构动作位置等，通过冗余设计，确保逻辑控制信号的准确性和可靠性。

3.1.4 研究计划

课题研究努力争取多方面支持，特别是争取国家或行业科研立项支持，计划用5年时间完成连续循环钻井技术国内外情报调研分析、总体技术实施方案、关键技术与技术难点攻关，样机加工制造与装配、现场实验与优化等工作，通过连续攻关，开发出具有我国自主知识产权的、适应万米超深孔的连续循环钻井技术，并达到现场中试使用要求。

2013年1月～2013年6月，完成连续循环钻井系统的国内外情报调研，对比分析，提出连续循环系统开发的基本思路；

2013年7月～2013年12月，完成连循环钻井控制流程制定，连续循环钻井系统总体方案初步设计，并完成部分关键子系统设计方案初步研究；

2014年1月～2014年12月，完成连续循环钻井系统总体设计详细方案，各部分（泥浆连接器、分流管汇装置、钻杆接卸机械手、控制系统、动力系统）详细设计方案（初稿），各关键问题、难点问题（高压动密封技术、钻杆精确定位与连接技术、钻杆连接螺纹与杆体保护技术、泥浆切换分流技术等）详细解决方案（初稿），完成连续循环系统总图、各部分图纸、计算等初稿；

2015年1月～2015年6月，完成连续循环钻井系统关键部分的仿真分析研究，完成连续循环钻井系统总体设计方案（实施稿），完成各分部分设计方案（实施稿），完成并通过总体方案和分部分方案相关的图纸、计算书（实施稿）；

2015年6月～2015年12月，完成连续循环钻井系统样机的加工，完成连续循环系统的室内实验方案设计，完成连续循环系统现场实验方案设计。

2016年1月～2016年12月，完成连续循环钻井技术相关室内实验与现场实验研究，总结问题，提出新的优化和解决方案，完成连续循环配套钻探工艺研究；

2017年1月～2017年12月，根据优化方案进行整改，并结合多次实验，实现研究目标，撰写总结报告。

　超深孔钻探前沿技术~

1）垂孔钻进
垂孔钻进钻孔倾斜是超深钻的普遍难题（表5.2）。维持钻孔的垂直是超深孔成败的关键。原苏联在科拉半岛钻了6个斜孔后，摸索出了一套控制超深孔孔斜的方法。有两个或三个涡轮马达并在一起的钻进系统是一种有效的垂孔钻进系统。用这种钻进系统可获得4000m孔深只偏斜1°的好效果。德国在垂孔钻进中采用了两种能自动测斜和纠斜的自动导向钻进系统和一种能进行随钻测量的孔底马达导向钻进系统。采用这一系统，德国的KTB主孔在1721.3m深处的顶角为0.7°。

表5.2　几个科学深孔和超深孔的孔斜情况

2）钻井泥浆
地学和工程方面对超深孔泥浆具有特殊要求：①在高温（300℃）下泥浆的主要性能能基本保持稳定；②不影响地球化学分析；③具良好的流变性能；④无固相或低固相；⑤要考虑泥浆在高温下的物理化学特性对孔壁造成的不稳定性；⑥润滑性能良好；⑦有利于控制钻具腐蚀和环境保护。德国在KTB钻进中所使用的Dehydril HT（一种纯人造矿物）水基泥浆系统能较好地满足上述要求，但其耐电解能力较差。
3）孔底马达驱动
孔底马达驱动是超深孔钻杆驱动的最佳方案。由于钻杆不旋转，因而减轻了钻杆磨损，改善了钻杆受力，从而允许采用强度低一些的轻合金钻杆，并有利于钻孔稳定和便于电缆进行随钻测量。螺杆马达能耐150℃左右（相当于孔深4.5km）温度。涡轮马达能承受更高的温度。原苏联已将涡轮马达用于210℃环境。美国使用涡轮马达的最高温度环境为316℃。
4）超长钻杆
超深孔钻进对钻杆有特殊的要求。目前超深孔钻杆主要采用高强度的合金钢材。如KTB主孔采用U—170（36CrNiMo-170）高强度低合金钢。原苏联在科拉SG-3钻进中采用铝镁钛系轻质高强度钻杆（张伟，1993）。

吓我，(ㄒoㄒ)

科学家证实地狱有多可怕 揭苏联钻井发现地狱是怎么
答：上世纪70年代开始苏联实施了庞大的大陆科学深钻工程,其科拉超深钻孔深达12262米,为当今世界最深的超深孔,并已成为世界第一个深部实验室。在钻探过程中发生了许多有趣的事,至今为人们津津乐道。这是继苏联空间站、深海勘探船之后的第...

关于科拉超深钻的详细资料
答：德国实施了举世闻名的KTB计划,成功地在华力西缝合带的结晶地块中钻出了一口9101米的超深孔。上个世纪的最后二三十年,在全球各大洋和大陆实施的科学钻井上千口,获取了几十万米岩心和大量的观察数据。前苏联科拉半岛超深钻井钻...

钻进(全面钻进、取心钻进和扩孔钻进)技术方案
答：13000m科学超深井的钻进包括全面钻进、取心钻进和扩孔钻进。每一种钻进的技术方案涉及钻进方法、取心钻具(仅对取心钻进)和井底动力钻具。 3.3.1 钻进方法 (1)取心钻进的钻进方法 取心钻进方法的选用,与钻井直径密切相关。在大直径井...

石油钻井方法有哪些?
答：从钻浅井、中深井发展到钻深井和超深井;从钻直井和一般斜井发展到钻大斜度井和丛式井;从陆上钻井发展到近海和深海钻井;从地面条件好的地区钻井发展到条件恶劣的地区(如沙漠、沼泽和寒冷地区)钻井。在钻井技术发展的同时,设备、工具和...

连续管钻井是什么?
答：这项技术始于20世纪90年代初。1991年，美国、加拿大、法国等国家相继试验了连续管钻井。近年来，随着高强度大直径连续管、小直径容积式马达和金刚石钻头的相继问世，极大地推动了连续管钻井技术的发展和应用。目前世界连续管钻井...

G74是如何进行深孔钻削循环谢谢了,大神帮忙啊
答：当最后的剩余量大于两倍的递减量时，则在此之前的最后钻削量应等于递减量，所剩下的最后剩余量平分为最终两次钻削行程。如果第一次钻削量的值与总的钻削深度量相矛盾，则显示报警号61107“首次钻深错误定义”．循环不运行...

超深井钻探数据采集与传输技术的应用方案
答：3.1.1 超深井钻探过程中井下数据采集与传输技术的应用方案 3.1.1.1 科学选址对于超深井钻探及井下数据采集的成败将起关键作用 如前所述,如果按地温梯度3℃/100m计算,13000m井底地层温度为390℃;如果按式(1.1)计算,则井底循环钻井液...

石油钻井技术
答：大位移井钻井技术是定向井、水平井、深井、超深井钻井技术的综合集成应用。...船的漂移影响;避免了回转钻杆柱的功率损失,可以提高能量利用率,深孔钻进时...3)钻进全过程及起下井底钻具时都能保持泥浆连续循环,有利于防止钻屑聚集,减少...

钻具结构
答：近年来,高效、低成本、环保的小井眼、微小井眼钻井技术迅速发展,已成为石油天然气钻井工程的重要发展方向,我国塔深一井采用Φ149mm口径在8408m取心成功,充分证明Φ150～156mm口径可用于超深孔取心钻进。因此,可将Φ150～156mm口径取...