不同结构连续循环阀工作原理探讨

魏臣兴 齐金涛 郭衍茹 徐海潮 林铁军

(1.渤海钻探工程技术研究院， 天津 300457； 2.渤海钻探钻井技术服务分公司， 天津 300280；3.西南石油大学油气藏地质与开发国家重点实验室， 成都 610500)



不同结构连续循环阀工作原理探讨

魏臣兴1齐金涛2郭衍茹1徐海潮2林铁军3

(1.渤海钻探工程技术研究院， 天津 300457； 2.渤海钻探钻井技术服务分公司， 天津 300280；3.西南石油大学油气藏地质与开发国家重点实验室， 成都 610500)

在分析国内外连续循环阀发展现状的基础上，阐述不同结构连续循环阀的工作原理、优缺点，探讨连续循环阀的发展趋势，指出连续循环阀的研发方向。

连续循环钻井； 连续循环阀； 球阀； 旁通阀

连续循环钻井(continuous circulation drilling，简称CCD)是在接单根、立柱以及起下钻过程中保证钻井循环介质连续不断地被注入以维持恒定的钻井循环排量和当量循环密度，避免井下压力波动的一种钻井新技术，它可以有效地防止接卸单根或立柱时停止循环而引起的井壁坍塌、溢流、沉砂卡钻等事故复杂的发生，从而提高钻井的安全性，缩短钻井周期，降低钻井成本。

目前，根据实现连续循环钻井所用设备的不同分为连续循环钻井系统(continuous circulation system，简称CCS)和连续循环阀钻井系统(continuous circulation valve，简称CCV)[1]。其中，连续循环阀钻井系统是最容易实现的连续循环钻井方式，其核心工具为连续循环阀。本次研究重点阐述连续循环阀的发展历程以及不同结构连循环阀的优缺点，为国内研发新型结构连续循环阀提供参考。

1 连续循环阀的发展概况

1.1 国外研发情况

早期的连续循环阀为三通球阀结构，如图1所示，球芯有3个开口，通过操作键的旋转来控制不同的开口参与钻井循环介质的循环。当正常钻进时，由水龙带输送的钻井循环介质通过第一开口和第二开口进入下部钻柱内进行循环；当需要接单根或立柱时，通过操作键旋转球芯90°，使钻井循环介质由旁通孔进入第二开口，然后通过第三开口进入下部钻柱内进行循环，实现了连续循环钻井的目的。在位于挪威Stavanger的全尺寸试验钻机“Ullrigg”上开展了首次连续循环钻井测试，验证了连续循环阀与现代钻机的整合能力。试验中，前3次连接时压力为15 MPa，均顺利实现试验目的，但第4次连接时由于给连续循环阀误加了26 MPa的压力，致使作用于阀座上的围压增加，阀芯在1 kN·m扭矩下不能转动，连续循环被迫打断[2-3]。通过试验证实了三通球阀结构的连续循环阀虽然能够实现连续循环钻井，但是在钻柱内流体压力作用下却存在球芯难以旋转的问题。

图1 三通球阀结构图

此后，意大利埃尼集团(ENI)通过改进，研制出E-CD系统(ENI circulation device)，主要采用2个单向阀取代三通球阀，一个安装在轴向通道上，一个安装在旁通口上，提高了流道切换的成功率和可靠性。ENI集团利用E-CD系统在现场测试阶段共钻成7口复杂井，包括1口5 650 m的大位移水平井、2口高温高压井和1口复杂侧钻深井[1,4]。

控制压力钻井作业国际公司研发了不间断钻井系统(non stop driller system，简称NSD)，该系统主要由NSD球阀、NSD旁通阀及NSD控制管汇等组成[5]，并在巴布亚新几内亚ADD-5探井成功进行泡沫钻井现场试验，但所用NSD球阀具体结构尚未见报道。

2014年3月威德福公司公布其成功研发的连续流动系统(continuous flow system，简称CFS)，其连续循环阀的中心阀为球阀、旁通阀为滑套式结构(图2)，可以根据流道压力和钻井液流向变化自动开启或者关闭钻井液循环通道，降低了操作人员的劳动强度，提高了旁通阀的安全可靠性[6-7]。

图2 威德福连续循环阀示意图

国内对连续循环阀的研究从2011年开始蓬勃发展。中海油公布了其连续循环阀的结构(图3)，中心阀和旁通阀均通过扭簧和销轴的作用，使板阀处于常闭状态。中海油在惠州25-4油田的HZ25-4-6大位移井中采用了连续循环钻井，避免了因岩屑堆积导致的遇阻和井漏等情况。钻井液的相对密度比同区块未使用连续循环钻井的井低0.08 gcm3以上，漏失量较同区块其他大位移井减少70%以上[8-9]。这种结构的连续循环阀在正常钻进过程中，存在中心阀阀板易受冲蚀而导致的密封失效、扭簧长期受力而损坏和无法在钻柱内下入随钻测斜工具等问题。为此，深圳市远东石油钻采工程有限公司提出了中心阀不安装扭簧的方案，依靠主通路泄压时流体带动阀板向上运动压在阀座上来实现密封。在此基础上成都欧迅海洋工程装备科技有限公司对中心阀和旁通阀密封面进行处理，设计出气体钻井用的连续循环阀[10-11]。中石油川庆钻探运用该技术在宁211井顺利开展了氮气钻井试验、在西南油气田月005-H1井进行了连续循环充气钻井试验、在塔里木油田博孜101井进行了连续循环空气钻井作业，试验均取得了成功[12]。

图3 中海油连续循环阀结构图

针对不同钻井循环介质，为克服已有连续循环阀弊端，中石油渤海钻探钻井技术服务分公司提出了中心阀为球阀、旁通阀为板阀的连续循环阀[13]。由于中心阀为密封成熟的球阀结构、旁通阀采用金属锥面密封和密封件密封的双密封结构，并且密封件设置在阀座的背面，能有效避免密封件冲刷丢失，整个工具密封可靠，适用范围广。在苏76-43-35井钻进过程中，顺利实现了钻井液、气体和充气钻井的连续循环作业，且在接单根、立柱及起下钻过程中，压力波动小于0.7 MPa。与此同时，中石油钻井工程技术研究院也研发了类似结构的连续循环阀，其旁通阀主要采取球面密封或密封面上刻槽硫化橡胶的金属 — 橡胶双密封结构，也能较好地实现各种钻井循环介质的密封。此外，其他一些科研院所也提出了类似结构的连续循环阀，譬如中石油长城钻探、长江大学等单位[14-15]，只是目前尚无该工具加工使用情况的报道。

2014年，深圳市远东石油钻采工程有限公司公开了2种新型的连续循环阀(图4)。无论是导柱式还是浮球式，正常钻进过程中，在钻井循环介质的冲击作用下，密封体或密封球紧紧压在内滑套上，使第三空腔空间与第二空腔完全隔绝，钻井循环介质由第一空腔，经第二空腔和第四空腔进入下部钻柱内；当需要旁通循环时，拆除堵头，连接旁通管线，启动旁通管线的同时关闭主通路管线，在第三空腔内钻井循环介质压力作用下，密封体或密封球紧紧贴在阀座上，将第一空腔与第二空腔隔绝，此时钻井循环介质由第三空腔，经第二空腔和第四空腔进入下部钻柱内，实现钻柱内钻井循环流体的持续注入[16-17]。该新型结构的连续循环阀，避免了由于扭簧腐蚀损坏而导致密封失效的可能性，但是不可用随钻测斜仪器。目前尚无此类结构连续循环阀加工试验的报道。

图4 新型连续循环阀结构图

国内各技术服务公司也探讨了其他结构连续循环阀的可能性，譬如中石油西部钻探和中石油长城钻探的三通球阀结构、长城钻探单板阀结构的连续循环阀等，但这种结构的连续循环阀尚无现场应用报道[18-20]。

2 连续循环阀发展趋势

连续循环阀结构简单、操作方便，是目前连续循环阀钻井最为关键的工具，也是各单位和科研院校重点研究内容。单口井的连续循环阀使用量大，安全性要求较高。未来连续循环阀的发展将着重在以下几个方面：

(1)连续循环阀的全面性。连续循环阀最为核心的部分为旁通阀的密封。早期的连续循环阀只能密封钻井液，而对气体密封的可靠性不高。发展的连续循环阀应更为全面，在不更换旁通阀的前提下，需满足钻井液、气体和充气条件下连续循环钻井作业，尤其是在单口井不同井段分别实施钻井液钻井和气体钻井的情况下，需减少更换旁通阀的繁琐步骤，增加连续循环阀的实用性。

(2)连续循环阀的自动化。早期的三通球阀需要井口人员手动开关，双板阀结构的连续循环阀，无论有无扭簧都会对井下单点或多点测斜仪的返出造成影响，不利于现场相关作业；球阀和板阀组合结构的连续循环阀，虽能确保测斜仪返出，但是球阀的开关仍需要井口人员手动操作。由于连续循环阀没有压力腔保护，密封要求高，一旦密封失效会对井口人员的人身安全带来风险。因此研发根据流道压力和钻井液流向变化自动开启或关闭钻井液循环通道、又能确保测斜仪返出的连续循环阀将成为发展方向。

(3)连续循环阀的可靠性。目前使用的连续循环阀，其中心阀一般为板阀或球阀，旁通阀为板阀。旁通阀的密封可靠性取决于扭簧寿命和密封面的密封性能。扭簧暴露在钻井循环介质中，在钻井循环介质的冲刷和腐蚀作用下极易损坏失效；钻井循环介质的冲刷和腐蚀以及钻井液中的固相颗粒又会造成旁通阀密封面的失效：因此旁通阀的密封可靠性一直是科研人员关注的焦点，他们也在积极探索一种能够解决板阀现有弊端的新型结构连续循环阀，譬如威德福公司研发了带有滑套式旁通阀的连续循环阀。

3 结 语

连续循环阀是连续循环钻井的核心工具。经过近几年的发展，已经由早期仅能适用于钻井液钻井的单一结构的三通球阀发展为不同结构形式的连续循环阀，可适用于钻井液钻井、充气钻井和气体钻井。未来连续循环阀将能够在不影响测斜等作业实施的情况下，根据需要自动切换流通通道，延长密封使用寿命，充分发挥连续循环钻井的优势，缩短非钻进时间和钻井周期，从而降低钻井成本。

[1] 胡志坚,马青芳,邵强,等.连续循环钻井技术的发展与研究[J].石油钻采工艺,2011,33(1):1-6.

[2] Torsvoll A,Horsrud P,Reimers N,et al.Continuous Circulation During Drilling Utilizing a Drilling Integrated Valve: the Continuous Circulation Valve[G].SPE98947, 2006.

[3] Braddick O B. Continuous Fluid Circulation Valve for Well Drilling：US，8100199B2[P]. 2012-01-24.

[4] Calderoni A, Girola G, Santos H, et al. Microflux Control and E-CD Continuous Circulation Valves Allow Operator to Reach HPHT Reservoirs for the First Time [G].SPE122270,2009.

[5] 张瑜.几项油气田开发新技术[J]. 石油与装备,2012(5)：101-102.

[6] Cunningham J, Bansal K R, George G, et al. A New Continuous Flow System(CFS) for Managed Pressure Drilling[G].SPE168030,2014.

[7] Cunningham J,Bansal K R,George G,et al.Development of a New Continuous Flow System for Managed Pressure Drilling[G]. SPE168957,2014.

[8] 中国海洋石油总公司.钻井不停泵连续循环及控制管汇的装置:中国,202467721U[P]. 2012-10-03.

[9] 张微,李英明,王佳露,等.连续循环钻井技术装备与应用[J].中外能源,2011,16(8):44-47.

[10] 深圳市远东石油钻采工程有限公司.一种石油钻井用不间断循环短接及其连续循环泥浆方法:中国,102226382B[P]. 2012-05-30.

[11] 成都欧迅海洋工程装备科技有限公司.一种适用于空气钻井的连续循环短接:中国,203081364U[P]. 2013-07-24.

[12] 张武辇,贾银鸽,张静,等.阀式连续循环钻井装置的工业化应用探讨[J].石油钻采工艺,2014, 36(6):1-6.

[13] 中国石油集团渤海钻探工程有限公司.一种连续循环阀:中国,204024540U[P]. 2014-12-17.

[14] 中国石油集团钻井工程技术研究院.一种钻杆短接旁通阀:中国,203515471U[P]. 2014-04-02.

[15] 长江大学.一种不间断空气钻井循环短节:中国,203531771U[P]. 2014-04-09.

[16] 深圳市远东石油钻采工程有限公司. 钻井用导柱式连续循环连接短节:中国,103615200A[P]. 2014-03-05.

[17] 深圳市远东石油钻采工程有限公司.钻井用浮球式连续循环连接短节:中国,103615206[P]. 2014-03-05.

[18] 中国石油集团西部钻探工程有限公司.连续流体循环阀:中国,202100219U[P]. 2012-01-04.

[19] 中国石油集团长城钻探工程有限公司.一种连续循环钻井短节:中国,202266213U[P]. 2012-06-06.

[20] 李春吉,何东升,谢毅,等.一种新型连续循环阀[J].钻采工艺,2011,34(2):64-65.

Discussion on the Principle of Different Structure Continuous Circulation Valve

WEIChenxing1QIJintao2GUOYanru1XUHaichao2LINTiejun3

(1. Bohai Drilling Engineering Technology Research Institute, Tianjin 300457, China;2. Drilling Technology Service Company BHDC, Tianjin 300280, China;3. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

Based on a brief introduction of the development of the continuous circulation valve both at home and abroad, the article also describes the working principle and characteristics of different structure continuous circulation valve. At last, the article discusses the development trend of the continuous circulating valve, and points out the direction for the research of continuous circulation valve.

continuous circulation drilling; continuous circulation valve; ball valve; by-pass valve

2015-02-05

国家教育部博士点基金项目“基于XFEM和细观力学的超深井钻工具疲劳破坏机理研究”(20135121110005)；中石油渤海钻探公司级项目“气体连续循环钻井系统研制与应用”(2013ZD04K)

魏臣兴(1979 — ),男,博士,工程师,研究方向为气体钻完井工程。

TE921+.5

A

1673-1980(2015)05-0115-04