高压循环头（high pressure circulating head）是一个特殊的三通管, 下端和钻杆连接, 上端有电缆密封装置, 有线绞车电缆从密封端口进入钻具内, 侧向通口与水龙带连接, 其主要作用是满足有线随钻定向钻井时的正常循环, 该装置只适用于有线随钻测斜仪测试使用。

1.2.1 阀式连续循环钻井装置

在严格依据质量体系的基础上, 结合钻井实际, 对连续循环短节、控制系统、接入立管管汇的过渡系统等阀式连续循环钻井装置^[11]进行研究, 现场应用获得成功。该装置能够适应钻井工艺各项技术要求, 实现了井下连续循环和井口钻具接卸扣同步作业, 避免因开泵、停泵造成井下压力激动, 有效地控制ECD（循环当量密度）值^[12], 保持井内压力稳定, 避免井下复杂情况乃至事故的发生, 提高钻井效率和安全性, 降低钻井成本, 保障安全、高效、经济地完成钻井施工, 该装置只适用于钻井过程中的接单根作业。

1.2.2 测井旁通装置

测井旁通装置是一种密封性好的旁通短节, 电缆通过旁通装置的通道后, 实现密封条件下进行测井作业, 其主要作用是防止钻井液溢出, 保证循环状态下测井作业的正常进行, 该装置只适用于测井作业使用。

以上国内外各种循环及旁通装置都有各自的特性和局限性, 其共性是在钻井提升系统、旋转系统或钻井液循环系统完好的情况下去解决技术问题, 不具备解决钻井提升系统、旋转系统或钻井液循环系统故障后及水平井段打捞、事故处理期间的钻具活动和钻井液循环问题^[13]。

要解决粘吸、沉砂卡钻事故的问题, 预防是最为有效的措施, 其手段就是减少井下钻具的静止时间, 保持钻井液循环畅通。利用TRIZ（发明问题解决理论）理论和40发明原理为设计思路^[14], 其中时间和空间成为解决问题的关键, 设计具有旋转、循环、打捞投放功能的防卡装置, 总体设计思路分为4部分：

（1）采用状态转变、复合材料及嵌套原理, 研制盘根密封装置, 形了成高压循环、短节旋转的动密封技术。

（2）通过时间分离, 采用分割、嵌套原理研制循环密封三通, 满足不同时间段的不同需求, 循环钻井液时高压密封, 打捞投放工具时水眼畅通。

（3）与SIT功能合并, 研制旋转循环系统, 实现钻井提升系统、旋转系统或钻井液循环系统故障后可进行钻具转动、重建循环通道, 预防卡钻事故的发生。

（4）密封三通的高压循环为水平井段打捞、事故处理工具提供前行动力, 进而形成水平井段仪器打捞及事故处理的技术和方法。

根据总体方案设计思路, 循环旋转防卡装置（图1）主要由三通循环头、盘根短节、密封盖、芯托、胶芯、挤压块、高压水龙带、固定臂等构成（图2）。

图1

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	图1 旋转循环防卡装置

图2

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	图2 旋转循环防卡装置内部结构

2.2.1 三通循环头

三通循环头主要由由壬连接头、三通、顶部密封缸组成, 三通循环头外径165 mm, 内径68 mm, 高度300 mm, 其下端与盘根短节连接, 三通末端设计有与高压水龙带连接的接头, 长200 mm; 三通循环头上部安装有密封缸, 高200 mm, 外径100 mm, 内径78 mm, 密封缸顶端有外螺纹和密封盖, 在密封组件的共同作用下实现电缆的密封。

2.2.2 盘根短节

盘根短节主要由短节、盘根组成, 短节外径165 mm, 内径68 mm, 高度300 mm, 其下端丝扣型号为4A11的公扣, 可与井口钻具连接; 盘根上端与三通循环头连接, 通过盘根短节的转动来实现井下钻具的转动。

2.2.3 密封盖

密封盖外径135 mm, 内径100 mm, 高85 mm, 密封盖内径下端有丝扣用于和防卡活动循环装置密封缸连接。密封盖的顶部有内径58 mm的圆孔, 便于打捞工具通过, 顶盖的圆孔和内径所形成的台阶, 通过挤压块施加压力, 密封盖的内部螺纹利用千斤顶的原理顺时针旋转来给密封缸的胶芯施加压力, 从而达到密封的作用。

2.2.4 芯托

芯托由高度20 mm、外径80 mm, 通过铆状结构连接在一起的两个半圆组成, 中心有内径8 mm的孔, 是用来通过电缆的, 其主要作用是承托胶芯并阻止在加压时胶芯继续下行。

2.2.5 胶芯

胶芯是采用优质橡胶材料做成的两个半圆组成的一个圆柱体, 其高度120 mm, 外径80 mm, 中心孔内径8 mm, 用于通过电缆。胶芯的主要作用是依靠其延展性、弹性、可变性质来实现电缆、胶芯、密封缸等间隙之间的密封。

2.2.6 挤压块

挤压块高度100 mm, 外径80 mm, 中心孔内径8 mm, 用于通过电缆。其作用是将密封盖施加的压力均匀地传递给胶芯来实现密封。

2.2.7 高压水龙带

高压水龙带外径50.8 mm, 长度3~5 m, 其两端通过由壬（型号1502）分别连接钻台压力管汇和信号检测循环头的三通, 连通后用于建立新的钻井液循环系统, 为随钻仪器信号检测系统提供循环压力。

2.2.8 固定臂

固定臂主要由外径25 mm, 可以自由调整伸缩200~300 mm的固定装置组成, 一端由螺栓销钉和三通循环头连接, 另一端通过螺栓销钉和钻台的任意处连接, 其主要作用是防止下部盘根短节转动时带动三通转动。

旋转循环防卡装置的功能是利用循环密封三通技术、SIT功能合并和高压冲管的旋转来实现：先通过三通循环头和高压水龙带与钻台压力管汇连接, 再通过旋转套管与井口钻具连接, 即可使钻井液快速恢复循环, 同步转动钻具即可有效预防沉砂卡钻或粘吸卡钻。此外, 通过各密封圈和盘根组件能分别实现外部静密封和内部动密封, 进而防止钻井液从各缝隙处渗出, 使用上、下两个推力轴承能使旋转套管转动更加平稳、顺畅; 当水平井段发生卡钻或井漏时, 先将电缆穿过本装置后与检测工具或爆炸松扣工具或打捞工具等各类工具串连在一起并下入井内, 再通过接头和高压水龙带与钻台压力管汇连接, 即可通过高压钻井液推动工具串前移至预定位置, 完成检测、投放、打捞等事故处理工作。

选择JX 5进行试验, 当该井钻至井深2 420.00 m开始起钻, 起钻至井深2 326.00 m时遇阻划眼, 在划眼过程中井漏失返, 为了确保井下MWD（随钻测量）仪器安全, 决定先将MWD仪器打捞上来, 再进行复杂事故处理。之后应用旋转循环防卡装置, 在提升下放电缆的同时, 进行井底钻具的转动及钻井液的循环, 有效预防了卡钻事故的发生, 同时成功地将MWD仪器打捞上来, 避免了仪器被埋井下的风险, 确保了堵漏工作的顺利进行。

选择K 21-P2井进行试验, 当该井钻至井深3 055.00 m时, 顶驱发生故障。为防止粘卡, 启用旋转循环防卡装置, 建立循环的同时, 利用转盘作为动力, 带动旋转循环防卡装置与钻具同时转动, 顶驱修复共计6.5 h, 在此期间一直采用旋转循环防卡装置循环钻井液和转动钻具, 未发生卡钻, 装置连续运行正常。

选择KX 1H井进行试验, 该井是侏罗系西山窑组煤层断背斜圈闭的一口风险探井, 井型水平井, 设计井深4 508.00 m。由于该井处于山前带, 地质活动剧烈, 地层起伏变化大; 地层挤压严重, 存在褶皱地层和断层; 地层应力集中, 煤层发育, 煤岩质脆, 钻井过程中井壁极易失稳, 造成井塌、卡钻事故的发生。当该井钻至井深4 382.00 m循环钻井液时, 顶驱冲管刺漏, 之后钻至3 911.00 m更换冲管, 更换时间长达4 h以上。为了确保井下安全, 避免卡钻事故发生, 保持井下钻具的转动及钻井液的正常循环, 首次应用了旋转循环防卡装置, 在井口钻具连接后, 开泵循环, 泵压从5 MPa上升至10 MPa, 转盘启动且转动灵活, 高压循环无刺漏, 旋转动密封性能好, 实现了设备故障后井下钻具的转动及钻井液的正常循环, 有效预防了卡钻事故的发生, 试验成功。

研制的旋转循环防卡装置在试验成功后, 加工制造了5套, 先后在吐哈、三塘湖、吉木萨尔、西南油气田29口井应用共37次, 其中发生钻井液循环系统故障18次、顶驱故障11次、打捞MWD仪器8次, 其应用情况如表2所示, 防止卡钻成功率100%, 节约了大量生产成本。

表2

表2

表2 现场应用统计 区域 井数/口 钻井液循环系统故障/次 顶驱故障/次 打捞仪器/次 运行 情况 吐哈 12 8 5 3 正常 三塘湖 4 2 2 1 正常 吉木萨尔 7 4 3 1 正常 西南油气田 6 4 1 3 正常

表2 现场应用统计

现场应用表明, 旋转循环防卡装置结构简单、实用性强、易拆卸保养, 旋转循环功能避免了传统钻井提升系统、旋转系统或钻井液循环系统发生故障后, 无专用工具预防此工况下粘吸、沉砂卡钻的问题。

旋转循环防卡装置直接经济效益是减少卡钻事故发生率, 节约施工周期和物资成本, 使用旋转循环防卡装置消除了钻井提升系统、旋转系统或钻井液循环系统发生故障后和打捞MWD仪器时粘吸、沉砂卡钻事故。累计使用37次, 按50%卡钻率计算, 平均卡钻处理时间3.5 d（按成功解卡计算）, 平均每次卡钻需要解卡剂等物资成本5万元, 钻井费6.5万元/d, 共计节约成本513.4万元。

旋转循环防卡装置填补了钻井提升系统、旋转系统发生或钻井液循环系统故障及MWD仪器打捞时无专用旋转循环防卡工具的空白, 缩短了钻井工期、降低了员工劳动强度, 完成 37次旋转循环防卡作业所产生的间接经济效益约3 000万元。