专利名称：一种适用于空气钻井的连续循环钻井工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及石油钻井技术领域，特别是一种适用于空气钻井的连续循环钻井工艺。
背景技术：
石油钻井被誉为石油工业的钥匙，表明了钻井在石油工业的关键地位。从勘探阶段找油找气，到开发生产油气，直至油气田增产措施的实施，都必须经钻井来实现。与使用传统水基钻井液钻井相比，用气体型流体钻井有更多的优点能提高机械钻速，减少或避免井漏，延长钻头寿命，减少井下复杂事故，减少完井增产措施，降低钻井综合成本，保护油气
产层，增加油气产量等。但常规气体钻井作业时，在接单根前，必选首先关闭增压泵，停止气体循环，此时井底将产生负压力激动，这极易造成井底压力低于空隙压力，并可能导致井壁坍塌和埋钻等事故，同时会对后续的下套管固井作业造成不利影响。当加接完钻杆重新启动循环时，将会引起正压力激动，使得井底压力高于正常循环压力，甚至超过地层破裂压力，造成循环气体漏失和压差卡钻。在钻井气体停止循环时，常用的地面回压控制方法只能通过压力补偿方式保持井底压力的稳定，但无法避免环空压力梯度的改变，而在近海和深水钻井中，海底地层具有特殊的孔隙压力和破裂压力曲线，使得保持裸眼段压力梯度的稳定比仅仅保持井底压力的稳定更为重要。钻井气体停止循环时，岩屑沉降，在重新开始循环式，要花费大量时间来清除沉降堆积的岩屑，在恢复循环时可能造成压井而伤害储层，同时又造成较长的停钻时间来重建平衡，影响钻井效率。中国专利2011101301394，公开了一种石油钻井用不间断连续循环短接及其连续循环泥浆方法，该不间断连续循环短接包括短接本体、自动中心闸阀和侧向常闭单流阀；自动中心闸阀与短接本体同轴设置；侧向常闭单流阀设置在自动中心闸阀下方的短接本体侧壁上。由于采用了大通径无障碍自动中心闸阀和三重式侧向常闭单流阀相组合的短接本体结构，在需要拆装钻杆上扣、卸扣和起下钻时，改从侧向常闭单流阀不间断循环泥浆，利用循环泥浆的压力自动关闭自动中心闸阀，从而连续保持了井眼压力的稳定。但该连续循环短接仅适用于泥浆钻井，不能适用于空气钻井中。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种可有效控制井眼环空的当量循环密度、有效保持井眼压力稳定的适用于空气钻井的连续循环钻井工艺。本发明的目的通过以下技术方案来实现一种适用于空气钻井的连续循环钻井工艺，它包括以下步骤
S1、开钻前，先连接增压机至供气控制装置的供气管路，再分两路从供气控制装置连接至连续循环短接的管路，第一路管路A，通过顶驱装置连接至连续循环短接的中心单向阀，第二路管路B，由快速接头设置在连续循环短接的侧向立式单向阀旁边，备用；S2、下钻前将连续循环短接的连接公扣与钻杆母扣连接，再将钻具连接在顶驱上，正常钻井作业时，连续循环短接的中心单向阀处于开通状态，侧向立式单向阀处于关闭状态，接通管路A的通道，使气体由管路A进入，实现气体的循环；循环气体通过管路A经连续循环短接的中心单向阀进入钻杆实现循环；
S3、当接单根下钻、钻杆停止转动时，由管路A通过顶驱继续保持向连续循环短接中心单向阀供气，然后将备用的管路B连接到连续循环短接的侧向立式单向阀上，然后，逐渐增大管路B内气体压力，使侧向立式单向阀的阀板B打开，循环气体由侧向立式单向阀进入连续循环短接的内部，再逐渐降低管路A内气体的压力，当管路A内气体压力降低到一定程度时，中心单向阀在侧向循环气体的高压作用下自动关闭，管路A卸压后，卸下钻具与连续循环短接的连接，在连续循环短接的上端接上新的钻杆，然后在新的钻杆上端再连接一根连续循环短接B，再将连接有顶驱的钻具连接到新接上的连续循环短接B上，安装完毕后，再次逐渐打开管路A，向连续循环短接B的中心单向阀供气，并逐渐增大管路A内气体的压力，中心单向阀的阀板A打开，循环气体由中心单向阀进入钻杆串，在逐渐加大管路A的气体压力时，逐渐降低管路B内气体的压力，使侧向立式单向阀关闭，管路B卸压后，将管路B与侧向立式单向阀断开，继续进行钻井作业；反复实施上述操作，直到完成钻井作业；
S4、当起钻时,钻杆停止转动，由管路A通过顶驱继续保持向连续循环短接中心单向阀供气，将管路B连接至连续循环短接的侧向立式单向阀，并逐渐增大管路B内气体的压力，并减小管路A的气体压力，使该循环短接的侧向立式单向阀的阀板B打开，循环气体由侧向立式单向阀进入连续循环短接的内部，当管路A内气体压力降低到一定程度时，中心单向阀在侧向循环气体的高压作用下自动关闭，管路A卸压后，卸下处于钻台台面的连续循环短接以上的钻杆，并由顶驱或者游车将卸下的钻杆柱放在盘根盒中，并卸下安装在钻柱顶部的连续循环短接；
S5、完成第4步的拆卸后，将钻具再次连接到钻台台面的连续循环短接上，接通管路A与连续循环短接的中心单向阀，并逐渐增大管路A内气体压力，中心单向阀的阀板A打开，循环气体由中心单向阀进入连续循环短接的内部，然后，逐渐降低管路B内气体压力，使侧向立式单向阀关闭，管路B卸压后，将管路B与侧向立式单向阀断开，由顶驱或者游车将钻柱向上提，继续实施起钻作业，当钻柱起到下一根循环短接时，重复上述的操作，就可以完成全部的起钻施工。所述的步骤S3中，将管路B与侧向立式单向阀断开后，向侧向立式单向阀的阀体上依次安装阀座、阀芯和泄压阀。所述的步骤S4中，钻杆停止转动后，将连续循环短接的侧向立式单向阀的阀体上安装的泄压阀、阀芯和阀座依次卸下。所述的步骤SI中，还包括在中心单向阀的阀板A位于环状密封面的部分上设置密封部A的步骤。所述的步骤SI中，还包括在中心单向阀的阀体A位于环状密封面的部分上设置与密封部A相配合的密封配合部A的步骤。 所述的步骤SI中，还包括在侧向立式单向阀的阀板B位于环状密封面的部分上设置密封部B的步骤。所述的步骤SI中，还包括在阀体B环状密封面的部分上设置与密封部B相配合的密封配合部B的步骤。本发明具有以下优点
本发明在需要拆装钻杆、上扣、卸扣和起下钻时通过相互调节顶驱的气体压力和侧向循环的气体压力来控制井眼环空的当量循环密度，从而连续保持了井眼压力的稳定，保持了井壁的稳定和对井眼清洗的良好效果，防止了垮塌和斜井段岩屑床的形成，避免了跨卡漏喷等各种复杂情况的发生，从而解决了许多复杂工艺问题，气体循环连续钻井能够保证井下安全，而且缩短了钻井时间，对降低钻井成本具有重大意义；而且对地质情况复杂井更是起到关键作用，因可有效控制井眼环空的当量循环密度，从而使一些几乎难以作业的井钻井十分顺利和正常，适合用于深水超深水钻井、大位移钻井、欠平衡钻井，以及用于易喷易漏井和底层压力敏感井等需要控压钻井的复杂工艺井的作业施工中，而且对低压、低渗、水敏性地层的增产起到关键性作用。空气钻井连续循环短接的中心单向阀和侧向立式单向阀均采用多级密封的方式，同时阀板上设置橡胶层，进一步提升了密封性能，同时相对泥浆循环钻井相比较而言其气体钻井井筒液柱压力大幅度降低，井底岩石三相应力状态发生改变，使得井底破岩效率更高，也有助于减少“压持作用”，是钻头继续切削新岩石而不是碾压已破碎的岩屑，从而提高了机械钻速；同时高压气体对钻头的冷却效果更加，从而提高了钻头的使用寿命；气体钻井体系的当量压力梯度为O. OOfO. 90g/cm3，低密度窗口方位很大，易于在各种地层段实现欠平衡工况，因此空气连续循环钻井能减少或避免井漏；气体循环钻井实现了欠平衡钻井，没有固相颗粒及液相进入地层，达到了保护储层的目的，因而不需要在进一步的增产措施，同时还减少了相关作业的费用。传统泥浆连续循环短接采用硬密封方式，对高低气压的密封都基本无效，空气钻井连续循环短接采用多级密封与设置橡胶层的方式，相对泥浆循环的阀板而言其密封效果更好，实现了空气循环钻井。
图1为本发明所使用的连续循环短接结构示意图
图2为本发明所使用的连续循环短接的中心单向阀的结构示意3为本发明所使用的连续循环短接的侧向立式单向阀的结构示意4为本发明所使用的连续循环短接的中心单向阀的另一种结构示意5为本发明所使用的连续循环短接的侧向立式单向阀的另一种结构示意6为本发明所使用的连续循环短接的中心单向阀的第三种结构示意7为本发明所使用的连续循环短接的侧向立式单向阀的第三种结构示意中，1-短接主体，2-中心单向阀，3-侧向立式单向阀，4-连接公扣，5-连接母扣，6-阀体A，7-阀板A，8-定位装置，9-回转轴A，10-孔腔，11-阀体B，12-阀板B，13-回转轴B，14-扭簧，15-定位圈，16-卡簧，17-定位环，18-环状凸起A，19-环状凹槽A，20-环状凸起B，21-环状凹槽B，22-环状凹槽C，23-环状凸起C，24-环状凹槽D，25-环状凸起D，26-锥形面A，27-锥形面B，28-锥形面C，29-锥形面D，30-球形面A，31-球形面B，32-球形面C，33-球形面D，34-橡胶层A，35-橡胶层B，36-阀座，37-阀芯，38-泄压阀。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述
如图1所示，一种适用于空气钻井的连续循环短接，它包括短接主体1、设置于短接主
体I内腔上部的中心单向阀2和设置于短接主体I侧壁上的侧向立式单向阀3，短接主体I内腔内还设置有压紧中心单向阀2的定位装置8，中心单向阀2包括阀体A6和阀板A7，阀板A7通过回转轴A99铰接于位于阀孔下方的阀体侧壁上，阀体A6的侧壁设有与阀板A7打开位置相配合的孔腔10 ;阀板A7与阀体形成环状密封面；侧向立式单向阀3包括阀体Bll和阀板B12，阀板B12通过回转轴B13铰接于阀体Bll的端面上，回转轴B13上套装有扭簧14,扭簧14的一端抵压于阀体Bll上,扭簧14的另一端抵压于阀板B12上,扭簧14将阀板B12压紧于阀体Bll上。所述的定位装置8包括定位圈15、卡簧16和定位环17，短接主体I的内腔设有定位凹槽，定位圈15设置于定位凹槽内，定位圈15内壁设有与卡簧16配合的内卡槽，卡簧16设置于定位圈15的内卡槽内，定位环17设置于卡簧16下部的定位圈15内腔内。一种适用于空气钻井的连续循环钻井工艺，它包括以下步骤
51、在中心单向阀2的阀板A7位于环状密封面的部分上设置密封部A，在中心单向阀2的阀体A6位于环状密封面的部分上设置与密封部A相配合的密封配合部A，在侧向立式单向阀3的阀板B12位于环状密封面的部分上设置密封部B，在阀体Bll环状密封面的部分上设置与密封部B相配合的密封配合部B ;开钻前，先连接增压机至供气控制装置的供气管路，再分两路从供气控制装置连接至连续循环短接的管路，第一路管路A，通过顶驱装置连接至连续循环短接的中心单向阀2，第二路管路B，由快速接头设置在连续循环短接的侧向立式单向阀3旁边，备用
52、下钻前将连续循环短接的连接公扣4与钻杆母扣连接，再将钻具连接在顶驱上，正常钻井作业时，连续循环短接的中心单向阀2处于开通状态，侧向立式单向阀3处于关闭状态，接通管路A的通道，使气体由管路A进入，实现气体的循环；循环气体通过管路A经连续循环短接的中心单向阀2进入钻杆实现循环；
53、当接单根下钻、钻杆停止转动时，由管路A通过顶驱继续保持向连续循环短接中心单向阀2供气，然后将备用的管路B连接到连续循环短接的侧向立式单向阀3上，然后，逐渐增大管路B内气体压力，使侧向立式单向阀3的阀板B12打开，循环气体由侧向立式单向阀3进入连续循环短接的内部，再逐渐降低管路A内气体的压力，当管路A内气体压力降低到一定程度时，中心单向阀2在侧向循环气体的高压作用下自动关闭，管路A卸压后，卸下钻具与连续循环短接的连接，在连续循环短接的上端接上新的钻杆，然后在新的钻杆上端再连接一根连续循环短接B，再将连接有顶驱的钻具连接到新接上的连续循环短接B上，安装完毕后，再次逐渐打开管路A，向连续循环短接B的中心单向阀2供气，并逐渐增大管路A内气体的压力，中心单向阀2的阀板A7打开，循环气体由中心单向阀2进入钻杆串，在逐渐加大管路A的气体压力时，逐渐降低管路B内气体的压力，使侧向立式单向阀3关闭，管路B卸压后，将管路B与侧向立式单向阀3断开，将管路B与侧向立式单向阀3断开后，向侧向立式单向阀3的阀体上依次安装阀座36、阀芯37和泄压阀38，即可进行钻井作业，有效保证了短接本体内部的压力稳定；反复实施上述操作，直到完成钻井作业；，
54、当起钻时,钻杆停止转动,将连续循环短接的侧向立式单向阀3的阀体上安装的泄压阀38、阀芯37和阀座36依次卸下，由管路A通过顶驱继续保持向连续循环短接中心单向阀2供气，将管路B连接至连续循环短接的侧向立式单向阀3，并逐渐增大管路B内气体的压力，并减小管路A的气体压力，使该循环短接的侧向立式单向阀3的阀板B12打开，循环气体由侧向立式单向阀3进入连续循环短接的内部，当管路A内气体压力降低到一定程度时，中心单向阀2在侧向循环气体的高压作用下自动关闭，管路A卸压后，卸下处于钻台台面的连续循环短接以上的钻杆，并由顶驱或者游车将卸下的钻杆柱放在盘根盒中，并卸下安装在钻柱顶部的连续循环短接；
S5、完成第4步的拆卸后，将钻具再次连接到钻台台面的连续循环短接上，接通管路A与连续循环短接的中心单向阀2，并逐渐增大管路A内气体压力，中心单向阀2的阀板A7打开，循环气体由中心单向阀2进入连续循环短接的内部，然后，逐渐降低管路B内气体压力，使侧向立式单向阀3关闭，管路B卸压后，将管路B与侧向立式单向阀3断开，由顶驱或者游车将钻柱向上提，继续实施起钻作业，当钻柱起到下一根循环短接时，重复上述的操作，就可以完成全部的起钻施工。在装卸钻杆过程中，井眼内的压力始终保持恒定，消除了现有工艺中因停机带来的压力波动而造成的不利影响，且井内气体始终保持循环，避免了岩屑的沉积，减少了卡钻事故的出现；同时采用该工艺，节省了每次停机后开始钻进时重新建立压力平衡的时间，极大的提闻了钻井效率。如图2、图3所示，所述的密封部A为设置于阀板A7上的环状凸起A18，与该密封部A配合的密封配合部A为设置于阀体A6上的与阀板A7的环状凸起A18相配合的环状凹槽A19 ;所述的密封部B为设置于阀板B12上的环状凸起B20，与该密封部B配合的密封配合部B为设置于阀体Bll上的与阀板A7的环状凹槽B21相配合的环状凹槽B21 ;密封部A与密封配合部A配合形成密封，密封部A与密封配合部A的内外两侧、阀板A7与阀体A6形成的环状密封面也形成密封，从而增大了阀板A7与阀体A6的密封面积，形成连续的多级密封，密封效果好，密封性能稳定，密封部B与密封配合部B配合形成密封，密封部B与密封配合部B的内外两侧、阀板B12与阀体Bll形成的环状密封面也形成密封，从而增大了阀板B12与阀体Bll的密封面积，形成连续的多级密封，密封效果好，密封性能稳定。如图4、图5所示，所述的密封部A也可为设置于阀板A7上的环状凸起A18，与该密封部A配合的密封配合部A为设置于阀体A6上的与阀板A7的环状凸起A18相配合的环状凹槽A19，密封部A还包括设置于阀板A7上的锥形面A26，密封配合部A还包括设置于阀体A6上的与阀板A7的锥形面相配合的锥形面B27，所述的阀板A7与阀体A6配合的表面还设置有橡胶层A34，密封部A与密封配合部A的内侧、阀板A7与阀体A6形成的锥形密封面形成密封，密封部A与密封配合部A的外侧、阀板A7与阀体A6形成的环状密封面也形成密封，从而进一步增大了阀板A7与阀体A6的密封面积，阀板A7的表面上设置的橡胶层A34进一步增强了阀板A7与阀体A6的密封性能。所述的密封部B还可为设置于阀板B12上的环状凸起B20，与该密封部B配合的密封配合部B为设置于阀体Bll上的与阀板A7的环状凹槽B21相配合的环状凹槽B21，所述的密封部B还包括设置于阀板B12上的锥形面C28，密封配合部B还包括设置于阀体Bll上的与阀板B12的锥形面相配合的锥形面D29，阀板B12与阀体Bll配合的表面还设置有橡胶层B35，密封部B与密封配合部B的内侧、阀板B12与阀体Bll形成的锥形密封面形成密封，从而进一步增大了阀板B12与阀体Bll的密封面积，阀板B12的表面上设置的橡胶层B35进一步增强了阀板B12与阀体Bll的密封性能。如图6、图7所示，所述的密封部A还可为设置于阀板A7上的环状凹槽C22，与该密封部A配合的密封配合部A为设置于阀体A6上的与阀板A7的环状凹槽C22相配合的环状凸起C23 ;所述的密封部A还包括设置于阀板A7上的球形面A30，密封配合部A还包括设置于阀体A6上的与阀板A7的球形面相配合的球形面B31，所述的阀板A7与阀体A6配合的表面还设置有橡胶层A34，中心单向阀2关闭时，密封部A与密封配合部A配合形成密封，密封部A与密封配合部A的内侧、阀板A7与阀体A6形成的球形密封面形成密封，密封部A与密封配合部A的外侧、阀板A7与阀体A6形成的环状密封面也形成密封，从而增大了阀板A7与阀体A6的密封面积，形成连续的多级密封，密封效果好，密封性能稳定，阀板A7的表面上设置的橡胶层A34进一步增强了阀板A7与阀体A6的密封性能。所述的密封部B还可为设置于阀板B12上的环状凹槽D24，与该密封部B配合的密封配合部B为设置于阀体Bll上的与阀板B12的环状凹槽D24相配合的环状凸起D25，所述的密封部B还包括设置于阀板B12上的球形面C32，密封配合部B还包括设置于阀体Bll上的与阀板B12的球形面相配合的球形面D33，阀板B12与阀体Bll配合的表面还设置有橡胶层B35，侧向立式单向阀3关闭时，密封部B与密封配合部B配合形成密封，密封部B与密封配合部B的内侧、阀板B12与阀体Bll形成的球形密封面形成密封，密封部B与密封配合部B的外侧、阀板B12与阀体Bll形成的环形密封面也形成密封，从而增大了阀板B12与阀体Bll的密封面积，形成连续的多级密封，密封效果好，密封性能稳定，阀板B12表面设置的橡胶层B35进一步增强了阀板B12与阀体Bll的密封性能。
权利要求
1.一种适用于空气钻井的连续循环钻井工艺，其特征在于它包括以下步骤 51、开钻前，先连接增压机至供气控制装置的供气管路，再分两路从供气控制装置连接至连续循环短接的管路，第一路管路A，通过顶驱装置连接至连续循环短接的中心单向阀(2)，第二路管路B，由快速接头设置在连续循环短接的侧向立式单向阀(3)旁边，备用； 52、下钻前将连续循环短接的连接公扣(4)与钻杆母扣连接，再将钻具连接在顶驱上，正常钻井作业时，连续循环短接的中心单向阀(2 )处于开通状态，侧向立式单向阀(3 )处于关闭状态，接通管路A的通道，使气体由管路A进入，实现气体的循环； 53、当接单根下钻、钻杆停止转动时，将备用的管路B连接到连续循环短接的侧向立式单向阀(3)上，然后，逐渐增大管路B内气体压力，逐渐降低管路A内气体压力，管路A卸压后，卸下钻具与连续循环短接的连接，在连续循环短接的上端接上新的钻杆，然后在新的钻杆上端再连接一根连续循环短接B，再将连接有顶驱的钻具连接到新接上的连续循环短接B上，再次逐渐打开管路A，降低管路B内气体的压力，使侧向立式单向阀(3)关闭，管路B卸压后，将管路B与侧向立式单向阀(3 )断开，继续进行钻井作业； 54、当起钻时，钻杆停止转动，将管路B连接至连续循环短接的侧向立式单向阀(3)，并逐渐增大管路B内气体的压力，并减小管路A的气体压力，管路A卸压后，卸下处于钻台台面的连续循环短接以上的钻杆，并由顶驱或者游车将卸下的钻杆柱放在盘根盒中，并卸下安装在钻柱顶部的连续循环短接； 55、完成第4步的拆卸后，将钻具再次连接到钻台台面的连续循环短接上，接通管路A与连续循环短接的中心单向阀(2)，并逐渐增大管路A内气体压力，逐渐降低管路B内气体压力，管路B卸压后，将管路B与侧向立式单向阀(3)断开，由顶驱或者游车将钻柱向上提，继续实施起钻作业。
2.根据权利要求1所述的一种适用于空气钻井的连续循环钻井工艺，其特征在于所述的步骤S3中，将管路B与侧向立式单向阀(3 )断开后，向侧向立式单向阀(3 )的阀体上依次安装阀座(36 )、阀芯(37 )和泄压阀(38 )。
3.根据权利要求2所述的一种适用于空气钻井的连续循环钻井工艺，其特征在于所述的步骤S4中，钻杆停止转动后，将连续循环短接的侧向立式单向阀(3)的阀体上安装的泄压阀(38)、阀芯(37)和阀座(36)依次卸下。
4.根据权利要求1所述的一种适用于空气钻井的连续循环钻井工艺，其特征在于所述的步骤SI中，还包括在中心单向阀(2)的阀板A (7)位于环状密封面的部分上设置密封部A的步骤。
5.根据权利要求4所述的一种适用于空气钻井的连续循环钻井工艺，其特征在于所述的步骤SI中，还包括在中心单向阀(2)的阀体A (6)位于环状密封面的部分上设置与密封部A相配合的密封配合部A的步骤。
6.根据权利要求1所述的一种适用于空气钻井的连续循环钻井工艺，其特征在于所述的步骤SI中，还包括在侧向立式单向阀(3)的阀板B (12)位于环状密封面的部分上设置密封部B的步骤。
7.根据权利要求6所述的一种适用于空气钻井的连续循环钻井工艺，其特征在于所述的步骤SI中，还包括在阀体B (11)环状密封面的部分上设置与密封部B相配合的密封配合部B的步骤。
全文摘要
本发明公开了一种适用于空气钻井的连续循环钻井工艺，它包括以下步骤在中心单向阀(2)的阀板A(7)上设置密封部A，在阀体A(6)上设置密封配合部A，在侧向立式单向阀(3)的阀板B(12)上设置密封部B，在阀体B(11)上设置密封配合部B；正常钻井作业时，将管路A连接中心单向阀(2)向钻杆内供气；需要拆装钻杆时，将管路B连接至侧向立式单向阀(3)向钻杆内供气。本发明的有益效果是可有效控制井眼环空的当量循环密度、有效保持井眼压力稳定；缩短了钻井时间，对降低钻井成本具有重大意义。
文档编号E21B21/08GK103046883SQ201210561390
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月21日 优先权日2012年12月21日
发明者俞祖英, 徐著华, 李康健, 王洪杰, 张锐 申请人:成都欧迅海洋工程装备科技有限公司