辅助装置、连续循环钻井系统及其钻井方法与流程

本发明涉及钻井技术，具体地涉及一种辅助装置、连续循环钻井系统及其钻井方法。

背景技术

钻井就是利用机械设备和相关的技术，从地表向地下将地层钻成具有一定深度的圆柱形孔眼的工程。随着油气钻井技术的发展和进步，操作人员应用新型的钻井技术可以钻成各种诸如深井、超大深井、水平井、大位移井、多底井等技术难度很大的井。例如，海上从浅水到深水、超深水钻井都获得很大的成效。

其中，在钻井过程中，为了保持稳定的井眼压力，同时也为了解决常规钻井在上扣、卸扣和起下钻过程中因停止井内泥浆循环而带来一系列不正常的问题，在钻井过程中需要要求井眼保持泥浆连续循环状态。由于钻井过程泥浆的连续循环，保持了井眼压力的稳定并且能够很好的控制环空的回压值，保持井壁稳定和良好的井眼清洗效果，防止垮塌和斜井段岩屑床的形成，避免垮塌、漏喷等各种复杂情况的发生，这样便能够解决许许多多复杂工艺问题。另外，钻井过程泥浆的连续循环对保证井下安全、缩短钻井时间以及降低钻井成本具有重大意义，特别对地质情况复杂的井更是起到关键作用。

传统的连续循环钻井系统虽然能够保证钻井过程泥浆的连续循环，即在钻井过程中上扣，卸扣和下钻过程中实现了井眼内泥浆连续循环状态而不用停泵，但是这种连续循环钻井系统仅仅能够避免因停泵由于泥浆静止沉沙造成岩屑床或卡钻等问题，而当钻进深部地层时，在进行接立柱操作时，仅仅保证钻井液连续循环是远远不够的。这是因为随着地层加深，钻井液液柱压力与地层压力之间的压差增大，若钻柱静止，在压差作用下钻柱600会被紧压在井壁400上从而造成形成黏附卡钻(黏附卡钻，又称压差卡钻，是指钻井中的固相颗粒吸附在井壁400上就形成的滤饼500造成井下钻柱600粘吸卡住，如图2所示)，从而钻井工作无法正常进行。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术存在的黏附卡钻的问题，提供一种辅助装置，该辅助装置能够在接立柱时极大的减少井下钻柱的停转时间，从而达到防止黏附卡钻等问题的目的。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种辅助装置，所述辅助装置用于连续循环钻井系统，所述辅助装置包括壳体以及钻井液供应组件，所述壳体的第一端设置有用于与所述钻井液供应组件连接的接口，所述壳体中可旋转的设置有中空轴体，所述中空轴体的中空部分与所述接口连通并且该中空部分从所述壳体的第二端穿出，所述中空轴体的穿出至所述壳体的部分设置有用于与所述连续循环钻井系统的循环短节连接的连接部。

优选地，所述辅助装置包括承压轴承和定位轴承，所述承压轴承套设在所述中空轴体的中部，所述定位轴承套设在所述中空轴体的端部。

优选地，所述定位轴承包括分别位于所述承压轴承的两侧的第一定位轴承和第二定位轴承。

优选地，所述第一定位轴承与所述壳体的所述第一端之间沿轴向方向设置有第一定位套筒，所述第二定位轴承与所述壳体的所述第二端之间沿轴向方向设置有第二定位套筒。

优选地，所述壳体包括本体以及可拆卸的连接在所述本体两端的第一盖体和第二盖体，所述接口设置在所述第一盖体上，所述中空轴体能够相对于所述第一盖体和第二盖体转动。

优选地，所述接口处设置有与所述接口连接的弯管，所述弯管与所述第一盖体一体形成。

优选地，所述中空轴体分别与所述第一盖体和第二盖体动密封。

优选地，所述连接部为内螺纹或者外螺纹；和/或所述中空轴体的中心线与所述壳体的中心线共线。

优选地，所述中空轴体的一端与所述接口对准并间隔开。

本发明第二方面提供一种连续循环钻井系统，所述连续循环钻井系统包括钻具、与所述钻具连接的循环短节以及所述的辅助装置，所述中空轴体的穿出至所述壳体的部分能够通过所述连接部与所述循环短节连接。

本发明第三方面提供一种用于上述连续循环钻井系统的钻井方法，所述方法包括以下步骤：

在接立柱时，停止钻进，并使钻井液从所述循环短节的侧向阀泵入，同时停止从所述循环短节的中心阀泵入钻井液；

将所述中空轴体的穿出至所述壳体的部分通过所述连接部与所述循环短节连接，并使钻井液从所述辅助装置的所述接口泵入，同时停止钻井液从所述循环短节的侧向阀泵入；

使所述循环短节转动，待接立柱的准备工作完成后，使所述循环短节停止转动，并停止向所述接口泵入钻井液，同时使钻井液再次从所述循环短节的所述侧向阀泵入；

将所述中空轴体与所述循环短节的连接拆卸，并将准备好的新的立柱与所述循环短节连接，然后停止向从所述循环短节的所述侧向阀泵入钻井液，同时使钻井液再次从所述循环短节的中心阀泵入；

使所述循环短节再次转动，继续进行钻进工作。

通过利用本发明提供的辅助装置，使得在连续循环钻井系统进行侧循环接立柱时，既能保证钻井液的连续循环，又可以极大的减少井下钻柱的停转时间，从而达到防止黏附卡钻等问题的目的。

附图说明

图1是现有技术中的连续循环钻井系统的结构示意图。

图2是图1所的连续循环钻井系统出现卡钻现象的示意图；

图3是图1所示的连续循环钻井系统的循环短节的结构示意图；

图4是本发明的具体实施方式提供的辅助装置的结构示意图。

附图标记说明

10-壳体；11-接口；

12-本体；13-第一盖体；

14-第二盖体；15-弯管；

20-中空轴体；21-连接部；

30-承压轴承；40-定位轴承；

41-第一定位轴承；42-第二定位轴承；

51-第一定位套筒；52-第二定位套筒；

61-第一密封圈；62-第一橡胶油封；

63-第二密封圈；64-第二橡胶油封；

65-第一卡簧；66-第二卡簧；

100-控制系统；200-循环短节；

210-中心阀；220-侧向阀；

300-吊钩组件；400-井壁；

500-滤饼；600-钻柱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。另外，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。另外，本发明中所指的“多个”指的是两个以上并且包括两个。

为了清楚的理解本发明，这里先分析一下现有技术中的连续循环钻井系统，具体如下：传统的连续循环钻井系统主要包括循环短节200与控制系统100两部分，循环短节200与钻具(这里的钻具包括钻柱、钻头等)相连接，并且循环短节200通过吊钩组件300悬挂，在钻井过程中，通过控制系统100调节控制管汇，由循环短节200实现主循环和侧循环的转换(关于主循环和侧循环将在下文详细介绍)，如图1所示是现有技术中连续循环钻井系统的结构示意图。

为了便于理解本发明，下文对循环短节200如何实现主侧循环的转换进行详细的介绍。

首先，需要简单介绍一下循环短节200，如图3所示，循环短节200具有中空循环通道(该循环通道在下文也称之为主循环通道)，所述中空循环通道中设置有中心阀210并且在中空循环通道的侧面设置有侧向阀220，使用时，当钻井液从侧向阀泵入时，即进行侧循环时，中心阀210会在钻井液压力的作用下自动关闭。其次，为了便于理解和描述这里定义几个术语，具体的，本发明中所称的“主循环”指的是钻进过程中钻井液(例如，泥浆)自上而下流经循环短节的中心阀210的循环(主循环时，侧向阀关闭)，“侧循环”指的是在需要接立柱时为实现钻井液的连续循环，钻井液流经循环短节侧面的侧向阀220的循环(测循环时，中心阀关闭)，而需要说明的是，在下文中，在借助本发明的辅助装置维持钻井液的连续循环时，也会有钻井液自上而下流经循环短节的中心阀210的循环，但是此时的循环并不是在钻进过程中进行的，因此不能认为是主循环，这里可以称之为“辅助循环”。

下面具体介绍循环短节如何实现主侧循环的转换：在初始工作时，即钻具钻进时，钻井液自上而下流经循环短节200的中心阀210，实现主循环，当钻进工作进行一段时间后需要接立柱时，首先使井下的钻具停止转动，并利用卡瓦将循环短节200固定在井口，然后将高压软管与循环短节200的侧向阀220连接，连接完成后，停止主循环钻井液泵入，同时从侧向阀220泵入钻井液实现侧循环，这样即实现了主循环向测循环的转换，而由于侧循环进行时，钻井液虽然保持连续循环，但在此过程中钻柱停止转动，而钻柱停转时间越长，钻杆越可能被泥饼包裹，从而发生卡钻现象。

为解决上述问题，本发明通过缩短接立柱时钻柱停转时间，从而有效解决在接立柱时容易出现的卡钻问题，具体方案如下：

根据本发明的一个方面，本发明中通过借助辅助装置尽可能的缩短接立柱时的钻柱停转时间，具体的，如图4所示，所述辅助装置包括壳体10以及钻井液供应组件，所述壳体10的第一端设置有用于与钻井液供应组件连接的接口11，所述壳体10中可旋转的设置有中空轴体20，所述中空轴体20的中空部分与接口11连通并且该中空部分从壳体的第二端穿出，所述中空轴体20的穿出至壳体10的部分设置有用于与连续循环钻井系统的循环短节连接的连接部21(所述连接部21为内螺纹或者外螺纹)其中，为了便于安装和设计，优选地，所述中空轴体20的中心线与所述壳体10的中心线共线。

根据本发明的另一个方面，本发明的具体实施方式提供的连续循环钻井系统包括钻具、与钻具连接的循环短节200以及上述辅助装置，所述中空轴体20的穿出至壳体10的部分能够通过连接部21与循环短节200连接。

根据本发明的再一个方面，本发明的具体实施方式提供的用于所述连续循环钻井系统的钻井方法包括以下步骤：

在接立柱时，停止钻进，并使钻井液从循环短节200的侧向阀220泵入，同时停止从循环短节200的中心阀210泵入钻井液(即从主循环转换至测循环)；

将中空轴体20的穿出至壳体10的部分通过连接部21与循环短节连接(例如可以采用螺纹连接)，并使钻井液从辅助装置的接口11泵入，同时停止钻井液从循环短节200的侧向阀220泵入(即从侧循环转换至辅助循环)；

使循环短节转动，待接立柱的准备工作完成后，使循环短节停止转动，并停止向接口11泵入钻井液，同时使钻井液再次从循环短节的所述侧向阀泵入(即从辅助循环转换至侧循环)；

将中空轴体20与循环短节200的连接拆卸，并将准备好的新的立柱与循环短节200连接，然后停止向从循环短节的侧向阀泵入钻井液，同时使钻井液再次从循环短节的中心阀泵入(即从侧循环转换至主循环)；

使循环短节200再次转动，继续进行钻进工作。

在本明中，在进行钻井工程时，需要接立柱时通过借助本发明提供的辅助装置不仅能够保证钻井液的连续循环，更重要的是可以极大的缩短钻柱停转时间，有效地避免了接立柱时可能发生的黏附卡钻风险，提高钻井效率，降低钻井成本。特别是对于钻井深部地层或高粘性地层时，停止钻进接立柱过程中，如果仅保证钻井液的连续循环，井下钻柱容易贴附井壁形成黏附卡钻，这样通过借助本发明中的辅助装置可以有效避免钻柱贴附井壁进而形成黏附卡钻。换句话说，正是由于现有技术中没有设置辅助装置，而且在接立柱的准备工作过程中，高压软管一直连接在循环短节的侧向阀上，从而使得循环短节不能转动，进而导致在接立柱过程中必须使钻柱停钻，这也是导致卡钻问题的主要原因。而通过上述分析可知，在本发明中，通过在短节上安装辅助装置，使得在接立柱时钻井液可以通过该辅助装置流入循环短节，也就是说不需要通过在循环短节的侧向阀处一直安装高压软管，这样就不会由于高压软管的限制而导致连接在井下立柱上的循环短节长时间停转的问题，进而解决由于钻柱长时间停转而导致的卡钻问题。

进一步地，继续参考图4，所述辅助装置包括承压轴承30和定位轴承40，所述承压轴承30套设在中空轴体20的中部，所述定位轴承40套设在中空轴体20的端部，这样不仅可以通过承压轴承30和定位轴承40很好的实现中空轴体20能够相对于壳体10旋转，同时承压轴承30和定位轴承40能够起到承压和定位的作用。具体的，承压轴承30可以是推力球轴承，所述定位轴承40可以是滚珠轴承。另外，这里需要说明的是，此处的端部指的是除“中部”之外的其他部分。

其中，为了使所述辅助装置的结构更加稳固和紧凑，优选地，所述定位轴承40包括分别位于承压轴承30的两侧的第一定位轴承41和第二定位轴承42。为了进一步定位，所述第一定位轴承41与壳体10的第一端之间沿轴向方向设置有第一定位套筒51，所述第二定位轴承42与壳体10的第二端之间沿轴向方向设置有第二定位套筒52。另外，也可以通过卡簧对第一定位轴承41和第二定位轴承42进一步定位。

进一步地，为了便于安装和拆卸，优选地，所述壳体10包括本体12以及可拆卸的连接在本体12两端的第一盖体13和第二盖体14(例如，这里的可拆卸连接可以通过螺栓等紧固件实现)，所述接口11设置在第一盖体上，所述中空轴体20能够相对于第一盖体13和第二盖体14转动。

其中，为了在使用时便于连接钻井液供应组件(通常需要现在辅助装置的接口11处连接高压软管，然后通过高压软管与钻井液供应组件连接)，所述接口11处设置有与接口11连接的弯管15(此时使用时钻井液通过弯管15的入口进入并经过接口11然后进入中空轴体20)，所述弯管15与第一盖体13一体形成，这样可以使结构更加简洁、紧凑。

另外，由于弯管的管道、接口11以及中空轴体20的中空部分需要共同形成钻井液的循环通道，因此为了在保证中空轴体20转动的情况下避免钻井液的泄露，优选地，所述中空轴体20分别与所述第一盖体13和第二盖体14动密封。具体的，可以在中空轴体20的上端与所述第一盖体13之间分别设置多个第一密封圈61(例如，v型密封圈)同时通过第一橡胶油封62加强密封，同理，可以在中空轴体20的下端与第二盖体14之间分别设置多个第二密封圈63(例如，v型密封圈)同时通过第二橡胶油封64加强密封。进一步地，可以通过第一卡簧65和第二卡簧66固定第一橡胶油封62和第二橡胶油封64。

另外，为了能够使中空轴体20顺利旋转，所述中空轴体20的一端与所述接口11对准并间隔开，从而防止中空轴体20与第一盖体13之间的转动摩擦影响中空轴体20的转动。

为了进一步地理解本发明，下文将参考附图对本发明提供的连续循环钻井系统的整个工作过程(主要包括接立柱操作过程)进行详细描述：

s1：在最初状态，连续循环钻井系统正常工作时，钻杆的上方连接有循环短节200，循环短节200的上方连接水龙头等用于提供钻井液的部件，水龙头和循环短节一起通过吊钩组件300悬挂在待钻井位置的上方，待准备工作完成后，钻具进行钻进；

s2：当钻进一段时间后需要接立柱时，需要先停止钻进，然后将循环短节200与水龙头断开，然后将循环短节用卡瓦等夹具固定在钻机转盘上，并在循环短节的侧向阀220处连接高压软管；当然，高压软管的另一端连接有钻井液供应装置；

s3：停止主循环，即停止使钻井液从循环短节200的中心阀210泵入，同时开泵，使得钻井液通过高压软管从循环短节200的侧向阀220泵入，即打开侧循环；其中，该步骤是为了保持钻井液的连续循环；

s4：将辅助装置的中空轴体20的穿出至壳体的部分与连接在钻具上的循环短节进行螺纹连接，并在辅助装置的接口处连接接有钻井液供应组件的高压软管；

s5：开泵，使钻井液从所述辅助装置的接口11泵入，同时停止钻井液从循环短节200的侧向阀220泵入，待钻井液循环稳定后，拆卸侧向阀上的高压软管，然后启动转盘，使得连接在循环短节上的钻柱(位于井下)再次转动；这样从而缩短钻柱的停止转动时间，从而避免由于钻柱停转时间较长而导致的卡钻问题；

s6：待接立柱准备工作完成后(具体的指在吊钩下方的水龙头下方将连接有新的循环短节的钻柱连接完成)，再次使转盘停止转动，然后在循环短节的侧向阀处再次连接高压软管，然后停止向辅助装置的接口处泵入钻井液，同时开泵，使得钻井液再次从循环短节的侧向阀泵入，即再次打开侧循环；其中，该步骤同样是为了保持钻井液的连续循环；

s7：将高压软管从辅助装置的接口上拆卸，同时将辅助装置从循环短节上拆卸；

s8：将准备好的悬挂在吊钩上的新的立柱与循环短节连接，然后开泵，并向循环短节的主循环通道中泵送钻井液(也就是使钻井液从中心阀泵入)，同时停止向侧向阀泵送钻井液；

s9：待钻井液循环稳定后，拆卸下循环短节的侧向阀处的高压软管，然后启动转盘，转盘带动循环短节继续钻进。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。