萬米超深孔面臨著孔底高溫高壓工況（13000m超深孔孔底溫度最高可達360℃，壓力最大可達200MPa），由此帶來泥漿、孔底動力鉆具、井壁穩定性、鉆桿柱等壹系列難題。連續循環鉆井系統是世界鉆井界近年來出現的壹項新技術和新裝備，該技術在接單根時，仍保持鉆井液的連續循環，可顯著降低鉆孔中溫度，大大提高上述各項技術的適用性，同時，可有效避免接單根時由於停泵和開泵引起的井底壓力波動和巖屑沈降；在整個鉆進期間，實現了穩定的當量循環密度和不間斷鉆屑排出，全面提高了井眼質量和清潔度，可大幅度減少鉆井事故，提高鉆井作業的安全性與經濟性，對萬米超深孔鉆探施工具有十分重要的意義。
連續循環鉆井系統是實現連續循環鉆井技術的關鍵技術，其綜合了機、電、液、控制壹體化等多學科技術，主要是利用主機腔體總成閘板的開合，形成和控制主機上下密封腔室的連通與隔離，與分流管匯配合，完成密閉腔室內鉆井液通道的分流切換，實現在接單根中鉆井液的不間斷循環；利用動力鉗、平衡補償裝置和腔體背鉗的協同動作，實現在密封腔室內鉆桿的自動上卸扣操作。
3.1.1 國內外研究現狀
1995年，Laurie Ayling首先提出了連續循環鉆井（CCD）的概念，即在接單根期間保持鉆井液的連續循環，並申請了第壹項專利；1999年，荷蘭Shell NAM公司通過定量風險分析得出結論，連續鉆井液循環將使非作業鉆井時間減半，每口井作業成本可節省100萬美元；2000年，連續循環鉆井聯合工業項目開始運行，該計劃由Maris公司管理，並獲得了ITF的資助和由Shell、BP、Total、Statoil、BG和ENI組成的“工業技術聯合組織”的支持；2001年，項目選擇Varco Shaffer作為設備制造與供應商參與研制。2003年，BP公司在美國Oklahoma的陸上井對壹種連續循環系統樣機進行了現場測試並取得了成功，隨後開始了工程樣機的設計和制造。2005年，在意大利南部的Agri油田以及埃及海上的PortFouad油田，ENI公司成功實現了連續循環系統的商業化應用。2006年至2008年，Statoil公司在北海油田利用連續循環系統鉆成了6口井，均取得了巨大的成功。經過近10年的發展，目前國外連續循環系統已進入推廣應用階段，在ENI和Statoil公司取得顯著成功後，BP、BG和Shell等公司也正在考慮首次使用此項技術。
國內主要是中石油鉆井工程研究院自2006年起跟蹤這壹技術，並展開研究，經過多年的技術攻關，2012年4月9日，在中石油鉆井工程研究院與渤海鉆探鉆井技術服務公司聯合建成的科學試驗井上，該院研發的連續循環鉆井系統樣機模擬試驗過程中，樣機基本動作成功實現，但系統的控制精度、可靠性還存在較大問題，樣機在關鍵技術上還需進壹步攻關研究。
3.1.2 關鍵技術
從技術發展的成熟度和現場操作的安全性考慮，研制連續循環系統應該是根據我國萬米深孔鉆探技術特點，發展具有自主知識產權的連續循環鉆井技術。連續循環系統是集機、電、液、控制於壹體的先進鉆井技術裝備，要成功實現國產化目標，首先必須對系統的關鍵技術展開深入分析和研究。連續循環系統的關鍵技術及難點主要包括以下幾方面。
（1）高壓動密封技術
在高壓高溫泥漿連續循環和鉆桿運動（軸向、旋轉）工況下，孔口連接系統上半封閘板與鉆桿之間會產生相對轉動和軸向運動，因此閘板的動密封性能是壹個關鍵問題，目前國外產品在35MPa壓力下每接40～50次鉆桿就必須更換閘板。
（2）鉆桿精確定位與連接技術
鉆柱與鉆桿接頭在不可直接觀察的壓力腔中完成接、卸操作，鉆桿的位置由頂驅上下運動控制，下部鉆柱的位置則由卡瓦與連接器***同確定，如何保持鉆柱和鉆桿的螺紋接頭處在壹個較為合理的位置，便於螺紋對中，是連續循環動作是否能順利完成的關鍵，也是系統提高效率的關鍵。
（3）鉆桿連接螺紋與桿體保護技術
鉆桿本體保護。在上卸扣過程中，極易造成鉆桿本體損傷；尤其是動力卡瓦部分，既要承受鉆柱的重量，又要提供足夠的上卸扣扭矩，使鉆桿本體與卡瓦牙板之間的受力狀態非常復雜，極易引起鉆桿打滑並損傷本體，甚至導致鉆柱滑脫掉入井內。
鉆桿接頭的對接和旋扣均在密封腔內進行，操作人員無法直接觀測到腔內情況，同時腔內的高壓鉆井液使接頭螺紋承受很大的上頂力作用，如果操作不當，極易造成螺紋損傷，因此在接頭對接和旋扣時，必須利用強行起下裝置平衡鉆井液上頂力作用，使螺紋嚙合面上的接觸力保持合適值；另外螺紋潤滑脂必須具有防沖刷能力，避免接頭螺紋發生粘扣。
（4）泥漿切換分流技術
泥漿分流控制的關鍵是保證循環壓力穩定、無擾動，由於立管與旁通管道之間存在壓力差異，因此直接切換容易引起泥漿循環壓力的不穩定，同時高壓泥漿也會對閥件產生沖刷和沖擊作用。因此，在切換前，必須先對低壓壹側管道進行充填增壓，消除立管與旁通管道之間的壓力差異，這樣不僅可以保持泥漿循環壓力穩定，同時也消除了對閥件的不利影響，可有效提高閥件使用壽命。
3.1.3 研究內容與簡單方案
實現連續循環鉆井技術的主要裝置是連續循環鉆井系統，連續循環系統控制較為復雜，安全可靠性要求高，在研制過程中必須針對高壓動密封技術、鉆桿精確定位與連接技術、鉆桿連接螺紋與桿體保護技術、泥漿切換分流技術等關鍵技術進行深入分析和研究。
課題的研究可在充分調研國內外研究現狀的基礎上，比較分析典型的連續循環系統的結構，確定項目需開發的連續循環鉆井系統主要由泥漿連接器、分流管匯裝置、鉆桿接卸機械手、控制系統、動力系統等部分組成。
（1）研究內容
主要研究內容如下：①國內外泥漿連續循環技術情報調研與分析；②泥漿連續循環控制流程制定；③泥漿連續循環系統實施方案（包括泥漿連接器、分流管匯裝置、鉆桿接卸機械手、控制系統、動力系統等）；④關鍵部件仿真分析研究；⑤樣機的總體設計與各部分設計研究；⑥樣機的制造與加工；⑦樣機室內實驗研究與現場實驗研究；⑧連續循環配套鉆探工藝技術與優化技術研究。
參考設計參數為：工作壓力≤35MPa，鉆桿外徑，最大扭矩9kN· m，泥漿流量≤1200gpm（75.7L/s）。
（2）研究方案
泥漿連接器可由3個類似防噴器的結構組成，每個結構體內部各帶有壹個密封板，其中下結構體中的是反向密封閘板，中間的是盲板。最上部和下部的結構體中帶有旁通和閥門，並連接分流管匯裝置，作為接單根時充壓、卸壓和保持鉆井液循環的通路；鉆桿接卸機械手具有旋扣、緊扣及卸扣功能，同時在強行起下裝置的驅動下能夠上下移動，並帶有動力卡瓦用於承受鉆柱懸重，並提供上卸扣反扭矩；控制系統則為系統各執行部分提供動作驅動力與驅動指令，動力系統主要為液壓站，提供驅動動力源。
針對泥漿聯接器與分流管匯裝置的研究可在三重閘板防噴器基本結構的基礎上，進行技術的改造，增加泥漿分流通道，並註重局部細節設計，新材料選型等解決高壓動密封技術難題，設計新型壓力防沖擊結構設計，解決泥漿分流切換的擾動難題。鉆桿接卸機械手部分則通過優選控制元件、改進控制算法，保證鉆桿與鉆柱的精確定位、對中與連接；通過改善卡瓦牙板接觸條件與材料，改進螺紋潤滑密封，減少螺紋和桿體的傷害。動力系統采用液壓驅動，模塊化設計，並將手動與自動技術相結合，提高操作便利與可靠性。控制系統的邏輯控制信號主要是壓力和位置檢測，其中壓力檢測包括密封腔壓力立管壓力以及各執行機構工作壓力等，而位置檢測則是指閘板開合、泥漿閥開合、鉆桿接頭位置以及各執行機構動作位置等，通過冗余設計，確保邏輯控制信號的準確性和可靠性。
3.1.4 研究計劃
課題研究努力爭取多方面支持，特別是爭取國家或行業科研立項支持，計劃用5年時間完成連續循環鉆井技術國內外情報調研分析、總體技術實施方案、關鍵技術與技術難點攻關，樣機加工制造與裝配、現場實驗與優化等工作，通過連續攻關，開發出具有我國自主知識產權的、適應萬米超深孔的連續循環鉆井技術，並達到現場中試使用要求。
2013年1月～2013年6月，完成連續循環鉆井系統的國內外情報調研，對比分析，提出連續循環系統開發的基本思路；
2013年7月～2013年12月，完成連循環鉆井控制流程制定，連續循環鉆井系統總體方案初步設計，並完成部分關鍵子系統設計方案初步研究；
2014年1月～2014年12月，完成連續循環鉆井系統總體設計詳細方案，各部分（泥漿連接器、分流管匯裝置、鉆桿接卸機械手、控制系統、動力系統）詳細設計方案（初稿），各關鍵問題、難點問題（高壓動密封技術、鉆桿精確定位與連接技術、鉆桿連接螺紋與桿體保護技術、泥漿切換分流技術等）詳細解決方案（初稿），完成連續循環系統總圖、各部分圖紙、計算等初稿；
2015年1月～2015年6月，完成連續循環鉆井系統關鍵部分的仿真分析研究，完成連續循環鉆井系統總體設計方案（實施稿），完成各分部分設計方案（實施稿），完成並通過總體方案和分部分方案相關的圖紙、計算書（實施稿）；
2015年6月～2015年12月，完成連續循環鉆井系統樣機的加工，完成連續循環系統的室內實驗方案設計，完成連續循環系統現場實驗方案設計。
2016年1月～2016年12月，完成連續循環鉆井技術相關室內實驗與現場實驗研究，總結問題，提出新的優化和解決方案，完成連續循環配套鉆探工藝研究；
2017年1月～2017年12月，根據優化方案進行整改，並結合多次實驗，實現研究目標，撰寫總結報告。