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地?zé)徙@井

淺談我國(guó)旋轉(zhuǎn)防噴器技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

  旋轉(zhuǎn)防噴器(RBOP)又稱旋轉(zhuǎn)控制頭(RHC),是欠平衡鉆井、地?zé)徙@井、煤層氣鉆井的必要設(shè)備。它在井眼環(huán)空與鉆柱之間起封隔作用,并提供安全有效的壓力控制,同時(shí)具有將井眼返出流體導(dǎo)離井口的作用。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展擴(kuò)大了欠平衡鉆井技術(shù)的使用范圍,例如在閉路循環(huán)、邊噴邊鉆、隨鉆測(cè)量、井眼測(cè)試、反循環(huán)和注氮等鉆井特性改變時(shí)使用,該技術(shù)正朝著提高密封壓力等級(jí)、拓寬應(yīng)用范圍、強(qiáng)化軸承潤(rùn)滑與冷卻、便于操作和控制等方向發(fā)展。在未進(jìn)行欠平衡鉆井的地區(qū),RBOP可用于強(qiáng)化人身安全和環(huán)境保護(hù)。在美國(guó)和加拿大,約有1/4的鉆機(jī)使用RBOP。
 
  1 旋轉(zhuǎn)防噴器的發(fā)展現(xiàn)狀
 
  目前,國(guó)外旋轉(zhuǎn)防噴器技術(shù)發(fā)展越來越成熟,品種類型較多,主要有美國(guó)Williams公司的系列旋轉(zhuǎn)防噴器、Sea2tech公司的旋轉(zhuǎn)防噴器、Varco公司的Shaffer系列旋轉(zhuǎn)防噴器以及加拿大高山公司的膨 脹膠囊型旋轉(zhuǎn)防噴器等,其中,美國(guó)Williams公司的7000型和7100型旋轉(zhuǎn)防噴器使用了2個(gè)環(huán)形膠芯,提高了密封的可靠性,屬高壓旋轉(zhuǎn)防噴器,用于井口回壓較高的欠平衡鉆井。Varco公司的Shaf2fer高壓型及Sea2tech公司與加拿大高山公司的旋轉(zhuǎn)防噴器也屬于高壓旋轉(zhuǎn)防噴器;而Williams公司普通型、Varco公司的Shaffer低壓型則屬于低壓旋轉(zhuǎn)防噴器,主要用于井口回壓較低的充氣鉆井和泡沫鉆井等。
 
  我國(guó)各油田相繼成功使用了欠平衡鉆井技術(shù),所使用的旋轉(zhuǎn)防噴器都是進(jìn)口產(chǎn)品。中原油田使用的是Varco公司的Shaffer旋轉(zhuǎn)防噴器,新疆塔里木油田使用的是Williams公司的7000型旋轉(zhuǎn)防噴器。國(guó)內(nèi)有參考Varco公司Shaffer旋轉(zhuǎn)防噴器制造的FS70/20型旋轉(zhuǎn)防噴器,其膠芯密封壓力低,壽命短。四川石油管理局鉆采工藝技術(shù)研究院機(jī)械設(shè)計(jì)中心研制開發(fā)了動(dòng)密封壓力為10.5MPa,靜密封壓力21MPa,具有雙膠芯密封結(jié)構(gòu)的高壓旋轉(zhuǎn)防噴器。
 
  2 幾種國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)防噴器
 
  2.1 XZ211205型旋轉(zhuǎn)防噴器
 
  大慶、勝利、遼河等油田已相繼進(jìn)人開發(fā)后期,井下事故出現(xiàn)幾率呈較快增長(zhǎng)趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì),1994年勝利石油管理局孤島采油廠因套管損壞、砂埋、砂卡、封隔器膠皮脫落等原因造成的油井大修有122井次。由于井口沒有可靠的密封裝置,許多高效率的工藝,例如反洗井、側(cè)鉆等無法正常進(jìn)行。為此,勝利石油管理局采油工藝研究院在吸取國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,研制出一種能可靠密封旋轉(zhuǎn)鉆具和油套環(huán)形空間的XZ211205型旋轉(zhuǎn)防噴器。
 
  2.1.1 主要參數(shù)
 
  防噴器高度525mm
 
  防噴器外徑 <470mm
 
  適用井口法蘭外徑<380mm
 
  井口法蘭密封墊環(huán)RX45 (參見SY5279.3—91)
 
  防噴器質(zhì)量290kg 最大靜密封壓力11MPa最大動(dòng)密封壓力5MPa
 
  殼體最大承壓能力588kN
 
  適用鉆桿直徑<73mm
 
  適用方鉆桿89mm×89mm
 
  膠芯最大通徑 <110mm
 
  2.1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
 
  XZ211205型旋轉(zhuǎn)防噴器是大修用井口密封設(shè) 備,可以實(shí)現(xiàn)井口密閉循環(huán),防止污油、污水入井對(duì)地層造成傷害,并能有效地防止井噴事故,結(jié)構(gòu)如圖1。
 
  a) 密封部分 主要包括旋轉(zhuǎn)密封膠芯、V形密封圈和上密封圈等。旋轉(zhuǎn)密封機(jī)構(gòu)橡膠密封圈與金屬件組合密封,膠芯由特殊材料制成。利用AN2SYS有限元工程軟件,對(duì)內(nèi)部與外部形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),采用方密封段與圓密封段組合密封,且中間帶有輔助密封腔的整體結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)使用表明,這種結(jié)構(gòu)形式的密封效果良好,完全達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。
 
  b) 旋轉(zhuǎn)部分 包括壓蓋、叉式方補(bǔ)心、中心管、上軸承和圓錐滾子軸承。壓蓋是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零件,既具有一定的過工具功能,又要傳遞動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)整套機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)密封。方補(bǔ)心為特殊設(shè)計(jì)的叉式結(jié)構(gòu),由方鉆桿驅(qū)動(dòng)。整套組件具有安裝方便、旋轉(zhuǎn)靈活、安全可靠等特點(diǎn)。
 
  c) 輔助部分 包括底座、外殼體和調(diào)節(jié)螺栓 等,在井口可實(shí)現(xiàn)快速裝卸膠芯和旋轉(zhuǎn)密封件,能及時(shí)調(diào)整V形密封圈的密封壓力,以適應(yīng)不同井下工況。
 
  2.1.3 工作原理
 
  將XZ211205型旋轉(zhuǎn)防噴器安裝在大修井的井口上,通過膠芯的設(shè)計(jì)預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)對(duì)正常起下鉆桿的密封。方鉆桿的密封由膠芯的方密封段實(shí)現(xiàn),圓密封段起輔助密封作用。由于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎,鉆進(jìn)或造螺紋時(shí),膠芯與鉆桿一起旋轉(zhuǎn),變普通的動(dòng)態(tài)密封為半靜態(tài)密封,基本能消除周向相對(duì)位移,密封效果良好。當(dāng)井內(nèi)出現(xiàn)高反沖壓力時(shí),膠芯在油套環(huán)空液體壓力的作用下,變形收縮,抱緊鉆具,可有效地防止井噴。在密封壓力范圍內(nèi),壓力越高,密封效果越好。
 
  a) 安裝 修井機(jī)安裝完后,提起油管,井口打 吊卡,卸開上部油管,吊裝防噴器,擰緊所有聯(lián)結(jié)螺栓。注意應(yīng)使壓蓋上撥叉置于修井機(jī)井架與井口的 直線方向,以利于調(diào)節(jié)偏心,保證密封可靠。放入旋轉(zhuǎn)密封膠芯,連結(jié)好上、下油管,再安裝壓蓋及其他配件。
 
  b) 起下管柱 防噴器安裝完后,進(jìn)行正常起 下管柱作業(yè)。不放入方補(bǔ)心時(shí),壓蓋的最大通徑為<180mm,完全可以滿足一般修井、通井和打撈等作業(yè)的需要。
 
  c) 洗井 洗井作業(yè)時(shí),牢固連結(jié)中心管上部 螺栓。洗井液從油套環(huán)空進(jìn)入井內(nèi),從油管內(nèi)返出,經(jīng)方鉆桿和管線進(jìn)入水罐或水池,避免了井口溢流對(duì)環(huán)境的污染。此外,由于實(shí)現(xiàn)了井口密封,避免了 污油、
 
  污水入井對(duì)地層造成傷害,洗井效果較好,縮短了洗井作業(yè)時(shí)間。 d) 旋轉(zhuǎn) 需要進(jìn)行側(cè)鉆、造螺紋打撈時(shí),首先接好方鉆桿,并調(diào)整方鉆桿使其對(duì)正密封膠芯的方密封段下入,再緊固壓蓋聯(lián)結(jié)螺栓,最后放入叉式方補(bǔ)心。在確認(rèn)以上操作無誤后,低速驅(qū)動(dòng)方鉆桿,便可進(jìn)行正常鉆進(jìn)或上提下放方鉆桿等工序。洗井液從油管進(jìn)入井筒,再從油套環(huán)空返回液罐,除能顯著增強(qiáng)沖砂效果外,還可避免入井液堵塞油層。
 
  2.2 新研制的FX28235型旋轉(zhuǎn)防噴器
 
  2.2.1 性能及技術(shù)指標(biāo)
 
  FX28235型旋轉(zhuǎn)防噴器擬首先應(yīng)用到新疆塔河 工區(qū)和四川盆地川西工區(qū)。新疆塔河油田油藏地層低壓易漏、深度在地表5000m以下,使用欠平衡鉆井鉆水平井能提高鉆井效率和油層產(chǎn)能。鉆井過程中鉆頭主要由螺桿鉆具驅(qū)動(dòng),鉆桿鉆速低,旋轉(zhuǎn)防噴器內(nèi)部轉(zhuǎn)速相應(yīng)低,但工作時(shí)間長(zhǎng)。川西地區(qū)屬于致密砂巖淺層氣藏,高壓低滲透,欠平衡鉆井過程中可能出現(xiàn)很高的井口壓力,新研制的旋轉(zhuǎn)防噴器必須能夠滿足在較高的井口壓力下實(shí)現(xiàn)邊噴邊鉆。FX28235型旋轉(zhuǎn)防噴器性能與當(dāng)前進(jìn)口的旋轉(zhuǎn)防噴器性能相當(dāng),操作簡(jiǎn)單可靠,完成1口常規(guī)欠平衡鉆井只需更換1次易損密封件。
 
  主要技術(shù)指標(biāo):
 
  封井最高工作壓力
 
  旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)狀態(tài)1715MPa
 
  靜止封鉆桿狀態(tài)35MPa
 
  封零狀態(tài)1715MPa最高工作轉(zhuǎn)速100r/min
 
  易損密封件壽命  密封膠芯使用1口井以上
 
  旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封 連續(xù)工作120h以上
 
  2.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
 
  旋轉(zhuǎn)防噴器由主機(jī)(旋轉(zhuǎn)控制頭)和控制系統(tǒng)組成。設(shè)計(jì)主要集中在密封膠芯、旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封及軸承上。旋轉(zhuǎn)防噴器結(jié)構(gòu)采用與環(huán)形防噴器類似的結(jié)構(gòu),井筒封閉形式采用由液力驅(qū)動(dòng)壓迫密封膠芯封閉井口,封井壓力隨井壓自動(dòng)補(bǔ)償。控制系統(tǒng)機(jī)電液一體化,所有電氣設(shè)備都滿足防爆要求。
 
  a) 主體結(jié)構(gòu) 主體結(jié)構(gòu)遵循API16A規(guī)范, 底部為符合API標(biāo)準(zhǔn)的346mm(13&3英寸),3415MPa(5000psi)標(biāo)準(zhǔn)法蘭,密封鋼圈為BX160型;頂部為符合API標(biāo)準(zhǔn)的280mm(11英寸),3415 MPa(5000psi)法蘭螺栓孔,密封鋼圈為RX54型。 外殼整體按照壓力容器額定壓力35MPa,試壓70MPa進(jìn)行有限元強(qiáng)度校核。
 
  b) 殼體 殼體為鑄鋼件,抗硫化氫設(shè)計(jì)。
 
  c) 旋轉(zhuǎn)總成 旋轉(zhuǎn)總成通過密封膠芯抱緊的 鉆具直接驅(qū)動(dòng),不使用專門驅(qū)動(dòng)器。簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的同 時(shí)也簡(jiǎn)化操作,旋轉(zhuǎn)防噴器內(nèi)通孔及密封膠芯自由狀態(tài)通徑為<280mm,開鉆和換鉆頭時(shí)鉆頭能直接通過。
 
  d) 密封膠芯 密封膠芯采用與280mm(11英寸)環(huán)形防噴器通用的膠芯。球形膠芯補(bǔ)償膠量大,抗磨損壽命長(zhǎng);采取主動(dòng)抱緊密封形式,低壓不易泄漏,同時(shí)井口壓力對(duì)膠芯起助封作用。環(huán)形防噴器膠芯通常要服務(wù)多口井,時(shí)間在1a以上,普通橡膠易老化而失去足夠的彈性。旋轉(zhuǎn)防噴器密封膠芯采用合成橡膠,抗老化、耐磨性好,即磨損到一定程度后也能封閉額定井壓,特別是抗撕裂性好,低溫性能好。
 
  e) 旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封 旋轉(zhuǎn)防噴器具有<280mm(11英寸)的通徑,旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封直徑大,工作線速度 高,達(dá)117m/s,靜密封最高工作壓力35MPa,旋 轉(zhuǎn)密封最高工作壓力1715MPa。選用kalsi密封,這種密封圈有波浪狀唇邊,允許在密封槽安裝時(shí)稍微扭曲,工作時(shí)依靠允許的微量泄漏液壓油潤(rùn)滑冷卻自身。
 
  f) 軸承 軸承有承受推力和起扶正作用的2 種軸承。前一種軸承承受旋轉(zhuǎn)總成傳遞的液壓缸推力,以及井口流體施加在密封膠芯上的壓力,設(shè)計(jì)上壓力油通過軸承內(nèi)部承受的液壓缸推力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液壓缸作用在密封膠芯上的力;后一種從減小整體結(jié)構(gòu)尺寸考慮,軸承剖面盡量薄比較有利,設(shè)計(jì)時(shí)保持架不用鉚釘連接,加工時(shí)內(nèi)外圈不變形,是把軸承做薄的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
 
  g) 控制系統(tǒng) 旋轉(zhuǎn)防噴器利用液壓缸完成關(guān)閉和打開膠芯動(dòng)作,關(guān)閉狀態(tài)的推力隨井口壓力成正比例變化,旋轉(zhuǎn)時(shí)油液穿過液壓缸內(nèi)部循環(huán)潤(rùn)滑冷卻軸承;以35MPa壓力進(jìn)行緊急關(guān)閉,全關(guān)閉時(shí)間為30s。
 
  2.3 XK系列旋轉(zhuǎn)防噴器 四川石油管理局鉆采工藝技術(shù)研究院設(shè)計(jì)中心研制開發(fā)了動(dòng)密封壓力10.5MPa,靜密封壓力21MPa,具有雙膠芯密封結(jié)構(gòu)的高壓旋轉(zhuǎn)防噴器,經(jīng)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)使用,效果良好。
 
  2.3.1 結(jié)構(gòu)及工作原理
 
  該旋轉(zhuǎn)防噴器主要由旋轉(zhuǎn)總成、殼體總成和控制冷卻循環(huán)裝置
 
  3部分組成。
 
  旋轉(zhuǎn)總成和殼體通過卡箍連接。控制冷卻循環(huán)裝置包括液壓動(dòng)力站、控制箱2大部分,它們通過高壓軟管與旋轉(zhuǎn)防噴器連接。欠平衡鉆進(jìn)時(shí),方鉆桿通過旋轉(zhuǎn)防噴器上的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)心總成帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)套、中心管及上、下部橡膠密封膠芯與鉆柱一起旋轉(zhuǎn)。橡膠密封膠芯依靠自身的彈性變形和井壓助封來對(duì)鉆柱周圍實(shí)施密封。膠芯受到一定程度磨損后,可通過液壓膠囊施以外壓,實(shí)施主動(dòng)補(bǔ)償密封。控制冷卻循環(huán)裝置用來控制液動(dòng)卡箍的開啟和關(guān)閉、潤(rùn)滑冷卻軸承和密封盤根。
 
  2.3.2 特點(diǎn)及技術(shù)創(chuàng)新
 
  a) 可密封四方鉆桿的雙膠芯密封(專利技術(shù))  該旋轉(zhuǎn)防噴器采用目前國(guó)外較高壓力等級(jí)旋轉(zhuǎn)防噴器通常采用的雙膠芯密封結(jié)構(gòu),密封性能可靠。國(guó)外同類產(chǎn)品只能用于密封六方鉆桿,而該產(chǎn)品不僅可以密封六方鉆桿,同時(shí)也可以密封國(guó)內(nèi)普遍采用的四方鉆桿,因而更適合中國(guó)國(guó)情。
 
  b) 膠芯密封液壓膠囊助封裝置(專利技術(shù)) 該旋轉(zhuǎn)防噴器設(shè)計(jì)的液壓膠囊助封裝置,在下部膠芯和上部膠芯都磨損泄漏的情況下,可通過向液壓膠囊內(nèi)注入液壓油,使其強(qiáng)行向內(nèi)擠壓上部膠芯,迫使上部膠芯抱緊鉆具,實(shí)施主動(dòng)補(bǔ)償密封。該裝置能有效地延長(zhǎng)膠芯密封使用時(shí)間。該技術(shù)目前在國(guó)外還未曾出現(xiàn)。
 
  c) 旋轉(zhuǎn)總成與密封膠芯整體拆裝 更換下部 密封膠芯時(shí),只需將卡箍松開,便可將旋轉(zhuǎn)總成整體取出更換膠芯;更換上部密封膠芯時(shí),只需將上部的卡螺紋筒旋轉(zhuǎn)90°,即可方便地取出膠芯,拆裝省時(shí)方便。
 
  d) 帶有自動(dòng)安全鎖緊的液動(dòng)卡箍 該旋轉(zhuǎn)防噴器使用液動(dòng)卡箍連接殼體與旋轉(zhuǎn)總成,無需手工操作,自動(dòng)化程度高。其中自動(dòng)安全鎖緊裝置能保證卡箍在意外情況下安全鎖緊,先進(jìn)于國(guó)外產(chǎn)品的手動(dòng)鎖緊裝置,并提供可與液動(dòng)卡箍互換的手動(dòng)卡箍,無需液控系統(tǒng)也能單獨(dú)使用。
 
  e) 連續(xù)壓力循環(huán)油潤(rùn)滑冷卻軸承 旋轉(zhuǎn)總成設(shè)計(jì)有潤(rùn)滑油注入與排出通道,能對(duì)軸承進(jìn)行連續(xù)壓力循環(huán)潤(rùn)滑。在使用中,軸承浸沒在潤(rùn)滑油中,使其能夠得到充分地冷卻和潤(rùn)滑。
 
  f) 具有扶正防磨功能(專利技術(shù)) 現(xiàn)場(chǎng)使用的鉆機(jī)普遍存在井架、轉(zhuǎn)盤與井口不對(duì)中的情況,該旋轉(zhuǎn)防噴器設(shè)計(jì)有防磨扶正套,能有效地延長(zhǎng)軸承使用壽命。
 
  g) 結(jié)構(gòu)緊湊適用范圍廣 該旋轉(zhuǎn)防噴器結(jié)構(gòu) 緊湊、高度低、徑向尺寸小、能用于轉(zhuǎn)盤開口尺寸≥520mm的所有鉆機(jī)。由于配備有完善的控制系 統(tǒng)、冷卻加熱等輔助裝置,使得該旋轉(zhuǎn)防噴器既能用于高溫缺水的環(huán)境,又能用于高寒地區(qū)。
 
  2.3.3 技術(shù)參數(shù)
 
  適用鉆具 <127、<89、<73mm鉆桿及相應(yīng)的 六方、四方方鉆桿 適用介質(zhì)空氣、泡沫及其他各種鉆井液
 
  可通過最大鉆具尺寸<196.8mm適用井口溫度<100℃主通徑<350、<280、<230mm 側(cè)通徑<180mm
 
  工作壓力
 
  動(dòng)壓10.5MPa
 
  靜壓21.0MPa最高轉(zhuǎn)速 100r/min總體尺寸
 
  旋轉(zhuǎn)防噴器總高1580mm
 
  旋轉(zhuǎn)總成外徑 <518mm
 
  3 旋轉(zhuǎn)防噴器的發(fā)展方向
 
  上世紀(jì)60年代中期到70年代初期,用天然氣或壓縮空氣作為鉆井介質(zhì)鉆油氣井或煤層氣井的實(shí) 踐加快了人們對(duì)旋轉(zhuǎn)防噴器的研制。 美國(guó)Williams公司1968年開發(fā)了Williams8000型低壓旋轉(zhuǎn)防噴器,1985年開發(fā)了9000型、9200型和9300型系列產(chǎn)品,1995年和1997年又相 繼開發(fā)了7000型和7100型高壓旋轉(zhuǎn)防噴器。其低壓旋轉(zhuǎn)防噴器已經(jīng)應(yīng)用了上萬井次。 我國(guó)上個(gè)世紀(jì)60年代曾在四川油氣田使用過簡(jiǎn)單的井口旋轉(zhuǎn)控制裝置,但該裝置密封效果非常差,只能起導(dǎo)流作用,幾乎不能承受回壓。隨后的XM230/50型旋轉(zhuǎn)防噴器,其膠芯厚度較薄,且內(nèi)部 無支撐骨架,因此使用壽命較短。70年代,參考美國(guó)Shaffer公司生產(chǎn)的FS70/200型旋轉(zhuǎn)防噴器在膠芯設(shè)計(jì)方面有所改進(jìn),但密封壓力仍然很低。到目前為止,國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)幾個(gè)生產(chǎn)廠生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)防噴器。隨著國(guó)內(nèi)各油田負(fù)壓鉆井技術(shù)的研究和應(yīng)用發(fā)展,國(guó)內(nèi)旋轉(zhuǎn)防噴器產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用必將加速發(fā)展[5]。 國(guó)外旋轉(zhuǎn)防噴器的發(fā)展有4個(gè)方面。
 
  a) 密封壓力等級(jí)越來越高,動(dòng)密封壓力從315MPa提高到1715MPa;靜密封壓力從7MPa 提高到35MPa。應(yīng)用范圍從空氣鉆井發(fā)展到地?zé)?/a> 鉆井、油氣井及修井作業(yè);從陸地鉆井發(fā)展到海洋鉆井。