淺談我國旋轉防噴器技術(shù)的現狀與發(fā)展

  旋轉防噴器(RBOP)又稱(chēng)旋轉控制頭(RHC),是欠平衡鉆井、地熱鉆井、煤層氣鉆井的必要設備。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離井口的作用。這項技術(shù)的發(fā)展擴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、隨鉆測量、井眼測試、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(zhù)提高密封壓力等級、拓寬應用范圍、強化軸承潤滑與冷卻、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,RBOP可用于強化人身安全和環(huán)境保護。在美國和加拿大,約有1/4的鉆機使用RBOP。

 

  1 旋轉防噴器的發(fā)展現狀

 

  目前,國外旋轉防噴器技術(shù)發(fā)展越來(lái)越成熟,品種類(lèi)型較多,主要有美國Williams公司的系列旋轉防噴器、Sea2tech公司的旋轉防噴器、Varco公司的Shaffer系列旋轉防噴器以及加拿大高山公司的膨 脹膠囊型旋轉防噴器等,其中,美國Williams公司的7000型和7100型旋轉防噴器使用了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防噴器也屬于高壓旋轉防噴器;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。

 

  我國各油田相繼成功使用了欠平衡鉆井技術(shù),所使用的旋轉防噴器都是進(jìn)口產(chǎn)品。中原油田使用的是Varco公司的Shaffer旋轉防噴器,新疆塔里木油田使用的是Williams公司的7000型旋轉防噴器。國內有參考Varco公司Shaffer旋轉防噴器制造的FS70/20型旋轉防噴器,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)研究院機械設計中心研制開(kāi)發(fā)了動(dòng)密封壓力為10.5MPa,靜密封壓力21MPa,具有雙膠芯密封結構的高壓旋轉防噴器。

 

  2 幾種國產(chǎn)旋轉防噴器

 

  2.1 XZ211205型旋轉防噴器

 

  大慶、勝利、遼河等油田已相繼進(jìn)人開(kāi)發(fā)后期,井下事故出現幾率呈較快增長(cháng)趨勢。據統計,1994年勝利石油管理局孤島采油廠(chǎng)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(méi)有可靠的密封裝置,許多高效率的工藝,例如反洗井、側鉆等無(wú)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外相關(guān)產(chǎn)品先進(jìn)技術(shù)的基礎上,研制出一種能可靠密封旋轉鉆具和油套環(huán)形空間的XZ211205型旋轉防噴器。

 

  2.1.1 主要參數

 

  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(jiàn)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 結構特點(diǎn)

 

  XZ211205型旋轉防噴器是大修用井口密封設 備,可以實(shí)現井口密閉循環(huán),防止污油、污水入井對地層造成傷害,并能有效地防止井噴事故,結構如圖1。

 

  a) 密封部分 主要包括旋轉密封膠芯、V形密封圈和上密封圈等。旋轉密封機構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,對內部與外部形狀進(jìn)行優(yōu)化設計,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構?，F場(chǎng)使用表明,這種結構形式的密封效果良好,完全達到設計指標。

 

  b) 旋轉部分 包括壓蓋、叉式方補心、中心管、上軸承和圓錐滾子軸承。壓蓋是旋轉機構的關(guān)鍵零件,既具有一定的過(guò)工具功能,又要傳遞動(dòng)力,實(shí)現整套機構的旋轉密封。方補心為特殊設計的叉式結構,由方鉆桿驅動(dòng)。整套組件具有安裝方便、旋轉靈活、安全可靠等特點(diǎn)。

 

  c) 輔助部分 包括底座、外殼體和調節螺栓 等,在井口可實(shí)現快速裝卸膠芯和旋轉密封件,能及時(shí)調整V形密封圈的密封壓力,以適應不同井下工況。

 

  2.1.3 工作原理

 

  將XZ211205型旋轉防噴器安裝在大修井的井口上,通過(guò)膠芯的設計預緊力實(shí)現對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,圓密封段起輔助密封作用。由于整體結構設計新穎,鉆進(jìn)或造螺紋時(shí),膠芯與鉆桿一起旋轉,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位移,密封效果良好。當井內出現高反沖壓力時(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,壓力越高,密封效果越好。

 

  a) 安裝 修井機安裝完后,提起油管,井口打 吊卡,卸開(kāi)上部油管,吊裝防噴器,擰緊所有聯(lián)結螺栓。注意應使壓蓋上撥叉置于修井機井架與井口的 直線(xiàn)方向,以利于調節偏心,保證密封可靠。放入旋轉密封膠芯,連結好上、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)。不放入方補心時(shí),壓蓋的最大通徑為<180mm,完全可以滿(mǎn)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),牢固連結中心管上部 螺栓。洗井液從油套環(huán)空進(jìn)入井內,從油管內返出,經(jīng)方鉆桿和管線(xiàn)進(jìn)入水罐或水池,避免了井口溢流對環(huán)境的污染。此外,由于實(shí)現了井口密封,避免了 污油、

 

  污水入井對地層造成傷害,洗井效果較好,縮短了洗井作業(yè)時(shí)間。 d) 旋轉 需要進(jìn)行側鉆、造螺紋打撈時(shí),首先接好方鉆桿,并調整方鉆桿使其對正密封膠芯的方密封段下入,再緊固壓蓋聯(lián)結螺栓,最后放入叉式方補心。在確認以上操作無(wú)誤后,低速驅動(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(zhù)增強沖砂效果外,還可避免入井液堵塞油層。

 

  2.2 新研制的FX28235型旋轉防噴器

 

  2.2.1 性能及技術(shù)指標

 

  FX28235型旋轉防噴器擬首先應用到新疆塔河 工區和四川盆地川西工區。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(guò)程中鉆頭主要由螺桿鉆具驅動(dòng),鉆桿鉆速低,旋轉防噴器內部轉速相應低,但工作時(shí)間長(cháng)。川西地區屬于致密砂巖淺層氣藏,高壓低滲透,欠平衡鉆井過(guò)程中可能出現很高的井口壓力,新研制的旋轉防噴器必須能夠滿(mǎn)足在較高的井口壓力下實(shí)現邊噴邊鉆。FX28235型旋轉防噴器性能與當前進(jìn)口的旋轉防噴器性能相當,操作簡(jiǎn)單可靠,完成1口常規欠平衡鉆井只需更換1次易損密封件。

 

  主要技術(shù)指標:

 

  封井最高工作壓力

 

  旋轉鉆進(jìn)狀態(tài)1715MPa

 

  靜止封鉆桿狀態(tài)35MPa

 

  封零狀態(tài)1715MPa最高工作轉速100r/min

 

  易損密封件壽命  密封膠芯使用1口井以上

 

  旋轉動(dòng)密封 連續工作120h以上

 

  2.2.2 結構設計

 

  旋轉防噴器由主機(旋轉控制頭)和控制系統組成。設計主要集中在密封膠芯、旋轉動(dòng)密封及軸承上。旋轉防噴器結構采用與環(huán)形防噴器類(lèi)似的結構,井筒封閉形式采用由液力驅動(dòng)壓迫密封膠芯封閉井口,封井壓力隨井壓自動(dòng)補償?？刂葡到y機電液一體化,所有電氣設備都滿(mǎn)足防爆要求。

 

  a) 主體結構 主體結構遵循API16A規范, 底部為符合API標準的346mm(13&3英寸),3415MPa(5000psi)標準法蘭,密封鋼圈為BX160型;頂部為符合API標準的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)行有限元強度校核。

 

  b) 殼體 殼體為鑄鋼件,抗硫化氫設計。

 

  c) 旋轉總成 旋轉總成通過(guò)密封膠芯抱緊的 鉆具直接驅動(dòng),不使用專(zhuān)門(mén)驅動(dòng)器。簡(jiǎn)化結構的同 時(shí)也簡(jiǎn)化操作,旋轉防噴器內通孔及密封膠芯自由狀態(tài)通徑為<280mm,開(kāi)鉆和換鉆頭時(shí)鉆頭能直接通過(guò)。

 

  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。球形膠芯補償膠量大,抗磨損壽命長(cháng);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) 旋轉動(dòng)密封 旋轉防噴器具有<280mm(11英寸)的通徑,旋轉動(dòng)密封直徑大,工作線(xiàn)速度 高,達117m/s,靜密封最高工作壓力35MPa,旋 轉密封最高工作壓力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,設計上壓力油通過(guò)軸承內部承受的液壓缸推力遠遠小于液壓缸作用在密封膠芯上的力;后一種從減小整體結構尺寸考慮,軸承剖面盡量薄比較有利,設計時(shí)保持架不用鉚釘連接,加工時(shí)內外圈不變形,是把軸承做薄的關(guān)鍵環(huán)節。

 

  g) 控制系統 旋轉防噴器利用液壓缸完成關(guān)閉和打開(kāi)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,旋轉時(shí)油液穿過(guò)液壓缸內部循環(huán)潤滑冷卻軸承;以35MPa壓力進(jìn)行緊急關(guān)閉,全關(guān)閉時(shí)間為30s。

 

  2.3 XK系列旋轉防噴器 四川石油管理局鉆采工藝技術(shù)研究院設計中心研制開(kāi)發(fā)了動(dòng)密封壓力10.5MPa,靜密封壓力21MPa,具有雙膠芯密封結構的高壓旋轉防噴器,經(jīng)試驗和現場(chǎng)使用,效果良好。

 

  2.3.1 結構及工作原理

 

  該旋轉防噴器主要由旋轉總成、殼體總成和控制冷卻循環(huán)裝置

 

  3部分組成。

 

  旋轉總成和殼體通過(guò)卡箍連接?？?a href="http://keyinmall.com/t/制冷.html" >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(guò)高壓軟管與旋轉防噴器連接。欠平衡鉆進(jìn)時(shí),方鉆桿通過(guò)旋轉防噴器上的旋轉補心總成帶動(dòng)轉動(dòng)套、中心管及上、下部橡膠密封膠芯與鉆柱一起旋轉。橡膠密封膠芯依靠自身的彈性變形和井壓助封來(lái)對鉆柱周?chē)鷮?shí)施密封。膠芯受到一定程度磨損后,可通過(guò)液壓膠囊施以外壓,實(shí)施主動(dòng)補償密封?？?a href="http://keyinmall.com/t/制冷.html" >制冷卻循環(huán)裝置用來(lái)控制液動(dòng)卡箍的開(kāi)啟和關(guān)閉、潤滑冷卻軸承和密封盤(pán)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(zhuān)利技術(shù))  該旋轉防噴器采用目前國外較高壓力等級旋轉防噴器通常采用的雙膠芯密封結構,密封性能可靠。國外同類(lèi)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)也可以密封國內普遍采用的四方鉆桿,因而更適合中國國情。

 

  b) 膠芯密封液壓膠囊助封裝置(專(zhuān)利技術(shù)) 該旋轉防噴器設計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(guò)向液壓膠囊內注入液壓油,使其強行向內擠壓上部膠芯,迫使上部膠芯抱緊鉆具,實(shí)施主動(dòng)補償密封。該裝置能有效地延長(cháng)膠芯密封使用時(shí)間。該技術(shù)目前在國外還未曾出現。

 

  c) 旋轉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(kāi),便可將旋轉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 該旋轉防噴器使用液動(dòng)卡箍連接殼體與旋轉總成,無(wú)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(wú)需液控系統也能單獨使用。

 

  e) 連續壓力循環(huán)油潤滑冷卻軸承 旋轉總成設計有潤滑油注入與排出通道,能對軸承進(jìn)行連續壓力循環(huán)潤滑。在使用中,軸承浸沒(méi)在潤滑油中,使其能夠得到充分地冷卻和潤滑。

 

  f) 具有扶正防磨功能(專(zhuān)利技術(shù)) 現場(chǎng)使用的鉆機普遍存在井架、轉盤(pán)與井口不對中的情況,該旋轉防噴器設計有防磨扶正套,能有效地延長(cháng)軸承使用壽命。

 

  g) 結構緊湊適用范圍廣 該旋轉防噴器結構 緊湊、高度低、徑向尺寸小、能用于轉盤(pán)開(kāi)口尺寸≥520mm的所有鉆機。由于配備有完善的控制系 統、冷卻加熱等輔助裝置,使得該旋轉防噴器既能用于高溫缺水的環(huán)境,又能用于高寒地區。

 

  2.3.3 技術(shù)參數

 

  適用鉆具 <127、<89、<73mm鉆桿及相應的 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(guò)最大鉆具尺寸<196.8mm適用井口溫度<100℃主通徑<350、<280、<230mm 側通徑<180mm

 

  工作壓力

 

  動(dòng)壓10.5MPa

 

  靜壓21.0MPa最高轉速 100r/min總體尺寸

 

  旋轉防噴器總高1580mm

 

  旋轉總成外徑 <518mm

 

  3 旋轉防噴器的發(fā)展方向

 

  上世紀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) 踐加快了人們對旋轉防噴器的研制。 美國Williams公司1968年開(kāi)發(fā)了Williams8000型低壓旋轉防噴器,1985年開(kāi)發(fā)了9000型、9200型和9300型系列產(chǎn)品,1995年和1997年又相 繼開(kāi)發(fā)了7000型和7100型高壓旋轉防噴器。其低壓旋轉防噴器已經(jīng)應用了上萬(wàn)井次。 我國上個(gè)世紀60年代曾在四川油氣田使用過(guò)簡(jiǎn)單的井口旋轉控制裝置,但該裝置密封效果非常差,只能起導流作用,幾乎不能承受回壓。隨后的XM230/50型旋轉防噴器,其膠芯厚度較薄,且內部 無(wú)支撐骨架,因此使用壽命較短。70年代,參考美國Shaffer公司生產(chǎn)的FS70/200型旋轉防噴器在膠芯設計方面有所改進(jìn),但密封壓力仍然很低。到目前為止,國內僅有少數幾個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)生產(chǎn)旋轉防噴器。隨著(zhù)國內各油田負壓鉆井技術(shù)的研究和應用發(fā)展,國內旋轉防噴器產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與應用必將加速發(fā)展[5]。 國外旋轉防噴器的發(fā)展有4個(gè)方面。

 

  a) 密封壓力等級越來(lái)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。應用范圍從空氣鉆井發(fā)展到地熱 鉆井、油氣井及修井作業(yè);從陸地鉆井發(fā)展到海洋鉆井。

 

  b) 由于旋轉防噴器內部組件承受推力載荷,軸承組會(huì )產(chǎn)生大量的熱量,在鉆高壓井時(shí)尤為突出。因此,軸承的潤滑從低壓注潤滑脂發(fā)展到用單獨的高壓油泵進(jìn)行潤滑,冷卻系統從沒(méi)有發(fā)展到用單獨的遠程熱交換器實(shí)現冷卻(水冷或風(fēng)冷),以提高其連續工作的時(shí)間和延長(cháng)軸承的使用壽命。

 

  c) 軸承組總成的鎖緊裝置由手動(dòng)鎖緊發(fā)展到液壓控制鎖緊,這樣既方便了操作又減輕了工人的勞動(dòng)強度,同時(shí)縮短軸承組總成的拆裝時(shí)間。

 

  d) 應用于較高壓力的高壓旋轉防噴器通常都配備了一個(gè)控制和測量?jì)x表臺,安裝在鉆臺上,以監 測井眼壓力及其他重要測量數據,方便旋轉防噴器 的控制和操作。