旋轉(zhuǎn)防噴器技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

1井的必要設(shè)備旋轉(zhuǎn)避灰裝置是一種重要的口腔安全監(jiān)控器，也是孔壓結(jié)構(gòu)、鉆探和油氣擠出所必需的設(shè)備之一。旋轉(zhuǎn)防噴器安裝在防噴器組的最上部,作為控制設(shè)備的補(bǔ)充,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,提高鉆井效率,較少造成地層損害,還能降低對(duì)環(huán)境的污染。2旋轉(zhuǎn)防噴器技術(shù)旋轉(zhuǎn)防噴器并不是一個(gè)新概念,20世紀(jì)60年代在不增加油氣價(jià)格的前提下,美國和其他國家致力于研究更有效和更經(jīng)濟(jì)的工具和裝備,開始出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)防噴器的雛形。最初設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)防噴器只用于空氣鉆井,后來發(fā)展了用于鉆井液、氣體鉆井和地?zé)徙@井的旋轉(zhuǎn)防噴器。再后來又發(fā)展了用于高壓井口邊噴邊鉆(即欠平衡鉆井)的旋轉(zhuǎn)防噴器。當(dāng)今,旋轉(zhuǎn)防噴器技術(shù)已成為降低鉆井成本、提高單井質(zhì)量的一項(xiàng)重要技術(shù)。旋轉(zhuǎn)防噴器技術(shù)的最新發(fā)展擴(kuò)大了欠平衡鉆井技術(shù)的使用范圍,使該項(xiàng)技術(shù)的使用日益廣泛,如在閉路循環(huán)、邊噴邊鉆、隨鉆測量、井眼測試、反循環(huán)、注氮等鉆井特性改變時(shí)使用。而且,在那些還未進(jìn)行欠平衡鉆井的地區(qū),旋轉(zhuǎn)防噴器可用于強(qiáng)化安全和環(huán)境保護(hù),在美國和加拿大約有三分之一的鉆機(jī)在鉆井過程中都使用旋轉(zhuǎn)防噴器。在北海南部,旋轉(zhuǎn)防噴器已經(jīng)在20多口自升式平臺(tái)井上應(yīng)用。在海上深水油田也開始應(yīng)用欠平衡鉆井裝備,如巴西海上Campos盆地深水油田。即使不實(shí)施欠平衡鉆井技術(shù)的地區(qū),仍然可以通過應(yīng)用欠平衡鉆井設(shè)備在降低過平衡壓力的情況下安全鉆井,從而節(jié)約大量鉆井成本。目前,國外旋轉(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Williams公司的系列旋轉(zhuǎn)防噴器、sea-tech公司的旋轉(zhuǎn)防噴器、varco公司的Shaffer系列旋轉(zhuǎn)防噴器及加拿大高山公司的膨脹膠囊型旋轉(zhuǎn)防噴器。我國各油田成功的鉆井相繼使用了欠平衡鉆井技術(shù),所使用旋轉(zhuǎn)防噴器都是進(jìn)口產(chǎn)品。目前國產(chǎn)旋轉(zhuǎn)防噴器技術(shù)還在發(fā)展階段,產(chǎn)品類型以及應(yīng)用還很有限,下面介紹幾種主要的國產(chǎn)旋轉(zhuǎn)防噴器。3一些國內(nèi)旋轉(zhuǎn)避噴器3.1旋轉(zhuǎn)防噴器的研制大慶、勝利、遼河等全國各大油田已相繼進(jìn)人開發(fā)后期,井下事故出現(xiàn)幾率呈較快增長趨勢。由于井口沒有可靠的密封裝置,許多高效率的工藝,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對(duì)勝利油田各采油廠的井況,以及油井大修工藝和措施進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)研,并在吸取國外相關(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)形空間的井口密封裝置,即XZ-I1-05型旋轉(zhuǎn)防噴器。3.1.1主要參數(shù)(1)規(guī)范創(chuàng)建法蘭半徑防噴器高度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)R×45(參見SY5279.3-91);防噴器質(zhì)量290kg。(2)pa殼體最大能夠信息壓降能力最大靜密封壓力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;膠心最大過徑110mm。3.1.2結(jié)構(gòu)特征XZ-I1-05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,并能有效防止井噴事故。(1)密封機(jī)構(gòu)的密封XZ-I1-05型旋轉(zhuǎn)防噴器的密封部分主要包括旋轉(zhuǎn)密封膠心、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,膠心由特殊材料制成。利用美國高級(jí)有限元工程軟件ANSYS,通過有限元計(jì)算對(duì)內(nèi)部與外部形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),最終采用方密封段與圓密封段組合密封、中間帶有輔助密封腔的整體結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場使用表明,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)。(2)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方補(bǔ)心設(shè)計(jì)XZ-I1-05型旋轉(zhuǎn)防噴器的旋轉(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。壓蓋為旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零件,既要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)心為一特殊設(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)。(3)化學(xué)加密封XZ-I1-05型旋轉(zhuǎn)防噴器的輔助部分包括底座、外殼體和調(diào)節(jié)螺栓等零件,在井口可實(shí)現(xiàn)快速裝卸膠心和旋轉(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。3.1.3膠心密封.為半靜態(tài)密封將xz-I1-05型旋轉(zhuǎn)防噴器安裝在大修井的井口上,通過膠心的設(shè)計(jì)預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)對(duì)正常起下鉆桿的密封。方鉆桿的密封由膠心的方密封段實(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)的新穎性,鉆進(jìn)或造扣時(shí),膠心與鉆桿一起旋轉(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),膠心在油套環(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。3.2旋轉(zhuǎn)防噴器要求高研制的FX28-35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,相應(yīng)旋轉(zhuǎn)防噴器內(nèi)部轉(zhuǎn)速不高,但工作時(shí)間長。川西地區(qū)是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,能夠在較高的井口壓力下邊噴邊鉆是對(duì)旋轉(zhuǎn)防噴器的要求。綜合這些實(shí)施欠平衡鉆井的實(shí)際使用要求,各有關(guān)方面共同確定新研制的旋轉(zhuǎn)防噴器性能與當(dāng)前進(jìn)口旋轉(zhuǎn)防噴器性能相當(dāng),操作簡單可靠,更換易損件后,一次能完成一口通常的欠平衡井。3.2.1壓力和轉(zhuǎn)速(1)封井最高工作壓力;旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)狀態(tài):最高17.5MPa;靜止封鉆桿狀態(tài):35MPa;封零狀態(tài):17.5MPa。(2)工作轉(zhuǎn)速最高100r/min。(3)易損密封件壽命密封膠芯使用一口井以上;旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封連續(xù)工作120h以上。3.2.2旋轉(zhuǎn)防噴器內(nèi)總體設(shè)計(jì)上,綜合現(xiàn)有幾種旋轉(zhuǎn)防噴器的使用情況,分析研制旋轉(zhuǎn)防噴器有幾大難點(diǎn),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,封井力度跟蹤井壓自動(dòng)補(bǔ)償。控制系統(tǒng)機(jī)電液一體化,所有電氣設(shè)備都根據(jù)油田防爆要求設(shè)計(jì)制造。3.2.2.旋轉(zhuǎn)防噴器及密封的選擇主機(jī)分為殼體、旋轉(zhuǎn)總成和密封膠芯等部件。(1)結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)遵守API規(guī)范16A,底部為符合API標(biāo)準(zhǔn)的135/8″~5000PSI標(biāo)準(zhǔn)法蘭;選用密封鋼圈為“BX160”。頂部為符合API標(biāo)準(zhǔn)的11″~5000PSI法蘭螺栓孔;選用密封鋼圈為“RX54”。外殼整體進(jìn)行有限元強(qiáng)度校核,按照壓力容器額定壓力35MPa,試壓70MPa計(jì)算。殼體為鑄鋼件,抗硫化氫設(shè)計(jì)。旋轉(zhuǎn)總成通過密封膠芯抱緊的鉆具直接驅(qū)動(dòng),不采用專門驅(qū)動(dòng)器。簡化結(jié)構(gòu)的同時(shí)也簡化操作,旋轉(zhuǎn)防噴器內(nèi)通孔及密封膠芯自由狀態(tài)通徑280mm,開鉆和換鉆頭時(shí)鉆頭直接通過。(2)密封膠芯密封膠芯采用與11″環(huán)形防噴器通用的膠芯。膠芯補(bǔ)償膠量大,抗磨損壽命相對(duì)較長;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。(3)旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封旋轉(zhuǎn)防噴器具有27.94cm(280mm)的通徑,決定了旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封直徑大,工作線速度高,而密封壓力為中高壓,一般旋轉(zhuǎn)動(dòng)無法勝任,前后根據(jù)參數(shù)選用的幾種密封通過試驗(yàn)只有一種能夠符合要求。靜密封最高工作壓力35MPa,旋轉(zhuǎn)密封最高工作壓力17.5MPa,最高線速度1.7m/s。最終選擇kalsi密封。這種密封圈有波浪狀唇邊,并且在密封槽安裝時(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。3.2.2.采取潤滑冷卻軸承功能:①旋轉(zhuǎn)防噴器利用液壓缸完成關(guān)閉和打開膠芯動(dòng)作,并且關(guān)閉狀態(tài)的推力跟隨井口壓力成正比例變化,旋轉(zhuǎn)時(shí)油液穿過油缸內(nèi)部循環(huán)潤滑冷卻軸承;②以35MPa壓力進(jìn)行緊急關(guān)閉;全關(guān)閉行程時(shí)間30s。3.3高壓旋轉(zhuǎn)防噴器四川石油鉆采院機(jī)械設(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)場使用證明,效果良好。3.3.1旋轉(zhuǎn)防噴器和于結(jié)構(gòu)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)膠芯該旋轉(zhuǎn)防噴器主要由旋轉(zhuǎn)總成、殼體總成和控制冷卻循環(huán)裝置三部分組成。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)力房、控制箱兩大部分,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)裝置用以控制液動(dòng)卡箍的開啟和關(guān)閉、潤滑冷卻軸承和密封盤根。3.3.2特色與創(chuàng)新(1)雙膠芯密封該旋轉(zhuǎn)防噴器采用目前國外較高壓力等級(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。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(nèi)普遍采用的四方鉆桿,因而更適合中國國情使用。(2)利用壓力和液壓膠囊來擠壓上部膠芯,進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)償密封該旋轉(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,可通過向設(shè)計(jì)的液壓膠囊內(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膠芯密封使用時(shí)間。(3)卡菌帶膠芯更換該旋轉(zhuǎn)防噴器在需更換下部密封膠芯時(shí),只需將卡箍松開,就可將旋轉(zhuǎn)總成整體取出更換膠芯;更換上部密封膠芯時(shí),只需將上部的卡扣筒轉(zhuǎn)動(dòng)90°,即可方便地取出膠芯,拆裝省時(shí)方便。(4)自動(dòng)化程度高該旋轉(zhuǎn)防噴器使用液動(dòng)卡箍連接殼體與旋轉(zhuǎn)總成,無須人員手工操作,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,并提供有可與液動(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。(5)油連續(xù)壓碎渣液旋轉(zhuǎn)總成設(shè)計(jì)有潤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)潤滑。在使用中,軸承浸沒在潤滑油中,使其能夠保證得到充分地冷卻和潤滑。(6)具有研磨矯正和抗磨性專利技術(shù)根據(jù)現(xiàn)場使用的鉆機(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,能有效地延長軸承使用壽命。3.3.3主要技術(shù)(1)防噴器最大可通過鉆具尺寸,適用鉆具:?127、?89、?73鉆桿及相應(yīng)的六方、四方等方鉆桿;適用介質(zhì):空氣、泡沫及其它各種鉆井液;防噴器最大可通過鉆具尺寸:?196.8;適用溫度:井口溫度<100℃。(2)壓力及轉(zhuǎn)速主通徑:?350、?280、?230;側(cè)通徑:?180;工作壓力:動(dòng)壓10.5MPa;靜壓21MPa;最大轉(zhuǎn)速:100r/min;總體尺寸為旋轉(zhuǎn)防噴器總高為1580mm,旋轉(zhuǎn)總成外徑518mm。4旋轉(zhuǎn)防噴器內(nèi)部組件到目前為止,國內(nèi)僅有少數(shù)幾個(gè)廠家生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)防噴器。但隨著國內(nèi)各油田負(fù)壓鉆井技術(shù)的研究和應(yīng)用發(fā)展,國內(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。(1)密封壓力等級(jí)越來越高,應(yīng)用范圍越來越廣,動(dòng)密封壓力從3.5MPa提高到17.5MPa,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)徙@井、油氣井及修井作業(yè),從陸上鉆井發(fā)展到海洋鉆井。(2)由于旋轉(zhuǎn)防噴器內(nèi)部組件承受推力載荷,軸承組會(huì)