（石油与天然气工程专业论文）旋转控制头综合实验平台系统的研制.pdf

摘要 近年来，欠平衡压力钻井技术、控制压力钻井技术、气体钻井技术在国内外油气田 勘探开发中得到了广泛地应用，旋转控制头作为一种必备的钻井设备，其作用也越来越 重要。本文的目的是研制一套专用的旋转控制头综合实验平台系统，用于实验、测试、 分析和评价旋转控制头的性能，以提高该重要设备在现场钻井中的可靠性，同时为旋转 控制头的自行研制提供技术支持。 本文从分析旋转控制头的现状、工作条件及测试要求入手，研究制定了综合实验平 台系统的总体方案。根据所确定的主要技术参数，完成了综合实验平台系统的功能设计、 总体和主要零部件的详细设计。同时，运用实验研究和理论分析相结合的方法确定了综 合实验平台系统装置的主要载荷，校核了活动横梁等主要部件的强度，开发了检测系统 的配套硬件和应用软件，完成了液压系统的设计及设备选型。通过本论文的工作，研制 了一套具有自主知识产权、功能完备、自动化程度高的旋转控制头综合实验平台系统。 该系统能够进行压力、温度、位移、扭矩、转速、速度等参数的测量，能对现有的 和正在研制的旋转防喷系统或分系统进行实验测试。该系统具有一套独特的压力补偿装 置，可使活动横梁的载荷减轻7 0 ，显著降低所需储能器的体积，控制系统的压力波动 系数在5 以内。利用亚控公司先进的k i n g v i e w 6 0 组态软件开发的监控系统，使该系统 能够自动采集和实时处理实验数据，这项研究填补了国内在该方面的技术空白。 关键词：旋转控制头，综合实验平台装置，系统设计，监控系统，压力补偿 d e v e l o p m e n t o ft h ec o m p r e h e n s i v ep l a t f o r mt e s t i n gs y s t e m f o rt h er o t a t i n gc o n t r o lh e a d z h a n gl i n w e i ( p e t r o l e u me n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f b uy u h u a na n dy a n gd e j i n g a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ea p p l i c a t i o no ft h eu n d e r b a l a n c e dd r i l l i n g ，m p d ( m a n a g e dp r e s s u r e d r i l l i n g ) ，a n dg a sd r i l l i n gi nd e v e l o p m e n t & e x p l o r a t i o n o fo i la n dg a sf i e l dg o tw i d e l yu s e d a sa i m p e r a t i v ed r i l lf i x t u r e ，t h er o t a t i n gc o n t r o l h e a di sm o r e a n d m o r ei m p o r t a n t i t st a r g e ti s t od e v e l o pas e to fe x p e r tc o m p r e h e n s i v ep l a t f o r mt e s t i n gs y s t e m ，w h i c hi su s e df o rt e s t i n g ， a n a l y z i n g ，a n de v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h er o t a t i n gc o n t r o lh e a d t h ed e v e l o p m e n to f t h i ss y s t e mc a ni m p r o v et h ed e p e n d a b i l i t yo ft h ei m p o r t a n te q u i p m e n ti nd r i l l i n gs i t e ，a n dc a l l o 丘e rt e c h n i c a ls u p p o r tf o rr e s e a r c ho ft h er o t a t i n gc o n t r o lh e a d f i r s t l y , s t a r t i n g 谢t ha n a l y s i so ft h er o t a t i n gc o n t r o lh e a da c t u a l i t y , w o r k i n gc o n d i t i o n a n dt e s td e m a n d s ，t h ep a p e re s t a b l i s h e dt h ec o l l e c t i v i t yp l a na n dc o n f i r m e dt h et e c h n i c a l p a r a m e t e r t h r o u g ht h em e t h o do fe x p e r i m e n ts t u d ya n dt h e o r ya n a l y z i n g ，t h ep a p e rm a d e s u r et h em a i nl o a d so ft h et e s tf r a m ea n dm a d ef i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o no fa c t i v et r a n s v e r s e g i r d e r m a t c h i n go ft e s t i n gs y s t e ma n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n th a sb e e nf i n i s h e d t h ed e s i g n s o fh y d r a u l i cs y s t e ma n ds p a r ep a r t sc h o o s i n gh a v ea l s ob e e nf i n i s h e d ar o t a t i n gc o n t r o lh e a d t e s t s y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y , w h i c hh a ss e l f - d e t e r m i n a t i o nk n o w l e d g e p r o p e r t y t h et e s t s y s t e mc a n d e t e c t m a n yp a r a m e t e r s ， s u c ha s p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ， d i s p l a c e m e n t ，t o r q u e ，r o t a t i n gs p e e da n dv e l o c i t y i tc a nm a k et e s t i n go fr o t a t i n gc o n t r o lh e a d ， e i t h e rn e wo rb e i n gu s e d t h es y s t e mh a v eas e to fp a r t i c u l a rp r e s s u r er e d e e ms e r i n g ，w h i c h c a i lr e d u c e7 0 l o a da c t e do nt h ea c t i v et r a n s v e r s eg i r d e ra n dc a nm a k ep r e s s u r eu n d u l a t i o n l e s st h a n5 b e c a u s ea d o p t i n gt h ea d v a n c e dk i n g v i e w6 0 c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，t h e d e t e c t i n gs y s t e mc a na u t o m a t i c a l l yc o l l e c ta n dd e a lw i t l lt h et e s t d a t e si nr e a lt i m e t h e d e v e l o p m e n to ft h es i m u l a t i v et e s t i n gs y s t e mf o rr o t a t i n gc o n t r o lh e a dh a sp a d d e dt h e t e c h n i c a lb l a n ko ft h i sf i e l di no u rc o u n t r y k e y w o r d s ： r o t a t i n gc o n t r o lh e a d ，c o m p r e h e n s i v ep l a t f o r mt e s t i n ge q u i p m e n t ， s y s t e md e s i g n ，t e s t i n gs y s t e m ，p r e s s u r er e d e e m 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：日期：年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部f - j ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名：一 日期： 日期： 年 月 日 年月 日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 建立旋转控制头综合实验平台系统的必要性及意义 近年来，欠平衡压力钻井技术、控制压力钻井技术、气体钻井技术在国内外油气田 勘探开发中得到了越来越广泛地应用，旋转控制头作为一种必备的钻井设备，其作用也 越来越重要。 在美国所有的陆地钻井作业中，约1 4 的井未使用闭合、承压的钻井液循环系统， 有1 4 的井使用该系统来实现真正的欠平衡钻井，1 4 的井在应用该系统钻井时需要使 用可压缩流体( 空气、天然气、泡沫、雾) ，1 4 的井正在使用闭合、承压的循环系统以 m p d 的某种形式进行作业。1 9 9 8 年美国应用欠平衡的井4 1 0 0 口，加拿大1 5 0 0 口， 美国能源部要求用空气钻井的油井要占3 0 以上( 1 2 0 0 0 口) 船1 。 我国欠平衡压力钻井技术、控制压力钻井技术、气体钻井技术发展迅速，极大地提 高了钻井速度，保护了储层，同时解决了大量恶性漏失地层的钻井复杂问题。到目前为 止，胜利石油管理局累计完成欠平衡钻井和控制压力钻井1 0 0 余口井，气体钻井2 0 余 口井；2 0 0 7 年，吐哈油田采用欠平衡钻井施工1 6 口井，中石化川东北工区在6 0 多口 井上采用气体钻井技术提高钻井速度，四川石油管理局完成气体钻井9 0 井次( 约4 0 余 口井) 。 在地热地区钻蒸汽井时，旋转控制头也同样是一个重要装置口1 。在钻这类井的过程 中，常伴随有蒸汽产生，通过旋转控制头密封控制井口，保证施工安全。 旋转控制头除了应用在钻井外，也用于使用氯气或其他气体进行的修井作业中“1 。 旋转控制头的旋转密封装置使得钻井能够在井口有一定压力的情况下照常进行。过 去，井口压力一般被限制在7 m p a 之内。现在，旋转钻井作业可在气侵泥浆循环至地面 而井口压力降值高达1 7 5 m p a 的情况下继续进行，一些旋转控制头的静态压力试验值达 到3 5 m p a 璐1 。 旋转控制头内密封件可在固定的外壳内旋转，一套油润滑系统可使经过滤的润滑油 不断流经轴承总成，一个冷水循环系统可以消除在大上推力作用下旋转所产生的热量。 油润滑系统密封件、冷水循环系统密封件以及轴承总成的橡胶密封胶芯寿命有限，因此 需要研制一套专用的旋转控制头综合实验平台系统，用于实验、测试、分析和评价旋转 控制头的性能，以提高该重要设备在现场钻井中的可靠性，同时为旋转控制头的自行研 第一章绪论 制提供技术支持。 建立旋转控制头综合实验平台系统的目的和意义在于： ( 1 ) 解决进口专用设备的维修、保养。旋转控制头和旋转防喷器都是安全性要求 很高的设备，根据设备操作规程，都要对其进行室内性能测试和维护保养，确保设备状 态良好。使用前后、设备大修后都必须对设备进行全方位检修和测试。由于现场条件的 限制，这项工作无法在现场全面快速的进行。现在设备的大修期还比较短，例如，7 1 0 0 型控制头的核心部件轴承总成；每工作2 0 0 0 随讣时，就需要大修。p c w d 系统每工作 5 0 0 0 小时或一年后h 1 ( 不论使用时间长短) ，要求更换动密封等所有的密封件。由于现 在国内条件所限，井口不正问题严重，导致控制头寿命下降，大修期缩短，维修问题非 常突出。 ( 2 ) 为国产化研究提供必要的技术手段，促进专用设备的国产化进程。目前国内 高压旋转控制头或旋转防喷器都是进口产品，其关键部件轴承总成属国外专利产品， 外国公司对其进行技术封锁。推广需要大量的旋转防喷器，应通过国产化研制的渠道进 行。一方面需要对进口设备的性能、机理研究透，另一方面也要对国产化产品进行性能 测试，以检查国产化产品的性能是否满足要求。这项工作也需要建立必要的实验手段以 提高设备的研究水平。 经过多口井的现场实际应用情况已证明进口旋转防喷器设备的设计并不完全合理， 存在许多缺陷，国产化研究不能完全模仿和照搬。要提高研究水平，这就要求一方面要 对进口设备吃透，学习其先进的东西，另一方面必须大胆创新改进，克服其设计缺陷， 研制出有自己特色的符合国内情况的设备。建立旋转防喷器专用试验室将为促进该项工 作的顺利进行创造有利条件。 ( 3 ) 解决进口设备的配件国产化替代问题。由于进口设备的配件供应不及时，会 造成进口设备闲置不能使用，因此必须加快国产化替代的进程。 综上所述，建立旋转控制头综合实验平台系统是非常必要的，同样是非常迫切的。 建立旋转防喷器专用试验室将有利地促进旋转防喷器国产化研制，充分发挥进口设备的 能力，促进欠平衡压力钻井、控制压力钻井、气体钻井等钻井工艺技术的推广。 1 2 旋转控制头实验装置国内外现状综述 1 2 1 欠平衡压力钻井专用装备简介 1 2 1 1 欠平衡压力钻井技术简介 中国油太学( 华东) i 程顿学位论文 欠平街压力钻井”是指在钻井过程中钻井液的循环压力( 包括液柱压力和循环回压) 低于地层的孔隙压力，允许产层流体流入井眼，并循环到地面，在地面进行有效控制的 一种钻井工艺。该技术具有减轻地层伤害、解决钻井复杂问题、正确评价储层、明显提 高产能等优点，特别适合开发高渗透油藏、裂缝性油藏、低压或衰竭油藏、低渗透油藏 及非常规油藏。欠平衡压力钻井技术被认为是当今钻井技术的一次革命。 在常规钻井时，要求环空中的钻井液静液柱压力和循环压耗之和大于地层的空隙压 力防止地层中的流体进入井眼发牛井喷。如图1 1 所示。欠平衡压力钻井时，则要求 井眼中的钻井液静液柱压力和循环压耗之和小于地层的空隙压力，让地层中的流体能够 在可控制的条件下，不断进八井眼，实现边喷边钻，减少钻井液进八地层的量，从而减 轻钻井液对油层的伤害，达到保护油气层，提高原油采收率的目的。如图1 - 2 所示。 图卜1 常规钻井示意图图l _ 2 欠平街钻井示意图1 f i g l - 1 t h es k e t c hm a po fc o n v e n t i o n a l i t y f i 9 1 - 2 t h es k e t c hm a po ft h eu n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g d r i l l i n g 在2 0 世纪5 0 年代，就已经开始研究欠平衡钻井技术。但在9 0 年代以| j 受当时 技术水平的限制、特别是实施该技术的关键专用设各旋转控制头不过关，这项技术 发展缓慢。自9 0 年代初期开始，国外在旋转控制头研究开发方面取得了突破性进展。如 美国s e a l t c c h 公司、w i l l i a m s 公司、s h a f f e r 公司、r b o p 公司、h y d k i l 公司等都研 制开发出了旋转防喷系统o ”。国内外开始重新重视该技术的研究和应用，把其作为提高 油田开发效益的重要措施。该技术被认为是当今石油钻井中最具活力的一项重要技术。 因此说欠平衡钻井装备的发展促进了欠平衡压力钻井工艺技术的发展。 i212 欠平衡压力钻井专用装备简介 实施欠平衡钻井除使用常规钻井设备外，还要使用安全性要求非常高的专用装备， 分用装备主要由两部分组成，见表1 1 。 表卜1 欠平衡钻井专用装备“ t a b l e l 一1t h ee x p e r tu s i n ge q u i p m e n to f u n d e r b a l a n c e dd r i l l i n g 序号 名称组成竹川 承受、拌制一定的井l 】压力值，确保 第部分井口r 力控制垃备旋转防喷系统 仆口安全 除气、脱汕设器对返川的流体进行四相( 钻升液、气、 第二二部分地面流体处理敬箭清除州相垃器 油、】州棚) 分理，满足欠平衡钻升艺的 气体燃烧器要求 ( 】) 井口压力控制设备的组成和作用 一防喷器组( 如图1 3 所示) ：主要有单闸板防喷器、坝闸板防喷器、万能防喷 器、旋转防喷系统、液控旁通阀。典型的欠平衡压力钻井防喷器组是由三个闸板防喷器 组成的，在盲板防喷器的下面安装了组附加的闸板防喷器，节流和压井管汇与安装在 上闸板防喷牿和盲板防喷器之旬的舳通帽琏接。j 旧通相连的是一组双闸板防喷器与 双闸板防喷器斗口连的是环型防喷器，与环型防喷器相连的是欠平衡钻井最主要的专用设 备即旋转防喷系统( 旋转捧制头、旋转防喷器，旋转导流器、， 图卜3 防喷器组示意图”1 f i g l - 3 t h es k e t c h m a po f t h ep r e v e n t e rs u i t 防喷器组的作用同普通钻井的作用是一样的，而旋转防喷系统的作用是密封井口环 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 空，保证井口在带压情况下，能进行钻进、起下钻作业。 一节流管汇n 钉。与常规钻井基本一样，但必须要求配备一只或两只液动节流阀、节 控箱及附件。其作用是根据工艺要求和井口压力情况，控制地层流体产出量、控制套压， 或实施节流放喷。 一内防喷工具n 射。主要有上、下方钻杆旋塞，投入式止回阀、箭形回压阀等。其作 用是在欠平衡钻井作业时防止钻具内井喷。 一液控旁通阀n 7 1 。作用是快速进行欠平衡循环流程和非欠平衡循环的倒换。 ( 2 ) 地面流体处理设备的组成： 一分离设备n 羽：包括液气分离器、振动筛、除气器、离心机、三项分离器、原油分 离装置等。分离设备的作用是把井口返出的流体进行除气、脱油、清除固相。 气体燃烧处理设备n 鲫：包括自动点火装置、防回火装置、火炬等。 图l - 4 是一种典型的地面流体处理设备流程图。 图1 4 一种典型的地面流体处理设备流程图心 r i g1 - 4 t h ef l o wc h a r t o fo n et y p i c a lg r o u n de q u i p m e n to fd i s p o s i n gl i q u i d 5 第一章绪论 1 2 。2 控制压力钻井专用装备简介 ( 1 ) 控制压力钻井技术简介 控制压力钻井m p d 幢( m a n a g e dp r e s s u r ed r i l l i n g ) 是一种在整个井眼内精确控制环空 压力剖面的改进的钻井方法，其目的在于确定井下压力窗口，从而控制环空液压剖面。 美国在上世纪6 0 年代后期开始应用控制压力钻井托引。 m p d 技术第一次正式出现是在2 0 0 4 年阿姆斯特丹的i a d c s p e 钻井会议上，意图 是利用欠平衡工具和技术控制进入井眼的地层流体，其主要目的是避免通过加重钻井液 来解决钻井复杂问题，减少套管层数，提高钻井效益，降低钻井成本瞻引。 欠平衡钻井的主要目标是避免损害将要开发的产层，是以储层为本的。而控制压力 钻井m p d 的主要目标是解决与钻井有关的复杂压力控制问题，是以钻井为本的瞳引。 ( 2 ) 控制压力钻井专用装备简介 控制压力钻井专用装备同欠平衡钻井的专用装备一样。 1 2 3 气体钻井专用装备简介 ( 1 ) 气体钻井技术简介 气体钻井是指以压缩气体或含有压缩气体的气液混合物作为钻井流体进行的钻井， 它是一种以压缩气体或含有压缩气体的气液混合物作为冲洗介质，或用压缩气体既作为 破岩工具的动力又兼作冲洗介质的钻井技术。气体钻井技术主要包括空气钻井、氮气钻 井、天然气钻井、柴油机尾气钻井、气体雾化( 泡沫) 钻井等瞳引。 空气钻井始于2 0 世纪5 0 年代幢6 1 ，稍后出现了雾化钻井、充气钻井液钻井和泡沫钻 井，起初是用空气作为洗井液钻坚硬岩石的。空气钻井最初大都用于地质探矿工程以及 煤层气的开发，其主要目的是为了提高钻速、降低成本、延长钻头使用寿命以及在特殊 困难的条件下完成施工作业。但由于这项技术安全性较差、不能使用泥浆脉冲方式的m w d 等问题，因而没有得到大面积的推广应用。当时，这种钻井方法避免或不提倡钻开油气 层，主要是考虑安全问题。这种状态一直持续到9 0 年代初( 除美国在8 0 年代用空气钻 水平井开发致密气、煤层气外) 乜7 1 。 2 0 世纪9 0 年代，随着电磁m w d 、空气钻井马达的问世以及各种设备的不断完善， 气体钻井技术又重新得到人们的重视他引。 ( 2 ) 气体钻井专用装备简介乜刚 气体钻井所使用的特殊设备是气体钻井的主要必备设备，这些设备与常规钻井设备 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 配合使用才能完成气体钻井的整个工艺过程。气体钻井需要一些特殊的设备，主要有： 空气压缩机、增压机、膜分离制氮设备、雾化泵、泡沫发生器、连接管汇系统及井口旋 转防喷器和其它辅助设备。 1 2 4 旋转防喷系统介绍 旋转防喷系统是欠平衡压力钻井、控制压力钻井、空气钻井最主要的专用设备之一， 无论是什么样的旋转防喷系统，也不论是哪一家生产的，其组成基本是一样的。如图卜5 所示，一般由三部分组成： 一旋转控制头( 或旋转防喷器) 。安装在井口防喷器组的顶部；用于封闭钻具与井 壁之间的环空。 一动力冷却润滑站。其作用是对控制头( 或旋转防喷器) 的轴承和动密封进行润 滑和冷却。 一司钻控制台，放在钻台上，用于对以上两部分进行检测和控制。 n 蒯肝、1 液压式- - - 、 承，c r 钻台 、厝峨 f 、叫 l 监澈表- 、 、 、 萝 ： 一方钻杆驱司 一： 一 蛹渫置 fl 、黛 、 液压固定 一液流曹 r _ _ _ 博缓黼盼钢壳一 ，_ 7 1 0 0 型安装有滑道 的防爆动力部分 1 鼬0 毒 、 一防喷嚣 - - 执 【 il 匕筝 确 油管- 、 ll “ j园 一 囡 ， 一 j 二， k 口 - juqy l ，州 图卜5 旋转控制头防喷系统现场安装图【3 们 f i g1 - 5t h em a p o fs i t es e t t i n go ft h er o t a t i n gc o n t r o lh e a dp r e v e n t e rs y s t e m 目前旋转防喷系统有旋转防喷器、旋转控制头防喷系统两种形式。主要区别是胶芯 7 第一章绪论 封闭钻具与井壁之间的环空时有无外部液压源，即所谓的是主动密封还是被动密封硌。 靠外部液压源挤压密封胶芯封闭钻具与井壁之间的环空的称为旋转防喷器( r o t a t i n g p r e v e n t ) ，靠密封胶芯与钻具之间的保持一定过盈密封钻具与井壁之间的环空的称为旋 转控制头( r o t a t i n gc o n t r o lh e a d ) 曲2 1 。旋转防喷系统是欠平衡压力钻井、控制压力钻井、 气体钻井关键的安全保障设备，工作条件恶劣，可靠性要求非常高汹1 。这是因为如果旋 转防喷系统出现了故障，将导致无法进行特殊钻井作业，特别是在井口出现异常高压等 意外情况时，因许多排险措施无法进行，将贻误排险时机，使抢救工作复杂，甚至造成 恶性事故。为此操作规程规定，每使用一口井，都必须对旋转防喷系统进行全方位检修 和测试。同时对其进行定期的保养，严禁设备带病工作，确保其性能达到规定的要求， 保证欠平衡钻井、控制压力钻井、气体钻井作业的安全实施。 目前，美国和加拿大在旋转防喷系统装备配套开发方面居国际领先水平。有多家公 司生产旋转防喷系统装备。其中，w i l l i a m s 公司的系列旋转防喷系统和s h a f f e r 公司的 p c w d 旋转防喷器系统是目前世界上先进的、应用最为广泛旋转防喷系统。国内重庆矿 山机械厂生产了f s 2 0 6 7 0 、f s l 2 5 0 等旋转防喷器。表1 2 列出了国内外主要旋转控 制头的性能指标。 下面着重介绍两种典型旋转控制头防喷系统的工作原理及技术参数。 表1 _ 2国内外主要旋转防喷系统的性能指标m 1 t a b l e l - 2t h e p e r f o r m a n c et a r g e to f t h e m a i nr o t a t i n gp r e v e n t e rs y s t e m 动压静压转速高度冷却胶芯 型号 润滑方式 ，m 【p a，n 舻a，r r a i n，m m 方式数量 s h a f f e r 低压3 57 o2 0 09 1 4 低压脂润滑无 1 s h a f f e r 高压2 13 52 0 01 2 4 4 高压油润滑水冷 l w i l l i a m s9 0 0 03 57 01 0 09 2 7 低压油润滑无 1 w 1 l i a m s7 0 0 01 0 。52 11 0 0 1 6 0 0高压油润滑水冷2 w i l l i a m s7 1 0 01 7 5 3 51 0 01 6 0 0高压油润滑水冷2 s e a l t e c h1 0 。51 41 0 01 4 4 7 高压油润滑风冷胶囊 r p - m s y s t e 3 0 0 1 42 11 0 01 0 1 6 高压油润滑水冷胶囊 f s 7 0 2 05 。01 0 01 1 0 0 低压脂润滑无 1 ( 1 ) w i l l i a m s 公司最新型的7 1 0 0 型旋转防喷系统5 1 ： 7 1 0 0 型旋转防喷系统主要由旋转控制头、冷却润滑动力装置、司钻控制台组成： 8 中国油 学( 华东) i 程砸学位论立 一旋转控制头：由底座、液压央紧装置、大直径高压密封元件、现场测试装置( 包 括：井压传感器、试压塞等) 、高压动密封旋转总成等组成。该部分的主要功能是在一 定范围内承受井压，带压旋转钻具和带压起下钻。高压动密封旋转总成采用了上下两个 胶芯双重密封结构。一般下部胶芯先于上部胶芯失效；当下部胶芯失效后，上部胶芯 仍能起密封作用。因此具有双重保险作用。其结构外形如图1 6 所示。 工作原理：高压动密封旋转总成与控制头底座之间用一个大直径高压密封元件， 井口压力起辅助密封作用，高压动密封旋转总成自身是靠一个高压动密封组件实现密封 的。 ( 2 ) 美国s h a f f e r 公司研制的旋转防喷器( p c w d ) ： 主要由四部分组成：旋转球形防器( r s b o p ) 、液压控制装置( h c u ) 、司钻控制盘 ( d c p ) 、安装配件及工具。典型的p c w d 安装方式如图1 7 所示。 图1 _ 6 旋转控制头结构图1 v i g l a it h e m a po f t h er o t a t i n ge o n t m lb e a d ss l r ”c t u r e 第一章绪论 图1 7 典型的p c w d 安装方式 f i g l 7 t h et y p i c a ls e t t i n gm o d eo fp c w d r s b o p 安装在防喷器组上，液压控制装置( h c u ) 放在靠近防喷器组附近合适的 位置上，并提供控制r s b o p 的液压源，用防火液压软管与r s b o p 连接，液压控制装 置由钻台上的司钻控制盘控制。司钻控制盘一般放在钻台上便于司钻操作的地方。 r s b o p 是一个球形防喷器( 见图1 8 ) 用于关闭并密封井筒与钻杆( 或方钻杆) 之间的 环空，也可以关闭并封闭空井。 工作原理：通过外部液压力挤压一个特制的球形密封胶芯实现井筒与壳体、井筒与 钻具之间的密封。工作原理如图1 - 9 所示。 2 0 世纪9 0 年代后期国内才重新开始欠平衡压力钻井技术的研究，专用装备配套研 究还刚刚起步，目前国内还没有高压欠平衡压力钻井的专用装备，全部依赖进口。目前， 国内各个油田已在欠平衡压力钻井的专用装备方研究面所做了许多工作。但主要还限于 使用国外设备进行施工，由于缺乏必要的实验装置，目前只能做简单的维护保养，大修 工作难以开展，易损件还依赖进口。但随着对欠平衡钻井技术重要性的认识，必然会促 进旋转防喷系统的研究。 l o 中困石油大学( 华东) t 程硕学位论文 图卜8 球形防喷器组成图 图卜9p l o d 防喷器工作原理图 f i 9 1 8 t h e m a p o f t h es p h e r i e i 奸p 化v e a t e rf i g l - 9 t h e w o r k t r u t ho f t h e p c w dp r e v e n t e r 1 2 5 国内外旋转控制头实验平台系统现状分析 国外在研制欠平衡压力钻井专用设备，特别是旋转控制头或防喷器时，都建有专用 的实验设备和实验室1 。例如s h a f f e r 公司的p c w d 旋转防喷器实验系统可以完成静压、 封零( 即在当井内无钻具时，关闭井口的一种功能) 和带压旋转实验，但不能做往复运 动实验。实验数据的采集是人工记录的。由于该公司是个专门生产各种防喷器的大型 公司，在厂内有一个全尺寸大型井控设备实验平台系统，其往复运动实验和胶芯实验就 是在该实验平台系统上进行的。通过上述两个实验平台系统，该公司在制造旋转防喷器 时，就可以根据现场使用和厂内实验时发现的问题，及时改进，不断提高产品的性能“1 。 据了解，目前国内还没有欠平衡压力钻井专用设备实验室、和专用的完善的实验。目前 国内在使用时，只能在室内进行简单的维修保养，测试工作主要是在现场进行。 ( ”旋转防喷器系统使用前应该进行的测试项目 旋转防喷器是一种专用井控设备，按照井控设备的使用要求，在使用前必须进行以 下测试。 控制头静压实验 包括壳体、高压动密封旋转轴承总成、润滑系统、冷却系统、小管汇、静压实验。 一控制头动压实验 一专用胶芯密封实验 一润滑系统期4 试 第一章绪论 一冷却系统测试 一控制头液压卡箍测试 一司钻控制箱测试 一对压力测试仪器仪表进行校对。 试压要求 静压、动压实验要求按设备的额定压力试压，做到不刺、不漏、不渗。 ( 2 ) 旋转控制头系统的现场测试 控制头静压测试 先把控制头底座装在环行防喷器上面，用1 6 个m 4 2 x 3 2 2 0 螺栓固定( 目前国内 都是用人工紧螺栓，操作空间狭小，拆装非常困难) ，依次装好液控旁通阀、压力测试 系统。轴承总成穿在一根钻杆上备用。在现场有两种方法对其进行试压： 方法一：将已穿好轴承总成的备用钻杆放入井中，用液压卡箍固定好轴承总成，关 上最靠近控制头的一个防喷器，从控制头的压力测试管汇处用试压泵打压，进行试压。 方法- - ：钻杆上装好试压堵塞器，下入井内后，再接入穿好轴承总成的备用钻杆放 入井中，用液压卡箍固定好轴承总成，用固井水泥车注水，上提钻具，憋压至额定压力。 检查控制头壳体与环行防喷器等设备的连接处、胶芯有无泄漏。目前现场通常使用后一 种方法。 控制头旋转实验 在没有井口压力时，使钻具转动，操作人员依靠经验，人工观察有无异常，由于驱 动机构功率太大，轴承总成内的卡、磨等情况是无法判断的。根据规定，闸板防喷器关 上后是不允许动的，环行防喷器只允许作短行程的往复运动，由上面的实验方法可知目 前在现场是无法在带压时进行动压实验的。也无法检验胶芯在有压力时对运动中的钻具 的密封性。 润滑系统的测试 根据控制头的设计，为了保持轴承总成内的润滑油压力始终大于井口压力，防止钻 井流体进入轴承总成。规定润滑油压力始终大于井口压力一个定值。由于现场无法做动 压实验，该项目也无法进行全面的检验。目前只能判断系统能否运转，但不能全面检测 设备的性能是否正常。 冷却系统的测试 由于同样原因轴承总成不能做动压实验，不能全面检测其工作可靠性，只能做 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 短时的运转调试。 控制头液压卡箍测试 通过压力表观察系统是否正常。 ( 3 ) 旋转控制头系统的现场测试存在的问题 无法按照旋转防喷系统使用前应该进行的测试项目的要求进行全面的检测，在现 场的测试主要侧重于控制头与其他设备在现场连接处的密封性能。特别是由于不具备动 压实验条件，导致许多检验工作不能开展。 由于设备摆放相对分散，需要的测试人员多，工作强度大，很难达到实验数据在 时间上的一致性。 旋转控制头是一种欠平衡压力钻井专用井控设备，按照井控设备的使用要求，设 备使用前必须进行室内测试，否则不允许上井使用，因此其它井控设备都有专门的单位 负责井控设备的检验和维修调试。但旋转防喷系统现在做不到。 即使在现场检测中，发现设备有问题，因现场条件限制，也无法在现场进行维修。 由于控制头一旦损坏或发生故障，特别是轴承总成，将导致无法进行正常的欠平衡压力 钻井施工，甚至导致严重的事故。 如果发生故障，不论维修还是更换设备，都将严重影响钻井队的正常的工作计划， 造成严重的经济损失。例如，使用z j 4 5 钻机施工，其日费是4 _ 5 万元，每延误一天就 将导致的直接经济损失为4 - _ 5 万元。在国内实际施工中，曾经发生过因控制头发生故 障，造成停工6 天多情况。直接损失达3 0 多万元。这也从一个侧面说明了建立控制头 实验平台系统装置的必要性和重要意义。 1 3 研究内容和方法 1 3 1 研究目标 该项目完成后，研制出一种合理的、工作可靠的旋转防喷器实验装置。能够模拟控 制头的现场工况，在室内对其进行性能测试，对专用密封胶芯进行寿命测试。其性能指 标接近或达到国外同类产品2 0 世纪9 0 年代后期水平，填补国内在该领域的空白。具体 指标是： ( 1 ) 旋转防喷器实验平台系统额定静态工作压力：3 5m p a ( 2 ) 额定动态实验压力：1 7 5m p a ( 3 ) 实验最大旋转速度：1 5 0r m i n ( 4 ) 实验装置最大实验压力：i o o m p a 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 实验平台系统装置设计 ( 2 ) 结构受力分析及计算 ( 3 ) 液压控制系统的设计 ( 4 ) 数据采集处理、控制系统的设计 ( 5 ) 加压及保压系统的设计实验平台系统装置结构设计 1 3 3 技术路线 在掌握旋转防喷器性能及具体技术规范后，根据现场实际工况，设备测试要求对实 验平台系统装置进行功能设计、机构设计；根据实验平台系统装置与实际工况的差别、 测试结果的精度、设备现场使用数据，研究测试结果修正方法。制造出样机后，通过试 验，改进设计。 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第二章旋转控制头实验装置的设计 2 1 旋转控制头实验装置的分析与设计 2 1 1 实验装置功能分析及设计 在现场应用中旋转控制头的工作方式、工作参数是不断变化的，为了全面检验其在 不同条件下的性能是否符合要求，做到万无一失，实验装置必须能模拟不同的工作条件， 并检测控制头的性能。 2 1 1 1 按作业方式旋转防喷器的工作条件 按作业方式旋转防喷器的工作条件主要有以下几类h 引： ( 1 ) 正常钻进。这是最主要的一种工作方式期间，钻具既有旋转运动又有线形往 复运动，工作压力通常不高，一般为o - 7 m p a 。由于在钻井中，钻井液是循环的，加上 并筒体积相对很大，井口压力相对稳定，即旋转控制头的工作压力相对稳定，只有当地 层压力和钻井液性能发生明显变化时，井口压力才发生明显变化，导致旋转控制头的工 作压力变化。 ( 2 ) 起下钻。当需要进行换钻头、循环泥浆、处理事故进行压井、测井作业时， 需要进行带压起下钻作业这种方式的特点是：钻具线形往复运动较快，钻具不转动，井 口压力较大。当井口压力超过工程设计要求时，要进行压井作业，由于此时钻头还在井 底，为了防止钻头被埋，必须将钻头起离井底，此时井口压力最大。当使用井下动力钻 具钻进时，工作方式同起下钻作业。 ( 3 ) 倒划眼。当发生砂堵、粘钻、卡钻等异常情况时，需要进行该项作业。这种 方式的特点是：钻具线形往复运动较慢，钻具转动，井口压力较大。 ( 4 ) 静压实验。此时钻具静止不动，控制头的工作压力为其额定压力。 2 1 1 2 按钻具的驱动方式旋转防喷器的工作条件 按钻具的驱动方式旋转防喷器的工作条件分为n 3 。： ( 1 ) 转盘驱动。其工作特点是转盘驱动钻具和钻头转动，需要使用方钻杆。每钻 完一根钻杆就得停止钻进，上提钻具，再接上一根钻杆后继续钻进。因此穿过控制头胶 芯的钻具有圆形的钻杆、六方形的方钻杆及钻杆接头。 ( 2 ) 顶驱驱动。其工作特点是由位于大钩和钻柱间的顶驱装置驱动钻具和钻头转 动，不需要使用方钻杆。每钻完一根立柱停止钻进，再接上一根立柱后继续钻进。穿过 1 5 第二章旋转控制头实验装置的设计 胶芯的钻只有圆形的钻杆及钻杆接头。 ( 3 ) 井下动力钻具驱动。工作特点是井下动力钻具直接驱动钻头转动，钻具不旋 转。 ( 4 ) 复合驱动。即第3 种方式分别与第l 、2 种方式组合共同驱动钻具和钻头转动。 图2 1 是钻机的驱动和起升系统示意图。 图2 1 钻机的驱动和起升系统示意图h 引 f i 9 2 - 1 t h es k e t c hm a po ft h er i gd r i v i n ga n dl i f t i n gs y s t e m 动力站润滑冷却系统、液压控制系统、电器系统、仪器仪表是保证旋转防喷系统正 常工作的重要保证，必须对其进行检测实验。 因为在控制头综合实验平台系统中，旋转防喷系统、实验设备及需要检测记录的数 据都较多，要求实时检测压力、温度、压降、位移等参数，并进行超限报警，达到检测 控制的要求。由于实验压力为高压，实验时间较长，如果靠人工记录和检测，工作强度 大，需要的人员多，很难达到实验数据在记录时间上的一致性，同时实验人员长时间在 高压实验区工作，存在安全隐患。因此有必要建立一套自动数据采集检测控制系统。通 过微型计算机在线检测系统，监测控制头及实验装置的运行参数，对于分析设备运行是 否正常，是否存在事故隐患，预测故障的发展趋势都是非常行之有效的。综上所述，该 实验装置应该具备以下功能： 1 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 ( 1 ) 能模拟现场起钻、下钻、钻进、旋转等实际工况对旋转防喷器或控制头进行 性能测试，进行动、静压耐压实验。能模拟不同的压力、不同转速、不同机械钻速等工 况条件，检测旋转防喷器或控制头的性能变化。具备对控制头进行型式实验的能力。 ( 2 ) 对旋转防喷器和控制头动力站进行制冷冷却系统。 ( 3 ) 润滑系统、液压控制系统、电器系统进行测试，校对仪器、仪表。 ( 4 ) 对专用胶芯进行性能测试、检验。 ( 5 ) 对实验数据实现自动采集和处理，控制系统采用自动、手动并存控制。 由于目前旋转防喷器的生产厂家很多，结构形式有多种多样，工作参数、控制系统 等附属系统也不一样，因此本系统具备较广泛的适应性，能对多种旋转防喷系统进行检 测实验，同时也可对系统的部件和易损件进行测试检测。因此该实验装置还应具备以下 技术功能： ( 1 ) 既可以对旋转防喷系统进行整体性能进行综合测试，也可以对系统的某一分 系统( 如动力润滑站) ，某一部件( 如胶芯等) 进行测试。 ( 2 ) 可对国内现有的进口和国产设备进行测试，也可对现在国内正在研制的设备 进行测试。 2 1 2 实验装置技术参数的确定 经过调研分析，目前现有和正在研制的旋转控制头的最大实验静压力：3 5 m p a ，最 大动压力：1 7 5m p a ，i 作转速：1 5 0 印m 。并在今后相当一段时间内能够满足欠平衡钻 井的要求，据此确定了该实验装置的主要技术参数如下： ( 1 ) 旋转防喷器综合实验平台系统最大实验静压力：3 5