旋转防喷器技术的发展与应用

旋转防喷器技术的发展与应用

1井的必要设备旋转避灰装置是一种重要的口腔安全监控器，也是孔压结构、钻探和油气挤出所必需的设备之一。旋转防喷器安装在防喷器组的最上部,作为控制设备的补充,在井眼环空与钻柱之间起封隔作用,并提供安全有效的压力控制,同时具有将井眼返出流体导离井口的作用,提高钻井效率,较少造成地层损害,还能降低对环境的污染。2旋转防喷器技术旋转防喷器并不是一个新概念,20世纪60年代在不增加油气价格的前提下,美国和其他国家致力于研究更有效和更经济的工具和装备,开始出现旋转防喷器的雏形。最初设计的旋转防喷器只用于空气钻井,后来发展了用于钻井液、气体钻井和地热钻井的旋转防喷器。再后来又发展了用于高压井口边喷边钻(即欠平衡钻井)的旋转防喷器。当今,旋转防喷器技术已成为降低钻井成本、提高单井质量的一项重要技术。旋转防喷器技术的最新发展扩大了欠平衡钻井技术的使用范围,使该项技术的使用日益广泛,如在闭路循环、边喷边钻、随钻测量、井眼测试、反循环、注氮等钻井特性改变时使用。而且,在那些还未进行欠平衡钻井的地区,旋转防喷器可用于强化安全和环境保护,在美国和加拿大约有三分之一的钻机在钻井过程中都使用旋转防喷器。在北海南部,旋转防喷器已经在20多口自升式平台井上应用。在海上深水油田也开始应用欠平衡钻井装备,如巴西海上Campos盆地深水油田。即使不实施欠平衡钻井技术的地区,仍然可以通过应用欠平衡钻井设备在降低过平衡压力的情况下安全钻井,从而节约大量钻井成本。目前,国外旋转防喷器技术发展越来越成熟,品种类型较多,主要有美国Williams公司的系列旋转防喷器、sea-tech公司的旋转防喷器、varco公司的Shaffer系列旋转防喷器及加拿大高山公司的膨胀胶囊型旋转防喷器。我国各油田成功的钻井相继使用了欠平衡钻井技术,所使用旋转防喷器都是进口产品。目前国产旋转防喷器技术还在发展阶段,产品类型以及应用还很有限,下面介绍几种主要的国产旋转防喷器。3一些国内旋转避喷器3.1旋转防喷器的研制大庆、胜利、辽河等全国各大油田已相继进人开发后期,井下事故出现几率呈较快增长趋势。由于井口没有可靠的密封装置,许多高效率的工艺,如反洗井、侧钻等无法正常进行,为此,胜利石油管理局采油工艺研究院对胜利油田各采油厂的井况,以及油井大修工艺和措施进行了详细调研,并在吸取国外相关产品先进技术的基础上,研制出一种能可靠密封旋转钻具和油套环形空间的井口密封装置,即XZ-I1-05型旋转防喷器。3.1.1主要参数(1)规范创建法兰半径防喷器高度525mm;防喷器外径470mm;适用井口法兰外径380mm;井口法兰密封垫环R×45(参见SY5279.3-91);防喷器质量290kg。(2)pa壳体最大能够信息压降能力最大静密封压力11MPa;最大动密封压力5MPa壳体最大承压能力588kN;适用钻杆直径73mm;适用方钻杆89mm×89mm;胶心最大过径110mm。3.1.2结构特征XZ-I1-05型旋转防喷器是大修用井口密封设备,可以实现井口密闭循环,防止污油污水入井对地层造成伤害,并能有效防止井喷事故。(1)密封机构的密封XZ-I1-05型旋转防喷器的密封部分主要包括旋转密封胶心、V形密封圈和上密封圈等。旋转密封机构橡胶密封圈与金属件组合密封,胶心由特殊材料制成。利用美国高级有限元工程软件ANSYS,通过有限元计算对内部与外部形状进行优化设计,最终采用方密封段与圆密封段组合密封、中间带有辅助密封腔的整体结构。现场使用表明,这种结构形式的密封效果良好,完全达到设计指标。(2)旋转机构的设计方补心设计XZ-I1-05型旋转防喷器的旋转部分包括压盖、叉式方补心、中心管、上轴承和圆锥滚子轴承。压盖为旋转机构的关键零件,既要具有一定的过工具功能,又要传递动力,实现整套机构的旋转密封。方补心为一特殊设计的叉式结构,由方钻杆驱动。整套组件具有安装方便、旋转灵活、安全可靠等特点。(3)化学加密封XZ-I1-05型旋转防喷器的辅助部分包括底座、外壳体和调节螺栓等零件,在井口可实现快速装卸胶心和旋转密封件,能及时调整V形密封圈的密封压力,以适应不同井下工况。3.1.3胶心密封.为半静态密封将xz-I1-05型旋转防喷器安装在大修井的井口上,通过胶心的设计预紧力实现对正常起下钻杆的密封。方钻杆的密封由胶心的方密封段实现.圆密封段起辅助密封作用。由于整体结构设计的新颖性,钻进或造扣时,胶心与钻杆一起旋转,变普通的动态密封为半静态密封,基本消除周向相对位移,密封效果良好。当井内出现高反冲压力时,胶心在油套环空液体压力的作用下,变形收缩,抱紧钻具,可有效地防止井喷。在密封压力范围内,压力越高,密封效果越好。3.2旋转防喷器要求高研制的FX28-35旋转防喷器拟首先应用到新疆塔河工区和四川盆地川西工区。新疆塔河油田油藏地层低压易漏、深度在地表5000m以下,使用欠平衡钻井钻水平井提高钻井效率和油层产能。钻井过程中钻头主要由螺杆钻具驱动,钻杆钻速低,相应旋转防喷器内部转速不高,但工作时间长。川西地区是属于致密砂岩浅层气藏,高压低渗透,欠平衡钻井过程中可能出现很高的井口压力,能够在较高的井口压力下边喷边钻是对旋转防喷器的要求。综合这些实施欠平衡钻井的实际使用要求,各有关方面共同确定新研制的旋转防喷器性能与当前进口旋转防喷器性能相当,操作简单可靠,更换易损件后,一次能完成一口通常的欠平衡井。3.2.1压力和转速(1)封井最高工作压力;旋转钻进状态:最高17.5MPa;静止封钻杆状态:35MPa;封零状态:17.5MPa。(2)工作转速最高100r/min。(3)易损密封件寿命密封胶芯使用一口井以上;旋转动密封连续工作120h以上。3.2.2旋转防喷器内总体设计上,综合现有几种旋转防喷器的使用情况,分析研制旋转防喷器有几大难点,主要集中在密封胶芯、旋转动密封及轴承上。旋转防喷器结构采用与环形防喷器类似的结构,井筒封闭形式采用由液力驱动压迫密封胶芯封闭井口,封井力度跟踪井压自动补偿。控制系统机电液一体化,所有电气设备都根据油田防爆要求设计制造。3.2.2.旋转防喷器及密封的选择主机分为壳体、旋转总成和密封胶芯等部件。(1)结构主体结构遵守API规范16A,底部为符合API标准的135/8″~5000PSI标准法兰;选用密封钢圈为“BX160”。顶部为符合API标准的11″~5000PSI法兰螺栓孔;选用密封钢圈为“RX54”。外壳整体进行有限元强度校核,按照压力容器额定压力35MPa,试压70MPa计算。壳体为铸钢件,抗硫化氢设计。旋转总成通过密封胶芯抱紧的钻具直接驱动,不采用专门驱动器。简化结构的同时也简化操作,旋转防喷器内通孔及密封胶芯自由状态通径280mm,开钻和换钻头时钻头直接通过。(2)密封胶芯密封胶芯采用与11″环形防喷器通用的胶芯。胶芯补偿胶量大,抗磨损寿命相对较长;采取主动抱紧密封形式,低压不易泄漏,同时井口压力对胶芯起助封作用。(3)旋转动密封旋转防喷器具有27.94cm(280mm)的通径,决定了旋转动密封直径大,工作线速度高,而密封压力为中高压,一般旋转动无法胜任,前后根据参数选用的几种密封通过试验只有一种能够符合要求。静密封最高工作压力35MPa,旋转密封最高工作压力17.5MPa,最高线速度1.7m/s。最终选择kalsi密封。这种密封圈有波浪状唇边,并且在密封槽安装时稍微扭曲,工作时依靠允许的微量泄漏液压油润滑冷却自身。3.2.2.采取润滑冷却轴承功能:①旋转防喷器利用液压缸完成关闭和打开胶芯动作,并且关闭状态的推力跟随井口压力成正比例变化,旋转时油液穿过油缸内部循环润滑冷却轴承;②以35MPa压力进行紧急关闭;全关闭行程时间30s。3.3高压旋转防喷器四川石油钻采院机械设计中心研制开发了动密封压力10.5MPa,静密封压力21MPa,具有双胶芯密封结构的高压旋转防喷器。经试验和现场使用证明,效果良好。3.3.1旋转防喷器和于结构内的旋转胶芯该旋转防喷器主要由旋转总成、壳体总成和控制冷却循环装置三部分组成。旋转总成和壳体通过卡箍连接。控制冷却循环装置包括液压动力房、控制箱两大部分,它们通过高压软管与旋转防喷器连接。欠平衡钻进时,方钻杆通过旋转防喷器上的旋转补心总成,带动转动套、中心管及上、下部橡胶密封胶芯与钻柱一起旋转。橡胶密封胶芯依靠自身的弹性变形和井压助封来对钻柱周围实施密封。胶芯受到一定程度磨损后,可通过液压胶囊施以外压,实施主动补偿密封。控制冷却循环装置用以控制液动卡箍的开启和关闭、润滑冷却轴承和密封盘根。3.3.2特色与创新(1)双胶芯密封该旋转防喷器采用目前国外较高压力等级旋转防喷器通常采用的双胶芯密封结构,密封性能可靠。而该产品不仅可以密封六方钻杆,同时也可以密封国内普遍采用的四方钻杆,因而更适合中国国情使用。(2)利用压力和液压胶囊来挤压上部胶芯,进行主动补偿密封该旋转防喷器设计的液压胶囊助封装置,在下部胶芯和上部胶芯都磨损泄漏的情况下,可通过向设计的液压胶囊内注入液压油,使其强行向内挤压上部胶芯,迫使上部胶芯抱紧钻具,实施主动补偿密封。该装置能有效地延长胶芯密封使用时间。(3)卡菌带胶芯更换该旋转防喷器在需更换下部密封胶芯时,只需将卡箍松开,就可将旋转总成整体取出更换胶芯;更换上部密封胶芯时,只需将上部的卡扣筒转动90°,即可方便地取出胶芯,拆装省时方便。(4)自动化程度高该旋转防喷器使用液动卡箍连接壳体与旋转总成,无须人员手工操作,自动化程度高。其中自动安全锁紧装置能保证卡箍在意外情况下安全锁紧,并提供有可与液动卡箍互换的手动卡箍,无需液控系统也能单独使用。(5)油连续压碎渣液旋转总成设计有润滑油注入与排出通道,能对轴承进行连续压力循环润滑。在使用中,轴承浸没在润滑油中,使其能够保证得到充分地冷却和润滑。(6)具有研磨矫正和抗磨性专利技术根据现场使用的钻机普遍存在井架、转盘与井口不对中的情况,该旋转防喷器设计有防磨扶正套,能有效地延长轴承使用寿命。3.3.3主要技术(1)防喷器最大可通过钻具尺寸,适用钻具:ϕ127、ϕ89、ϕ73钻杆及相应的六方、四方等方钻杆;适用介质:空气、泡沫及其它各种钻井液;防喷器最大可通过钻具尺寸:ϕ196.8;适用温度:井口温度<100℃。(2)压力及转速主通径:ϕ350、ϕ280、ϕ230;侧通径:ϕ180;工作压力:动压10.5MPa;静压21MPa;最大转速:100r/min;总体尺寸为旋转防喷器总高为1580mm,旋转总成外径518mm。4旋转防喷器内部组件到目前为止,国内仅有少数几个厂家生产旋转防喷器。但随着国内各油田负压钻井技术的研究和应用发展,国内旋转防喷器产品的开发与应用必将加速发展。(1)密封压力等级越来越高,应用范围越来越广,动密封压力从3.5MPa提高到17.5MPa,静密封压力从7MPa提高到35MPa,应用范围从空气钻井发展到地热钻井、油气井及修井作业,从陆上钻井发展到海洋钻井。(2)由于旋转防喷器内部组件承受推力载荷,轴承组会