旋轉防噴器技術的發(fā)展與應用

旋轉防噴器技術的發(fā)展與應用

1井的必要設備旋轉避灰裝置是一種重要的口腔安全監(jiān)控器，也是孔壓結構、鉆探和油氣擠出所必需的設備之一。旋轉防噴器安裝在防噴器組的最上部,作為控制設備的補充,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,同時具有將井眼返出流體導離井口的作用,提高鉆井效率,較少造成地層損害,還能降低對環(huán)境的污染。2旋轉防噴器技術旋轉防噴器并不是一個新概念,20世紀60年代在不增加油氣價格的前提下,美國和其他國家致力于研究更有效和更經濟的工具和裝備,開始出現(xiàn)旋轉防噴器的雛形。最初設計的旋轉防噴器只用于空氣鉆井,后來發(fā)展了用于鉆井液、氣體鉆井和地熱鉆井的旋轉防噴器。再后來又發(fā)展了用于高壓井口邊噴邊鉆(即欠平衡鉆井)的旋轉防噴器。當今,旋轉防噴器技術已成為降低鉆井成本、提高單井質量的一項重要技術。旋轉防噴器技術的最新發(fā)展擴大了欠平衡鉆井技術的使用范圍,使該項技術的使用日益廣泛,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使用。而且,在那些還未進行欠平衡鉆井的地區(qū),旋轉防噴器可用于強化安全和環(huán)境保護,在美國和加拿大約有三分之一的鉆機在鉆井過程中都使用旋轉防噴器。在北海南部,旋轉防噴器已經在20多口自升式平臺井上應用。在海上深水油田也開始應用欠平衡鉆井裝備,如巴西海上Campos盆地深水油田。即使不實施欠平衡鉆井技術的地區(qū),仍然可以通過應用欠平衡鉆井設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,國外旋轉防噴器技術發(fā)展越來越成熟,品種類型較多,主要有美國Williams公司的系列旋轉防噴器、sea-tech公司的旋轉防噴器、varco公司的Shaffer系列旋轉防噴器及加拿大高山公司的膨脹膠囊型旋轉防噴器。我國各油田成功的鉆井相繼使用了欠平衡鉆井技術,所使用旋轉防噴器都是進口產品。目前國產旋轉防噴器技術還在發(fā)展階段,產品類型以及應用還很有限,下面介紹幾種主要的國產旋轉防噴器。3一些國內旋轉避噴器3.1旋轉防噴器的研制大慶、勝利、遼河等全國各大油田已相繼進人開發(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、側鉆等無法正常進行,為此,勝利石油管理局采油工藝研究院對勝利油田各采油廠的井況,以及油井大修工藝和措施進行了詳細調研,并在吸取國外相關產品先進技術的基礎上,研制出一種能可靠密封旋轉鉆具和油套環(huán)形空間的井口密封裝置,即XZ-I1-05型旋轉防噴器。3.1.1主要參數(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結構特征XZ-I1-05型旋轉防噴器是大修用井口密封設備,可以實現(xiàn)井口密閉循環(huán),防止污油污水入井對地層造成傷害,并能有效防止井噴事故。(1)密封機構的密封XZ-I1-05型旋轉防噴器的密封部分主要包括旋轉密封膠心、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,膠心由特殊材料制成。利用美國高級有限元工程軟件ANSYS,通過有限元計算對內部與外部形狀進行優(yōu)化設計,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構?，F(xiàn)場使用表明,這種結構形式的密封效果良好,完全達到設計指標。(2)旋轉機構的設計方補心設計XZ-I1-05型旋轉防噴器的旋轉部分包括壓蓋、叉式方補心、中心管、上軸承和圓錐滾子軸承。壓蓋為旋轉機構的關鍵零件,既要具有一定的過工具功能,又要傳遞動力,實現(xiàn)整套機構的旋轉密封。方補心為一特殊設計的叉式結構,由方鉆桿驅動。整套組件具有安裝方便、旋轉靈活、安全可靠等特點。(3)化學加密封XZ-I1-05型旋轉防噴器的輔助部分包括底座、外殼體和調節(jié)螺栓等零件,在井口可實現(xiàn)快速裝卸膠心和旋轉密封件,能及時調整V形密封圈的密封壓力,以適應不同井下工況。3.1.3膠心密封.為半靜態(tài)密封將xz-I1-05型旋轉防噴器安裝在大修井的井口上,通過膠心的設計預緊力實現(xiàn)對正常起下鉆桿的密封。方鉆桿的密封由膠心的方密封段實現(xiàn).圓密封段起輔助密封作用。由于整體結構設計的新穎性,鉆進或造扣時,膠心與鉆桿一起旋轉,變普通的動態(tài)密封為半靜態(tài)密封,基本消除周向相對位移,密封效果良好。當井內出現(xiàn)高反沖壓力時,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,壓力越高,密封效果越好。3.2旋轉防噴器要求高研制的FX28-35旋轉防噴器擬首先應用到新疆塔河工區(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能。鉆井過程中鉆頭主要由螺桿鉆具驅動,鉆桿鉆速低,相應旋轉防噴器內部轉速不高,但工作時間長。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旋轉防噴器的要求。綜合這些實施欠平衡鉆井的實際使用要求,各有關方面共同確定新研制的旋轉防噴器性能與當前進口旋轉防噴器性能相當,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壓力和轉速(1)封井最高工作壓力;旋轉鉆進狀態(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;旋轉動密封連續(xù)工作120h以上。3.2.2旋轉防噴器內總體設計上,綜合現(xiàn)有幾種旋轉防噴器的使用情況,分析研制旋轉防噴器有幾大難點,主要集中在密封膠芯、旋轉動密封及軸承上。旋轉防噴器結構采用與環(huán)形防噴器類似的結構,井筒封閉形式采用由液力驅動壓迫密封膠芯封閉井口,封井力度跟蹤井壓自動補償。控制系統(tǒng)機電液一體化,所有電氣設備都根據油田防爆要求設計制造。3.2.2.旋轉防噴器及密封的選擇主機分為殼體、旋轉總成和密封膠芯等部件。(1)結構主體結構遵守API規(guī)范16A,底部為符合API標準的135/8″~5000PSI標準法蘭;選用密封鋼圈為“BX160”。頂部為符合API標準的11″~5000PSI法蘭螺栓孔;選用密封鋼圈為“RX54”。外殼整體進行有限元強度校核,按照壓力容器額定壓力35MPa,試壓70MPa計算。殼體為鑄鋼件,抗硫化氫設計。旋轉總成通過密封膠芯抱緊的鉆具直接驅動,不采用專門驅動器。簡化結構的同時也簡化操作,旋轉防噴器內通孔及密封膠芯自由狀態(tài)通徑280mm,開鉆和換鉆頭時鉆頭直接通過。(2)密封膠芯密封膠芯采用與11″環(huán)形防噴器通用的膠芯。膠芯補償膠量大,抗磨損壽命相對較長;采取主動抱緊密封形式,低壓不易泄漏,同時井口壓力對膠芯起助封作用。(3)旋轉動密封旋轉防噴器具有27.94cm(280mm)的通徑,決定了旋轉動密封直徑大,工作線速度高,而密封壓力為中高壓,一般旋轉動無法勝任,前后根據參數選用的幾種密封通過試驗只有一種能夠符合要求。靜密封最高工作壓力35MPa,旋轉密封最高工作壓力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稍微扭曲,工作時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旋轉防噴器利用液壓缸完成關閉和打開膠芯動作,并且關閉狀態(tài)的推力跟隨井口壓力成正比例變化,旋轉時油液穿過油缸內部循環(huán)潤滑冷卻軸承;②以35MPa壓力進行緊急關閉;全關閉行程時間30s。3.3高壓旋轉防噴器四川石油鉆采院機械設計中心研制開發(fā)了動密封壓力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。經試驗和現(xiàn)場使用證明,效果良好。3.3.1旋轉防噴器和于結構內的旋轉膠芯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)裝置三部分組成。旋轉總成和殼體通過卡箍連接?？刂评鋮s循環(huán)裝置包括液壓動力房、控制箱兩大部分,它們通過高壓軟管與旋轉防噴器連接。欠平衡鉆進時,方鉆桿通過旋轉防噴器上的旋轉補心總成,帶動轉動套、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對鉆柱周圍實施密封。膠芯受到一定程度磨損后,可通過液壓膠囊施以外壓,實施主動補償密封。控制冷卻循環(huán)裝置用以控制液動卡箍的開啟和關閉、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。而該產品不僅可以密封六方鉆桿,同時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使用。(2)利用壓力和液壓膠囊來擠壓上部膠芯,進行主動補償密封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,可通過向設計的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,實施主動補償密封。該裝置能有效地延長膠芯密封使用時間。(3)卡菌帶膠芯更換該旋轉防噴器在需更換下部密封膠芯時,只需將卡箍松開,就可將旋轉總成整體取出更換膠芯;更換上部密封膠芯時,只需將上部的卡扣筒轉動90°,即可方便地取出膠芯,拆裝省時方便。(4)自動化程度高該旋轉防噴器使用液動卡箍連接殼體與旋轉總成,無須人員手工操作,自動化程度高。其中自動安全鎖緊裝置能保證卡箍在意外情況下安全鎖緊,并提供有可與液動卡箍互換的手動卡箍,無需液控系統(tǒng)也能單獨使用。(5)油連續(xù)壓碎渣液旋轉總成設計有潤滑油注入與排出通道,能對軸承進行連續(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根據現(xiàn)場使用的鉆機普遍存在井架、轉盤與井口不對中的情況,該旋轉防噴器設計有防磨扶正套,能有效地延長軸承使用壽命。3.3.3主要技術(1)防噴器最大可通過鉆具尺寸,適用鉆具:?127、?89、?73鉆桿及相應的六方、四方等方鉆桿;適用介質: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)壓力及轉速主通徑:?350、?280、?230;側通徑:?180;工作壓力:動壓10.5MPa;靜壓21MPa;最大轉速:100r/min;總體尺寸為旋轉防噴器總高為1580mm,旋轉總成外徑518mm。4旋轉防噴器內部組件到目前為止,國內僅有少數幾個廠家生產旋轉防噴器。但隨著國內各油田負壓鉆井技術的研究和應用發(fā)展,國內旋轉防噴器產品的開發(fā)與應用必將加速發(fā)展。(1)密封壓力等級越來越高,應用范圍越來越廣,動密封壓力從3.5MPa提高到17.5MPa,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),從陸上鉆井發(fā)展到海洋鉆井。(2)由于旋轉防噴器內部組件承受推力載荷,軸承組會