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煤层气欠平衡钻井专用旋转控制头方案设计

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煤层气 平衡 钻井 专用 旋转 控制 方案设计
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2010年 第39卷第9期 第29页石油 矿场 机械 2010,39(9):29~ 33 9 9 Ø c I | : 10012010) 09É k ê 1,¦ S ´ 1,¦ \ 1,ï ; ­ 2,1 Û 2( 都 610500; 京100195) 1 :针对我国煤层气钻井缺乏专用配套工具及装备,煤层气欠平衡钻井技术应用受到限制等现状,开展了煤层气欠平衡钻井专用旋转控制头的研究。根据煤层气钻井的要求及现有石油钻井用旋转控制头的相关标准,对煤层气欠平衡钻井专用旋转控制头进行了方案设计并提出了研究中需要解决的几个关键问题,为产品设计及研发奠定了基础。1 o M :煤层气;欠平衡钻井;旋转控制头;方案设计Ï m s Ë | : T Ó D S M ’ : s . S u 610500, . D es C, 00195, at in BM on to BM CH in CH to be in ; ; 国煤层气钻井技术单一,钻井技术、装备和工具大都从石油钻井中借鉴,与煤层气钻井的特殊工况不配套,导致钻井成本高。我国煤层气藏埋深通常在300~ 2 000 m,需要的钻机小、压力低,而且我国煤层特殊的∀三低#(低压、低饱和度、低渗透)地质条件又造成煤层气井单井产量低[ 1,严重制约我国煤层气大规模开发,其主要因素为单井产量低、钻井成本高、钻井技术不配套、专用工具及装备匮乏等。欠平衡钻井技术由于突出的储层保护能力和较高的钻井速度等特点,使得其在煤层气开采上具有明显的技术优势。发展煤层气欠平衡钻井技术,必须要有与其相适应的工具及装备为支撑。由于煤层气钻井独特的地质条件和特殊的井身结构,直接应用石油钻井的欠平衡钻井工具及装备暴露出成本l à ° ù : 2010 Á [ " :国家科技重大专项∀ 大型油气田及煤层气开发#专题∀ 煤层气欠平衡钻井配套技术研究# ( 2008T € e º :魏晓东( 1982,男,蒙古族,内蒙古通辽人,硕士,主要从事石油天然气装备的现代设计理论及方法方面的研究, 、体积大,不利于迅速搬迁和提高钻速等一系列问题。因此,在现有基础上研制出适用于煤层气欠平衡钻井的专用工具及装备有利于降低单井作业成本,提高钻井速度,增强装备可运移性,对于煤层气开发的总体规划十分必要。1S = “ È  e Å h ‹ ¨ À 1. 1s Ë旋转控制头(又称旋转防喷器)的主要作用是:井眼环空与钻台之间的封隔;提供安全有效的压力控制;将井眼返出的流体导离井口[ 3]。国内外现有旋转控制头按照胶芯密封钻具方式分为被动和主动密封式。a) 动密封密封是靠胶芯与钻具之间的过盈来实现的,井压能够助封。结构简单可靠,安装、拆卸方便,钻进过程中更换胶芯方便迅速,容易保养维护。缺点是胶芯补偿量有限,寿命短,需要与环形防喷器配合使用。b) 动密封环形防喷器基础上研制,靠液压实现打开和关闭胶芯,井压助封,可以代替环形防喷器,其胶芯和环形防喷器实现通用,无钻具时可以封零。相对于被动式而言,安装、拆卸烦琐,钻进过程中更换胶芯需要起钻,结构比较复杂。1. 2? Z C 目前,国外旋转控制头技术发展成熟,品种类型较多,有美国司的 形旋转防喷器,加拿大高山公司膨胀胶囊型旋转控制头等[ 4国内欠平衡钻井作业主要采用 列旋转控制头。在美国,轻便、低压型适用于车载钻机的旋转控制头已得到商业应用,如图1 所示的美国华盛顿牌旋转控制头体积小、结构简单、成本低,高度刚好适用于小型车载钻机(修井机)的底盘高度[ 9]。根据其成本估算,研制煤层气专用旋转控制头可将每台成本降至8万元,每台可节约成本国20世纪60年代曾在四川油气田使用过简单的井口旋转控制装置,但是密封效果差,只起导流作用。之后,重庆矿山机械厂、胜利石油管理局开发生产了相应的旋转控制头产品, 但密封性能较差[ 102000年,川庆钻探工程有限公司石油钻采工艺研究院研发了双胶芯密封结构的高压旋转控制头。近两年又自主研发了单胶芯高压型旋转控制头,其旋转总成如图2所示。其内部设置了冷却腔,动密封盘根冷却效果好。另外,江苏金湖和内江宏生等国内的一些小型石油机械公司也开始研究制造旋转控制头。图 1国华盛顿牌旋转控制头图2 胶芯高压型旋转控制头旋转总成2¿ ª  4 Ü ™ G Ý  ¨ È  e Å h ! 92. 1Z à ! 9我国煤层气藏具有特殊的∀三低#地质条件以及煤层气钻井周期短等特点,要求煤层气欠平衡钻井专用旋转控制头应具有如下特点:结构简单,运移方便;轴承总成可靠性高,动密封性能良好;零件选配方便,便于国产化。基于此,对其进行了方案设计(如图3所示) ,主要包括旋转总成、壳体总成和卡箍总成3个部分,同时包括附属的冷却润滑装置。1È  9 î旋转总成是旋转控制头的关键部件,起到封隔井口压力和实现旋转运动的作用。我国煤层气井井口压力较低,对旋转总成内轴承的作用力相应减小。所以,采用轻型轴承抵抗井口压力产生的轴向力和井口偏心产生的侧向力作用,有利于减小设备体积。轴承和动密封采用压力油统一润滑、冷却。同时,简化了上端动密封,采用∀ O#形圈密封, 更换方便、快捷。油 矿场 机械 010年9月壳体总成; 2∃ 卡箍总成; 3 ∃ 旋转总成图3 T 8 9 î壳体是旋转控制头的主要承压件,主要承受井口压力和钻井液的冲蚀作用。因此,设计要充分考虑冲蚀因素。其破坏一般在壳体本体和旁通口的相贯位置。如图3所示,本设计将旁通口与壳体本体分离,作为一个单独零件。提高了本体旁通位置处的强度,而且一旦旁通零件冲蚀破坏, 单独更换即可。5  9 î如图4所示,卡箍总成采用双锥面结构。上、下锥面结构的不对称性使得其不能完全按照压力容器相关的设计文件进行设计计算,需要针对其具体受力情况建立新的设计理论。由于我国煤层气藏属低压型气藏,且埋藏浅。这样钻过的地层相对较少,压力异常情况少,卡箍采用手动锁紧方式即可满足要求。Ï  Î Á " 却分开进行。轴承主要用油或者润滑脂润滑,动密封件主要为水冷。冷却润滑系统结构复杂,动密封件得不到充分润滑,一定程度上影响了动密封件的寿命。本设计中将轴承与动密封盘根的冷却、润滑合二为一,采用循环润滑、冷却的方式。2. 2³ 1 ³ % ¥ 1 o Ù 5煤层气欠平衡钻井专用旋转控制头的设计有别于现有石油钻井所用旋转控制头,要针对煤层气钻井的特点,进行优化设计。在此过程中需要解决以下几个关键问题:1 ∃ 壳体本体; 2 ∃ 卡箍; 3 ∃ 旋转壳体图4 箍结构截面a) 承是旋转控制头实现旋转运动的主要零件,其配置的合理性将决定旋转控制头的寿命和可靠性。在煤层气欠平衡钻井过程中,防喷器组中的闸板防喷器通常处于开启状态, 仅旋转控制头的胶芯和方钻杆驱动器与方钻杆接触,密封胶芯紧包方钻杆达到在钻井过程中封闭井口的目的,而方钻杆驱动器则驱动控制头旋转总成随方钻杆一起转动。旋转控制头胶芯和方钻杆驱动器接触,不仅要受到井架中心与井眼中心不同轴引起的静态侧向力作用,还要受到方钻杆旋转过程中横向振动产生的动态侧向力作用。同时,由于井口压力、胶芯与钻柱之间的摩擦力、钻柱的纵向振动力等的作用,轴向方向同样要产生静态轴向力和动态轴向力的作用。因此,旋转控制头的轴承要根据煤层气钻井的工况条件、旋转控制头的受力状态进行设计。根据我国煤层气藏埋深浅和∀ 三低#的特殊地质条件,其使用环境要优于常规石油钻井。选配轴承时,在相同压力条件下以选择轻型轴承为主。本设计采用1 组单向推力轴承和 1组深沟球轴承,分别承担轴向力和径向力。深沟球轴承主要承受径向载荷,也可同时承受一定的轴向载荷。当轴承的径向游隙加大时,具有角接触轴承的功能,可承受较大的轴向载荷。在轴向游隙范围内,还允许一定的轴向位移,而且摩擦因数小。单向推力轴承属于分离型轴承利于装配,只能承受轴39卷9期晓东,等:煤层气欠平衡钻井专用旋转控制头方案设计向载荷,限制单向位移。并且 4 轴承的配置刚性必然要好于 2轴承。在钻井施工中, 钻柱本身由于其细长、柔性好,在井口偏斜的情况下,有利于减小因钻柱偏斜产生的侧向力影响, 提高轴承和动密封件的使用寿命。b) 密封结构和动密封件的使用可靠性将决定轴承的使用寿命,一旦泄漏,钻井液进入轴承腔,轴承将很快失效。本设计采用的组合密封结构如图 5 所示,由 2组井压盘根、1组油压盘根和隔环组成。油压盘根直接利用轴承腔室内液压油进行冷却、润滑;井压盘根则是在旋转控制头工作时,液压油通过带孔隔环进入密封接触面进行冷却、润滑。井压盘根要封隔的是钻井液,具有较大的腐蚀性,而且压力是变化的。因此在密封结构设计时,采用了2组密封盘根,增加密封的可靠性;隔环的主要作用是支撑密封盘根,提供冷却、润滑油循环流道。1 ∃ 小隔环; 2 ∃ 带孔隔环; 3 ∃ 油压盘根; 4 ∃ 井压盘根图5 密封组件c) 内进口的旋转控制头大多采用国外的零配件进行设备维护,一旦损坏就要从国外引进,成本很高,因此国产化越来越迫切。本设计以国内研究水平为基础,全部选用国产化材料和生产工艺。d) 设计采用了一种简化结构,系统的关键在于润滑油种类的选择和冷却系统参数的确定。润滑油粘度太低,易发生泄露;粘度太高,流动性和散热性难以保证。在使用过程中,轴承腔室压力和井口压力的压差变化对动密封件使用可靠性的影响等,都需要进行模拟和试验研究,以确定最佳的技术参数。冷却与润滑是旋转控制头能够连续稳定工作的重要保证,这也是该旋转控制头的一大优势。据国内某石油机械公司试验,美国 具公司7100型旋转控制头在去掉水冷却的情况下,上动密封盘根由于是干摩擦,在运行约5 动密封盘根主要是采用滴油润滑,其运行情况良好。所以设计方案中,主要是用循环油对轴承和动密封件进行统一冷却、润滑。采用润滑油对动密封件进行冷却、润滑,主要考虑的是变干摩擦为湿摩擦,利用液流的循环带走摩擦所产生的热量。同时考虑到旋转控制头的转速较低,对润滑油的搅动作用较小,将动密封件的冷却、润滑与轴承合二为一。既实现了2个零部件的冷却、润滑,又简化了设备结构,有利于煤层气钻井周期短、搬运设备频繁的使用条件。冷却、润滑装置的设计方案如图6所示,该旋转控制头依据煤层气井的井口压力,设计压力较低,这在很大程度上减小了轴承的使用载荷,相应的冷却润滑系统要求降低。因此,在满足冷却润滑要求的前提下,降低润滑油压力,节省能源,降低对旋转控制头零件的影响。图6却、润滑系统设计方案3² Ô在设计分析过程中,发现在现有旋转控制头轴承配置中,承受轴向力的轴承其上下配置尺寸基本一致。实际上,旋转控制头主要承受的是井口压力对中心筒的上顶作用,向下的轴向力是上顶力和钻具通过胶芯时摩擦力的矢量和,且井口压力占主要部分。只有在旋转控制头闲置放置和井口安装时,才承受一定的向下轴向力。此力包括中心筒和其他轴承的重力、钻具穿过胶芯时的摩擦力,此力相对于上顶力非常小。因此,在进一步的研究中可针对此特点进行轴承的优化配置。另一方面,现有胶芯主要用于高压工况,用于低压时只进行简单的切除处理,缺乏低压工况用胶芯。因此,可根据我国煤层气开发的需要,设计新型胶芯。由于压力的降低,其体积和灌胶量必然减小,这在一定程度上也有利于旋转控制头壳体结构的进一步优化,更加有利于煤层油 矿场 机械 010年9月39卷第9期 第33页石油 矿场 机械39( 9) : 33~ 37Ó c I | : 10012010) 09 \ ,+ Ò ‚(西南石油大学机电工程学院,成都 610500) 1 :针对套管阀的开关动作可靠性和密封性存在的问题,对套管阀结构进行了部分改进,运用件对密封结构进行优化,对提高套管阀的整体性能具有重要意义。1 o M :井下套管阀;结构改进;优化设计; m s Ë | : T 7 Ó D S M ’ : o f M es t 10500, on to of to of of to at DV 着欠平衡钻井技术的深入研究和推广应用,各石油公司对欠平衡技术的要求越来越高,要求从打开油层开始至完井结束整个过程,井下都要保持欠平衡状态,这就是所说的全过程欠平衡技术[ 1]。气钻井的需要。• I Ó D :[ 1] 卫东,魏J] 2008, 5( 4) : 19 2] ,解,J] 2010, 39( 3) : 79 3] J] 2000,23( 5) : 8 4] . ot J] . 1996, 52( 4) :17 5] J. J ] . R. 1992, 35( 6) : 38 6] M. s J] 1996, 39( 4) : 113 7] A. of a G] . 3931.[ 8] 宗清,宋林松,王岩鹏,J] 2004, 33( 4) : 32 9] S, 4312404[ P] . 1982 10] D] 南石油大学, 2004.[ 11] ,刘春全,J] 2007, 36( 1) : l à ° ù : 2010T € e º :李( 1963,男,四川南充人,副教授,博士研究生,主要从事机电一体化技术、机械动力学及仿真的研究。
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