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大通径旋转控制头的研制与应用

作者:邓霖 来源:科学与财富 201901期 时间:2019-09-10

摘 要: 近年来,随着欠平衡钻井技术的适用范围逐渐扩大,特别是以提高机械钻速为主要目的气相欠平衡钻井技术(即气体钻井技术)在西南地区进行了广泛的应用。胜利钻井院研制...

  摘 要: 近年来,随着欠平衡钻井技术的适用范围逐渐扩大,特别是以提高机械钻速为主要目的气相欠平衡钻井技术(即气体钻井技术)在西南地区进行了广泛的应用。胜利钻井院研制了SLXFD型大通径旋转控制头。控制头底座能满足通径680mm及以下尺寸的钻头及井下工具通过,轴承总成适用于外径小于205mm以下钻具通过[1]。该大通径旋转控制头通过系列化底座+井口过度法兰+轴承总成套+轴承总成的组合,能满足多数井深结构下的井口装置和钻具组合。

  关键词: 欠平衡钻井;旋转控制头;研制

  引言

  过去国内实施欠平衡钻井工艺,采用的钻杆多是Φ127mm及以下的钻杆。而根据工艺要求,广泛使用Φ139.7mm钻杆,并且在钻杆接箍上焊接耐磨带。之前,胜利钻井院引进和研制的旋转控制头主要适用于35-35型的井口装置及Φ127mm及以下的钻杆及相应的方钻杆[2]。为了满足使用Φ139.7mm钻杆进行气体钻井的需要,另一方面也为了满足更广泛的井口装置组合。胜利钻井院研制了SLXFD型大通径旋转控制头。经试验和现场使用证明,该旋转控制头适用性广,使用效果良好,能满足大多数欠平衡钻井的需要。

  一、工作原理及主要特点

  1、工作原理

  旋转控制头的主要功能是提供井口压力控制,实现旋转密封,使得钻井作业在井口有压力的情况下能够照常进行。在结构上旋转控制头是通过胶芯包绕钻具来实现密封,通过轴承组来实现旋转——轴承组内滚道随钻具一起转动,外滚道与底座保持固定不动。

  旋转控制头的旋转部分是轴承总成,是旋转控制头最关键的部件。密封胶芯安装于轴承总成上,轴承总成和底座通过卡箍连接。轴承总成是由两个向心扶正轴承和两个推力轴承组成,由上下两个胶芯或单个胶芯实现对钻具包绕密封。胶芯的通径小于钻杆/方钻杆的外径,通过胶芯与钻具的过盈配合实现密封。随着胶芯的磨损,该过盈量不断减小,胶芯将密封不住环空压力,就应该更换胶芯。如图1。

  轴承总成可以通过安装不同型号的轴承套和不同型号的底座配合使用。

  2、主要特点

  1)系列化旋转控制头底座

  在钻井过程中,根据井身结构的不同和井控要求的不同,所采用的井口装置不同。为了适用于不同的井口装置,该旋转控制头设计了68-7型,54-14型,35-35型三种系列化底座,系列化底座配合井口过度法兰使用,可适用于大多数情况下的井口装置。

  2)集约化的轴承总成设计

  通常情况下,一种通径的旋转控制头底座需要配套一种尺寸规格的轴承总成。该旋转控制头采用一种规格的轴承总成,配合68型和54型轴承套,可适用于全系列旋转控制头底座。轴承总成通径为210mm,通过采用不同规格的胶芯,可适用于139.7mm、127mm、89.9mm、73mm钻杆及相应的方钻杆。

  3)轴承总成的密封特点[3]

  轴承总成靠上下动密封形成了一个独立的、密闭的轴承室,采用强制油润滑,水冷却(动力站配备制冷压缩机),工作可靠,寿命较长。

  二、现场应用情况

  钻井、气体钻井等施工。如,2013年4月在元坝27-2井运用该设备进行了泡沫钻井和气体钻井施工

  2.1、基本情况

  元坝27-2井位于四川省苍溪县浙水乡红旗村,构造位置为四川盆地川东北巴中低缓构造元坝区块长兴组四号礁带,是中石化西南油气分公司部署的一口开发井。按照设计要求,一开采用Ф660.4mm钻头开孔,采用泡沫钻井技术钻至井深502m,下入Ф508.0mm套管,水泥浆返至地面,为二开建立井口,安装防喷器。二开采用Ф444.5mm钻头,原则上设计采用气体钻井钻至井深2960m(进入下沙10m左右),下入Ф346.1mm套管封隔上部易塌、易漏地层;若因井下复杂无法继续实施气体钻井施工,按要求提前下套管或转换钻井液钻至设计井深中完。

  2.2、施工情况

  针对不同开次选择的设备组合,见表1

  一开采用泡沫钻井由井深26m,钻进至井深506米。一开泡沫钻井累计进尺480米,纯钻时间147.58h,平均机械钻速3.25m/h;二开于井深506米开始空气钻钻进。钻至井深2952 m,井下出现大量掉块,接单根时上提下放均遇阻,为了井下安全和下一步施工的顺利进行,决定结束空气钻。二开井段气体钻井进尺2445.2m,纯钻进时间152.42h,平均机械钻速16.04m/h。

  施工过程中设备运行平稳、轴承温升正常、密封情况良好。随着设备工作时间的不断加长,在润滑排量不变的前提下,轴承总成润滑油压力与井压间的压差仅由初始阶段的300psi下降为280psi,这说明压差不但确保了轴承总成内部不受污染,还有效的防止了细微颗粒进入动密封面,这种情况下动密封磨损极小。

  结论

  系列化设计使得旋转控制头能够满足大多数情况下的井口装置和钻具组合,设备选用灵活、方便,大大提高了旋转控制头的适用范围[4]。

  通过集约化的设计,使用一种轴承总成配合不同规格的轴承套可满足不同规格的底座,减少了配件种类,节省了研发成本。

  室内试验和现场使用情况表明,该大通径旋转控制头结构先进,性能可靠,操作简单,拆卸、安装方便,胶芯密封持久可靠,满足绝大多数欠平衡钻井施工工艺要求。

  参考文献

  [1]刘宝和.中国石油勘探开发百科全书.工程卷[M].北京:石油工业出版社,2008.11.

  [2]韩来聚.胜利钻井新技术研究创新与应用[C].东营:中国石油大学出版社,2012.9.

  [3]莱昂斯着.空气与气体钻井手册(第三版)[M],杨虎等译.北京:石油工业出版社,2012.3.

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