高壓旋轉控制頭的研制與應用

高壓旋轉控制頭的研制與應用

旋轉控制頭是實施缺陷鉆孔技術的不可或缺的關鍵設備。目前國內各大油田使用的旋轉控制頭均是購買的國外產品,價格十分昂貴。國內原有的旋轉控制頭(旋轉防噴器)是60年代初和80年代末設計的低壓力級別產品。其主要表現(xiàn)為:單膠芯密封結構形式,承壓低,密封性能差,膠芯壽命短,不能滿足現(xiàn)代欠平衡鉆井工藝的需要。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控制頭。經(jīng)試驗和現(xiàn)場使用證明,效果良好。結構原則、特點和參數(shù)1.旋轉控制頭控制該旋轉控制頭主要由旋轉總成、殼體總成和控制冷卻循環(huán)裝置3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2大部分,它們通過高壓軟管與旋轉控制頭連接(見圖1、圖2)。欠平衡鉆進時,方鉆桿通過旋轉控制頭上的旋轉補心總成,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?？刂评鋮s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。2.特色與創(chuàng)新2.1雙膠芯密封試驗該旋轉控制頭采用目前國外較高壓力等級旋轉控制頭通常采用的雙膠芯密封結構,密封性能可靠。國外同類產品只能用于密封六方鉆桿,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。2.2實現(xiàn)主動補償密封該旋轉控制頭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。該裝置為國內首創(chuàng),國外也未見過。2.3卡菌帶膠芯更換該旋轉控制頭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。2.4自動安全成網(wǎng)裝置該旋轉控制頭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,先進于國外產品的手動鎖緊裝置。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。2.5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。2.6具有研磨矯正和抗磨性專利技術根據(jù)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,該旋轉控制頭設計有防磨扶正套,能有效地延長軸承使用壽命。2.7盤開口尺寸該旋轉控制頭結構緊湊,高度低,徑向尺寸小,能用于轉盤開口尺寸為>520及其以上的所有鉆機。由于配備有完善的控制系統(tǒng),冷卻加熱等輔助裝置,使得該旋轉控制頭適用范圍廣,既能用于高溫缺水的環(huán)境,又能用于高寒地區(qū)。3.主要技術3.1空氣、泡沫及其它等方鉆桿適用鉆具:>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;控制頭最大可通過鉆具尺寸:>196.8;適用溫度:井口溫度<100℃。3.2工作壓力及轉速主通徑:>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:旋轉控制頭總高:1580mm,旋轉總成外徑:518mm。試驗和現(xiàn)場應用1.旋轉控制頭現(xiàn)場試驗在四川石油局鉆采研究院井控裝置質檢中心防噴器試驗臺架上進行了密封性能試驗。靜密封試驗壓力21MPa;動密封壓力7~10.5MPa,所用膠芯過接頭300對未損壞,試驗結果符合設計要求。2000年10月30日~11月2日,在四川川西北礦區(qū)平落20井對該旋轉控制頭進行了現(xiàn)場試驗。該次試驗分別用127mm膠芯密封對133mm四方鉆桿和133mm六方鉆桿進行了轉動及靜密封性能試驗。試驗時,轉盤轉速70r/min,密封井壓10.5MPa,轉動時軸承溫升正常,密封情況良好。靜密封試驗壓力仍為21MPa。試驗結果滿足設計要求。2.旋轉控制頭應用2001年10月2日~10月21日,中石化石油勘探開發(fā)研究院德州石油鉆井所在新疆S88井使用我們提供的127mm膠芯。該井轉盤轉速65r/min,膠芯通過鉆具3800m,過接頭壽命近400對,其中有200m套壓在5~9MPa范圍之間。該井實施邊漏邊鉆工藝,過接頭壽命沒有考慮上提下放,如考慮這個因素,壽命遠遠高于400對。2001年10月27日在四川川東地區(qū)東安1井用該旋轉控制頭進行了欠平衡鉆井施工和處理井漏復雜作業(yè)。施工井段1397.59~1689.59m,施工時欠壓值在0.5~3MPa之間,轉盤轉速70r/min。該旋轉控制頭軸承累計運轉775h;共使用上膠芯2只,單只累計通過鉆具分別為7400m和8300m,單只最多過接頭900多對;共使用下膠芯3只,單只累計通過鉆具分別為6000m、5800m和6100m,單只最多過接頭600多對。旋轉控制頭的優(yōu)點(1)試驗和現(xiàn)場使用表明,該旋轉控制頭結構先進,性能可靠,操作簡單,拆卸、安裝