FX28_35型旋转防喷器的研制

收稿日期:2003-09-26
作者简介:罗宁根(1972-),男,工程师,1993年毕业于中国地质大学,主要从事钻井平台钻井装备改造技术服务和进口装备的国产化工作。

文章编号:1008-2336(2003)增刊-0106-05
FX28-35型旋转防喷器的研制
罗宁根
(中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司研究院,200120)
摘　要:国内欠平衡钻井普遍实施,要用到的旋转防喷器是关键设备,技术含量高。

国内正进行一种旋转防喷器的研制,它的性能指标参照当前主流相关设备设计。

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,各自的寿命满足实际应用是保证钻井施工安全的关键。

通过大量的元件选型、设计、制造和试验的工作,特别是出厂前的大量模拟欠平衡试验,解决了这些关键问题。

选用高技术含量的元件才能设计生产出高技术产品。

费时费钱的大量的试验是该旋转防喷器获得初步成功的前题。

关键词:旋转防喷器;欠平衡钻井;密封胶芯;动密封
中图分类号:TE931+.1 文献标识码:A
1　引言
二十世纪九十年代美国、加拿大等国油田钻井,为降低钻井成本和提高油井生产能力,在许多硬岩地层和已进入开发中后期的油气田,尤其是钻水平井,实施了大量欠平衡钻井。

旋转防喷器已成为一种重要的设备。

我国许多油田到了中晚期,迫切需要开发新的油田。

许多原先勘探成果不明显的边际油田转为开发,很多地层需要用到欠平衡钻井技术。

1998年以后国内各油田陆续欠平衡钻井所需设备开始实施欠平衡钻井。

旋转防喷器是实现欠平衡钻井的关键设备,目前全部依赖进口,价格昂贵,普遍实施欠平衡钻井受到制约。

1999年原新星石油公司有关领导考虑到系统内实施欠平衡钻井的迫切需要,支持由德州石油机械厂联合我装备研究所等单位在2000年初立项进行旋转防喷器研制。

之后经历两年多时间,整个项目组完成经历从调研、设计出图、加工制造、组装调试到出厂试验最后到新疆塔河油田现场工业试验的工
作。

设备在现场试验过程运转正常。

2　旋转防喷器性能及技术指标
当前欠平衡钻井技术日趋成熟,所用地层范围扩大了,从低压地层到高压地层都有应用,还应用到致密含气地层。

研制的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,更换易损件一次能完成一口通常的欠平衡井。

主要指标为:
(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120小时以上
3　研制总体思路
充分利用我国加入世贸组织后全球市场一体化,进口关键元件相对可能的条件,为保证产品的性能,关键密封元件进口,结构进一步优化。

尽量利用既有技术和设备元件设计出满足新的应用需求的新装备。

主体结构可参考既有的万能防喷器的结构,密封钻具元件可直接利用现有密封胶芯的模具及成熟工艺研制,可降低成本加快进度,在进展不顺利还可以直接使用进口件。

旋转动密封直接选用专业厂家的成熟产品。

4　设计
旋转防喷器由主机(旋转控制头)和控制系统组成。

总体设计上,综合现有几种旋转防喷器(旋转控制头)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。

4.1　旋转防喷器主机设计
主机分为壳体、旋转总成和密封胶芯等部件。

4.1.1　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。

4.1.2　密封胶芯
密封胶芯采用与11”环形防喷器通用的胶芯。

球形胶芯补偿胶量大,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。

密封胶芯采用合成橡胶,环形防喷器胶芯一般要服务多口井,时间可能要一年以上,橡胶易老化而失去足够的弹性,旋转防喷器胶芯抗老化和耐磨性特别是抗撕裂性都要好,并且服务的地区冬天气温很低,低温性能要好。

旋转防喷器胶芯配制要综合以上性能,通过试验确保其具有足够的耐磨损能力即磨损到一定程度后也能封闭额定的井压。

对密封胶芯的基本要求是使用一口井。

4.1.3　旋转动密封
旋转防喷器具有11英寸(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。

4.1.4　轴承
轴承有两种,承受推力的轴承和起扶正作用的轴承。

前一种轴承承受旋转总成上传递过来的油钢推力以及井口流体施加在密封胶芯上的压力。

设计上压力油通过轴承内部,承受的油缸推力远远小于油缸作用在密封胶芯上的力;后一种从减小整体结构尺寸的考虑,轴承剖面做到尽量薄比较有利。

具体设计时保持架不能用铆钉连接,加工时内外圈不变形,是把轴承做到薄的关键。

4.2　控制系统设计
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;⑵以35MPa压力进行紧急关闭;
全关闭行程时间30s。

系统压力通过电磁比例溢流阀建立。

电磁比例溢流阀常开,其电磁铁输入电流变化,比例溢流阀节流形成的备压变化,即系统压力变化。

输入电流由两个分量叠加而成,一个分量预先手动设置,控制系统的初始压力;另一分量通过压力变送器传来的、反映井口压力的的输出电流控制。

井口压力为零时,关闭密封胶芯的系统压力就是通过手动设置反映的初始压力,初始值可以根据胶芯的磨损程度随时调整;当井口有压力时,井口压力反馈到电磁比例阀的输入电流,系统关闭压力升高,系统关闭压力增幅与井口压力成正比。

这样随着井口压力的变化,胶芯封紧钻柱程度跟着变化,确保井口可靠密封。

旋转防喷器工作时液压油穿过内部循环,在进入油箱前通过冷却器散热,冷却器为风冷式,开动风机可加快散热,风机开关自动控制,使油温控制在设定的范围内。

本控制系统电力既为动力又是控制信号,特别针对钻井现场每天需要切换发电机组短时停电的情况控制系统具有断电保护功能。

突然停电时,控制阀切断进出旋转防喷器主机的油路,控制压力得以保持。

如果井内压力很高且复杂,可以选择启动应急关闭系统,把储存在蓄能器的高压油注入主机内油路,密封胶芯关死钻具。

此时钻具不允许活动,关闭油路压力大于井内压力,防止上返泥浆污染旋转防喷器油路。

5　制造与检验
旋转防喷器主机采用较高的加工精度。

两个方面的考虑决定了装配、运动件的加工精度较高。

首先旋转动密封要求运动件对中性好。

安放密封件的座套与旋转轴之间间隙很小,这是高压旋转动密封的要求决定的。

降低运动偏心度来尽量避免旋转动密封受力不均对延长密封件的使用寿命至关重要。

另外旋转总成由钻机通过钻具和密封胶芯之间的摩擦力驱动,降低旋转总成的摩擦阻力可以不打滑的前提下降低密封胶芯的抱紧力,从而延长密封胶芯的寿命,这些通过提高旋转防喷器配合部件、轴承本身及其安装精度来实现。

旋转防喷器主机下壳体外径达1350mm,主要内径810mm,内外有多级台肩,内部凹形截面,加工测量难度大。

壳体为铸钢件,毛坯体积大,应增加、加大冒口等措施防止铸造过程中出现夹砂、缩孔等缺陷。

机加工时,只有重型机床才能加工,可以选择的范围小,同时测量还需专门工具,不是一般厂家具备的能力,这些都可能大大增加制造成本。

几番考察投标企业的能力最后落实加工合同。

6　试验
试验包括中间试验,如铸造壳体的性能试验———在铸造件上采取试棒做拉伸和冲击试验,外壳体水压试验———按照两倍于最大工作压力即70MPa试最大静压强度,并请技术监督部门现场监督,出具了合格证明,以及旋转防喷组装调试后的出厂试验和出厂后工业现场试验。

下面主要说明后两种试验。

6.1　出厂试验
所有部件安装完成进行联机试验。

按照有利于取得试验数据,以及就地解决随时出现的问题的原则,专门设计制造了液压试验台架对旋转防喷器作厂内模拟钻进试验。

试验台架主体是小型井架和动力头,井架上面安装的液压马达和给进油缸分别起旋转和提放钻杆。

远程控制台控制模拟钻进过程的旋转、给进、提升动作,可以改变旋转速度及其方向、给进速度。

试验验证旋转防喷器的全部功能,但主要检测旋转防喷器在长时间运行过程中轴承运转情况、旋转动密封的使用寿命,试验同时检测密封胶芯过节头的耐磨性。

试验中发现了一些问题,取得一些数据。

试验时使用5″方钻杆,模拟井口压力为5MPa,最高转速60rpm。

首先,运转不久扶正轴承的保持架变形,轴承滚子卡死,分析为保持架材料为工程塑料,温度升高后变形卡口变大缩不住滚子。

改用高耐温塑料重做解决问题。

轴承在以后连续工作中运转正常。

再次,能选用的park旋转动密封达不到使用要求,最后选用到的kalsi密封圈满足使用要求。

这种密封属于无泄漏型唇边式密封,试验过程中唇边和轴连续摩擦发热,使用十几个小时后发热
升温到110℃以上,密封件本体塑性变形,密封失效。

后来选择kalsi密封圈,连续工作120小时以上。

这种密封旋转使用中形成微量泄漏,泄漏的液压润滑冷却发热的密封件,实测局部温度60℃以下。

确定选用kalsi密封。

最后,关于密封胶芯的一些数据。

关闭旋转防喷器密封胶芯的最小控制压力3.5MPa左右,旋转防喷器旋转时密封胶芯和方钻杆之间不打滑最小控制压力5MPa。

检测密封胶芯抗磨损性,在井口压力3～5MPa情况下胶芯抱住方钻杆时上下过18°接头846对(次)后,提高井口压力到27MPa,关闭胶芯控制压力21MPa,胶芯无泄漏。

按照钻井时每过一对接头9m计算,胶芯封闭能通过一口井的18°斜坡接头钻杆密封依然有效。

从模拟过接头来看,密封胶芯能保证使用一口井的。

6.2　工业现场试验
旋转防喷器出厂试验完成了关键元件的初步测试,操作满足钻井现场使用要求,达到钻井现场工业实际使用的条件。

通过出厂验收后整套设备运到新疆塔河油田做工业应用试验。

(1)首先安排在TC431侧钻短半径水平井试验。

该井是衰竭的老井侧钻打水平井,根据地层设计水平段实施欠平衡钻井。

在2003年1月打水泥塞过程中井口出现井涌,井队通知关闭旋转防喷器胶芯,封住井口时井口环空压力1.5MPa。

控制住井涌后井队通过放喷管放喷降低井口压力至1.1MPa,同时为防止水泥固住钻具,井队上提了钻具9个立柱。

实际使用中可靠地封住了井喷,并成功带压通过27对钻杆接头200多米5″钻杆。

但最终几百米钻杆被水泥固死,井报废,旋转防喷器没有在欠平衡钻井实施。

(2)到3月份再安排在同一工区TC419侧钻水平井实施欠平衡钻井。

该井也是老井打水平井,老井没有获得工业性油气。

开钻后到接近设计井深一直无好的油气显示,钻井最后可能无法实现负压条件,决定在钻井的最后阶段作模拟欠平衡钻井试验。

5月2日关闭旋转防喷器胶芯封闭井口环空连续旋转钻进30m,共19小时。

转速17～23rpm,井口环空压力0～0.1MPa,由转盘和井底螺杆钻具同时驱动钻进。

5月3日提钻,旋转防喷器胶芯关闭通过上部40柱斜坡接头钻杆后暂停提钻,对密封胶芯过接头后试压3MPa,无泄漏。

整个试验过程没有出现异常情况,设备满足欠平衡钻井工况,旋转防喷器达到了现场使用的要求。

7　结论
国产旋转防喷器投入钻井试用,尽管还没有经历严峻考验,但基本成功。

需要继续试用,找到改进的地方。

国内研制先进的设备可行,但在全球化的今天,通过现代资讯手段,获得技术先进的关键元件为我所用对提高设备技术含量至关重要。

参考文献:
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版社,1985.
The Design and Manufacture of FX28235Type of
Rotating Blowout Preventer
L UO Ning2gen
(Instit ute of S hanghai Of f shore Pet roleum B ranch,S IN O PEC,S hanghai200120,Chi na)
Abstract:While underbalance drilling spreads greatly,rotating blowout preventer,as a kind of high techni2 cal product,is the crucial equipment to control well pressure.A new rotating blowout preventer has being manufactured and tested.It is designed referring to current main similar product in its main preferences.
There are many difficulties during the new rotating blowout preventer’s manufacture and test,they concen2 trate on spherical seal,dynamic seal and bearings.These different parts’work lives determine whether the rotating blowout preventer can run to complete its task.After compared and tested several kinds of parts worldwide many times during simulating underbalance drilling in plant,advanced parts are used in the new rotating blowout preventer to solve the problems above.So get advanced parts,make high technical prod2 ucts.The primary success of the new rotating blowout preventer is resulted from many tests that cost much of time.
K ey w ords:rotating blowout preventer;underbalance drilling;spherical seal;dynamic seal
(上接第99页)体良好,但挖潜增效,减缓原油产量递减难度越来越大。

油藏开发现状及动态特征分析认为花港组油藏目前含水上升过快,应在减缓原油递减同时做好提高油藏采收率的措施研究工作。

进一步完善平湖油气田的开发技术政策,加强油气藏管理,以经济效益为中心,不断挖潜增效,使平湖油气田开发水平再上一个新台阶,力争花港组油藏最终采收率达到40%以上,至2005年累积产油量达到可采储量的80%。

参考文献:
[1]文健,陈荣华,徐宽正.平湖油气田H2油藏特征及其研究意
义[J].中国海上油气(地质),2000,14(2):118-121.
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1995.
[3]陈元千,等.现代油藏工程[M].北京:石油工业出版社,
2001.
Summary of H uagang G roup Oil R eservoir Development,
Pinghu Oil&G as Field
CHAN G Feng
(S hanghai Pet roleum Corporation,S hanghai200041,Chi na)
Abstract:Pinghu oil&gas field,the first developed field in the East China Sea,has been developed for3 years.It started to produce crude oil in November1998and natural gas in April1999.At the end of J une, 2002,the field included7oil wells(4direction,3horizontal)and the produced crude oil,natural gas(in2 cluding dissolve gas),condensate oil are247.2×104m3,11×108m3and18.7×104m3respectively.The oil recovery percent is23.6%,field water cut is61%and natural gas recovery is8.3%.The yearly crude oil output is more than50×104t,the yearly off2take rate is maintained above7%.Looking back the3years’development road,we got a lot of success and as well as lessons and we hope our experience be helpful to the development of other field in the East China Sea.
K ey w ords:Pinghu oil&gas field;development;production feature;horizontal well;formation pressure。