煤層氣欠平衡鉆井專用旋轉(zhuǎn)控制頭在鄭試平4H井的應(yīng)用

王國榮雷中清成 兵魏曉東李大彬劉 洋

（1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610500；2.川慶鉆探國際工程公司工程技術(shù)部，四川成都 610051）

煤層氣欠平衡鉆井專用旋轉(zhuǎn)控制頭在鄭試平4H井的應(yīng)用

王國榮1雷中清1成 兵2魏曉東1李大彬1劉 洋1

（1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610500；2.川慶鉆探國際工程公司工程技術(shù)部，四川成都 610051）

為了完善煤層氣欠平衡鉆井國產(chǎn)配套設(shè)備，縮短鉆井周期，降低移運(yùn)成本，設(shè)計(jì)并試制了煤層氣鉆井專用低壓小型旋轉(zhuǎn)控制頭，并在沁水盆地鄭莊區(qū)塊鄭試平4 Н井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。檢驗(yàn)了旋轉(zhuǎn)控制頭與欠平衡鉆井工藝的匹配性能，測試了旋轉(zhuǎn)控制頭的整體使用性能，證明了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。該設(shè)備可有效密封井口環(huán)空壓力，軸承組、動(dòng)密封件以及潤滑冷卻系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)479 h情況下無任何異常狀況，順利地將鉆井液導(dǎo)入泥漿罐。理論與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)控制頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，冷卻潤滑系統(tǒng)可以有效保護(hù)動(dòng)密封件及軸承組，膠芯壽命滿足現(xiàn)場使用要求，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

煤層氣井；欠平衡鉆井；旋轉(zhuǎn)控制頭；動(dòng)密封；冷卻潤滑；現(xiàn)場試驗(yàn)

現(xiàn)階段我國煤層氣鉆井技術(shù)單一，鉆井技術(shù)、裝備和工具大都從石油鉆井中借鑒，與煤層氣鉆井的特殊工況不配套，導(dǎo)致鉆井成本高，并且我國煤層特殊的低壓、低飽和、低滲透和高含氣量的地質(zhì)條件又造成煤層氣井單井產(chǎn)量低。單井產(chǎn)量低、鉆井成本高、鉆井技術(shù)不配套、專用工具及裝備匱乏等成為限制煤層氣大規(guī)模開發(fā)的重要因素，而研制適用于煤層氣鉆井技術(shù)的專用工具及裝備是解決這些問題的有效途徑之一［1-6］。為此，中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院與西南石油大學(xué)聯(lián)合研制并應(yīng)用了煤層氣欠平衡鉆井專用低壓小型旋轉(zhuǎn)控制頭，完善了煤層氣欠平衡鉆井的配套設(shè)備，滿足了煤層氣欠平衡鉆井技術(shù)的需要。

1 旋轉(zhuǎn)控制頭的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 組成與工作原理

煤層氣欠平衡鉆井專用小型低壓旋轉(zhuǎn)控制頭由旋轉(zhuǎn)控制頭本體（分為旋轉(zhuǎn)總成、卡箍總成、殼體總成3個(gè)部分）和潤滑冷卻系統(tǒng)組成（見圖1）。旋轉(zhuǎn)總成的作用是封隔井口壓力和實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。殼體是旋轉(zhuǎn)控制頭的主要承壓件，主要承受井口壓力和鉆井液的沖蝕作用，并將鉆井液順利導(dǎo)出井口進(jìn)入泥漿罐。卡箍為旋轉(zhuǎn)總成和殼體本體的連接件，固定時(shí)自動(dòng)校正旋轉(zhuǎn)總成相對(duì)于殼體垂直。潤滑冷卻系統(tǒng)同時(shí)對(duì)旋轉(zhuǎn)總成內(nèi)軸承組及動(dòng)密封盤根進(jìn)行潤滑冷卻［7-9］。

圖1 旋轉(zhuǎn)控制頭

該工具的特點(diǎn)是：整個(gè)旋轉(zhuǎn)控制頭全部零件實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，旋轉(zhuǎn)控制頭生產(chǎn)制造成本得到有效控制，相比現(xiàn)有產(chǎn)品其體積小、重量輕、便于運(yùn)輸，有利于降低煤層氣欠平衡鉆井成本［10］。旋轉(zhuǎn)總成內(nèi)設(shè)計(jì)單油路雙循環(huán)冷卻潤滑方式（見圖2），冷卻潤滑油經(jīng)入口進(jìn)入總成，上部油路冷卻潤滑軸承組，下部油路冷卻潤滑動(dòng)密封盤根，潤滑的同時(shí)帶走摩擦產(chǎn)生熱量，兩部分循環(huán)液同時(shí)返出到出油口，進(jìn)入冷卻循環(huán)系統(tǒng)，使旋轉(zhuǎn)總成內(nèi)最關(guān)鍵零部件得到良好的潤滑冷卻。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使產(chǎn)品在加工制造時(shí)工藝步驟減少，生產(chǎn)制造成本降低。

圖2 旋轉(zhuǎn)總成內(nèi)循環(huán)油路的結(jié)構(gòu)

1.2 技術(shù)參數(shù)

旋轉(zhuǎn)控制頭的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 旋轉(zhuǎn)控制頭的主要技術(shù)參數(shù)

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2010年11月22日至12月17日，西南石油大學(xué)與渤海鉆探工程技術(shù)研究院聯(lián)合，在沁水盆地鄭莊區(qū)塊鄭試平4Н井三開階段（總進(jìn)尺4000 m）進(jìn)行了小型低壓旋轉(zhuǎn)控制頭的現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，并取得較好的效果。

2.1 操作步驟

在鄭平試4Н井三開階段對(duì)旋轉(zhuǎn)控制頭進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，操作步驟如下：（1）安裝殼體本體及卡箍總成；（2）試壓；（3）穿膠芯；（4）安裝旋轉(zhuǎn)總成；（5）連接冷卻潤滑系統(tǒng)；（6）檢查各連接處；（7）開啟冷卻潤滑系統(tǒng)。

2.2 試驗(yàn)井概況

鄭試平4Н井為多分支水平井（見圖3），井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見表2。

圖3 鄭試平4Н井井眼軌跡示意圖

表2 鄭試平4Н井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該井設(shè)計(jì)總進(jìn)尺為4920.72 m，其中煤層段總進(jìn)尺為4000 m。2010年11月23日鄭試平4Н井三開鉆進(jìn)，井口裝置由原來的閘板防噴器上的溢流導(dǎo)管換為小型低壓旋轉(zhuǎn)控制頭，掃完水泥塞后自838.91 m開始造斜，實(shí)施與直井鄭試平4V井的穿針工藝，連通后鄭試平4V井井口布置充氣設(shè)備，以實(shí)施欠平衡鉆井技術(shù)，達(dá)到保護(hù)儲(chǔ)層和提高鉆井速度的目的。

2.3 欠平衡鉆井及井口配套裝置

欠平衡鉆井技術(shù)的實(shí)施是在鄭試平4V井井口充氣，經(jīng)過井底三相流充分混合，從鄭試平4Н井環(huán)空返出井口，進(jìn)入泥漿罐。三開鉆井液介質(zhì)為清水。

鄭試平4V井充氣裝置為空壓機(jī)及增壓機(jī)各2臺(tái)（1套備用），空氣經(jīng)壓縮機(jī)一級(jí)壓縮進(jìn)入增壓機(jī)二級(jí)壓縮，至鄭試平4V井井口壓力為6.2 MPa左右，最大壓力為8.2 MPa，最小壓力為4.2 MPa。經(jīng)混合返出到鄭試平4Н井井口環(huán)空時(shí)壓力為1.2 MPa，即旋轉(zhuǎn)控制頭要能夠密封0～1.2 MPa范圍內(nèi)的壓力，將鉆井液順利導(dǎo)入泥漿罐。

2.4 鉆井參數(shù)

（1）鉆進(jìn)參數(shù)。鉆壓20～50 kN，轉(zhuǎn)速為螺桿鉆具轉(zhuǎn)速+頂驅(qū)轉(zhuǎn)速20～30 r/min，機(jī)械鉆速10～20 m/h。

（2）水力參數(shù)。排量13～15 L/s，立管壓力9～12 MPa，井口環(huán)空壓力1～1.2 MPa，鉆井液密度1.0 g/cm3。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 密封效果

現(xiàn)場試驗(yàn)期間，從鄭試平4Н井三開開始至結(jié)束的25 d（其中停鉆3 d等待充氣設(shè)備）內(nèi)，旋轉(zhuǎn)控制頭總共運(yùn)行時(shí)間為479 h，共使用6個(gè)膠芯，平均每個(gè)膠芯使用80 h后出現(xiàn)磨損泄漏。

鉆桿正常鉆進(jìn)起下鉆22次，其中不包括穿針、連通階段下各種工具以及倒劃眼、循環(huán)鉆井液清理巖屑時(shí)起下鉆次數(shù)。保守計(jì)算，起鉆及下鉆膠芯穿過鉆桿的長度大于12 000 m。各種使用工況下膠芯使用時(shí)間證明，旋轉(zhuǎn)控制頭密封效果良好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，各膠芯使用情況見表3。

表3 膠芯使用情況

根據(jù)膠芯損壞現(xiàn)象，判斷分析膠芯損壞原因?yàn)椋荷咸?、下放鉆桿時(shí)接頭以及大鉗夾傷部分毛刺刮劃傷膠芯內(nèi)孔，而后鉆桿旋轉(zhuǎn)加劇磨損（見圖4）。

圖4 損壞的膠芯照片

3.2 冷卻潤滑效果

潤滑冷卻系統(tǒng)在479 h無故障情況下保證了旋轉(zhuǎn)總成的正常使用，軸承組無異常響聲，動(dòng)密封盤根無泄漏。由于該系統(tǒng)設(shè)有加熱裝置和散熱裝置，所以潤滑油無異常溫升，最低溫度0 ℃，最高溫度27℃，可見冷卻潤滑系統(tǒng)的可靠性完全能夠滿足現(xiàn)場使用要求，冷卻潤滑效果良好。

4 結(jié)論及建議

（1）旋轉(zhuǎn)總成軸承組以及動(dòng)密封盤根使用同一冷卻潤滑通道，減少了機(jī)械加工工藝步驟，減小了設(shè)備體積，降低制造成本。

（2）完善了煤層氣欠平衡鉆井的配套設(shè)備，并且實(shí)現(xiàn)了井口環(huán)空低壓密封。

（3）建議施工井隊(duì)及時(shí)對(duì)鉆桿接頭處毛刺打磨處理，并在煤層氣欠平衡鉆井技術(shù)中推廣小型低壓旋轉(zhuǎn)控制頭，加快煤層氣勘探開發(fā)的步伐。

（4）下一步卡箍連接處改手動(dòng)鎖緊裝置為液壓鎖緊裝置，并對(duì)膠芯的耐磨性做進(jìn)一步研究。

［1］田中蘭，喬磊，蘇義腦.鄭平01-1煤層氣多分支水平井優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)踐［J］.石油鉆采工藝，2010，32（2）：26-29.

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［5］НANNEGAN. Applications widening for rotating control head［J］. Drilling Contractor, 1996, 52（4）: 17-19.

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［7］魏曉東，王國榮，王斌，等.煤層氣欠平衡鉆井專用旋轉(zhuǎn)控制頭方案設(shè)計(jì)［J］.石油礦場機(jī)械，2010，39（9）：29-23.

［8］金迅.旋轉(zhuǎn)控制頭工作機(jī)理研究及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［D］.四川成都：西南石油大學(xué)，2004：26-35.

［9］趙衛(wèi)紅，鄒楓.旋轉(zhuǎn)控制頭在負(fù)壓鉆井中的應(yīng)用［J］.石油鉆探技術(shù)，1999，27（2）：40-41.

［10］GARLAND V F, GARY P, GLENN L A, et al. Rotary drilling head assembly［P］. US6354385В1, 2002.

（修改稿收到日期 2011-04-07）

〔編輯 朱 偉〕

Field test of special rotary control head in CBM well under-balanced drilling in Well ZHP4H

WANG Guorong1, LEI Zhongqing1, CНENG Вing2,WEI Xiaodong1, LI Dabin1, LIU Yang1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2. International Engineering CO. of Chuanqing Drilling and Exploration CO., Chengdu 610051, China)

In order to prefect domestic corollary equipment of under-balanced drilling in CВM development, reduce drilling cycle and the transportation cost, we designed and manufactured a special rotary control head with low pressure and fine type for CВM reservoir drilling and conducted the field test in well ZНP4Н Вlock Zhengzhuang Qinshui basin. Matching performance of rotary control head and under-balanced drilling technology has been examined. The rotary control head's overall performance has been tested in field test to prove the rationality of its structural design. This device can seal the pressure of annular space effectively at the wellhead. Вearing group, dynamic seal elements, and lubrication and cooling system were still in perfect performance after 479 hours continuous operation which provide guarantees for implementing under-balanced drilling safely and lead the drilling fluid into the mud tanks smoothly. The theoretical and field experiment results show that the structural design of rotary head is reasonable, and the cooling and lubricating system could protect the dynamic seal elements and bearing group effectively. Meanwhile, the life of rubber core can satisfy the needs of field operation, so the rotary control head worth popularizing in the future.

CВM well; under-balanced drilling; rotary control head; dynamic seal; lubrication and cooling; field test

TE921+.4

A

1000-7393（ 2011 ） 03-0087– 04

國家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”子課題“煤層氣欠平衡鉆井配套技術(shù)研究”（編號(hào)：2008ZX05000-036-003）部分成果。

王國榮，1977年生。主要從事油氣田及煤層氣開發(fā)裝備研究、海洋資源開發(fā)與裝備研究，副教授。電話：028-83037227。E-mail：wanggr@swpu.edu.cn。