大通徑旋轉(zhuǎn)控制頭的研制與應(yīng)用

鄧霖

摘 要： 近年來，隨著欠平衡鉆井技術(shù)的適用范圍逐漸擴(kuò)大，特別是以提高機(jī)械鉆速為主要目的氣相欠平衡鉆井技術(shù)（即氣體鉆井技術(shù)）在西南地區(qū)進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用。勝利鉆井院研制了SLXFD型大通徑旋轉(zhuǎn)控制頭?？刂祁^底座能滿足通徑680mm及以下尺寸的鉆頭及井下工具通過，軸承總成適用于外徑小于205mm以下鉆具通過[1]。該大通徑旋轉(zhuǎn)控制頭通過系列化底座+井口過度法蘭+軸承總成套+軸承總成的組合，能滿足多數(shù)井深結(jié)構(gòu)下的井口裝置和鉆具組合。

關(guān)鍵詞： 欠平衡鉆井；旋轉(zhuǎn)控制頭；研制

引言

過去國內(nèi)實(shí)施欠平衡鉆井工藝，采用的鉆桿多是Φ127mm及以下的鉆桿。而根據(jù)工藝要求，廣泛使用Φ139.7mm鉆桿，并且在鉆桿接箍上焊接耐磨帶。之前，勝利鉆井院引進(jìn)和研制的旋轉(zhuǎn)控制頭主要適用于35-35型的井口裝置及Φ127mm及以下的鉆桿及相應(yīng)的方鉆桿[2]。為了滿足使用Φ139.7mm鉆桿進(jìn)行氣體鉆井的需要，另一方面也為了滿足更廣泛的井口裝置組合。勝利鉆井院研制了SLXFD型大通徑旋轉(zhuǎn)控制頭。經(jīng)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)使用證明，該旋轉(zhuǎn)控制頭適用性廣，使用效果良好，能滿足大多數(shù)欠平衡鉆井的需要。

一、工作原理及主要特點(diǎn)

1、工作原理

旋轉(zhuǎn)控制頭的主要功能是提供井口壓力控制，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)密封，使得鉆井作業(yè)在井口有壓力的情況下能夠照常進(jìn)行。在結(jié)構(gòu)上旋轉(zhuǎn)控制頭是通過膠芯包繞鉆具來實(shí)現(xiàn)密封，通過軸承組來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)——軸承組內(nèi)滾道隨鉆具一起轉(zhuǎn)動(dòng)，外滾道與底座保持固定不動(dòng)。

旋轉(zhuǎn)控制頭的旋轉(zhuǎn)部分是軸承總成，是旋轉(zhuǎn)控制頭最關(guān)鍵的部件。密封膠芯安裝于軸承總成上，軸承總成和底座通過卡箍連接。軸承總成是由兩個(gè)向心扶正軸承和兩個(gè)推力軸承組成，由上下兩個(gè)膠芯或單個(gè)膠芯實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆具包繞密封。膠芯的通徑小于鉆桿/方鉆桿的外徑，通過膠芯與鉆具的過盈配合實(shí)現(xiàn)密封。隨著膠芯的磨損，該過盈量不斷減小，膠芯將密封不住環(huán)空壓力，就應(yīng)該更換膠芯。如圖1。

軸承總成可以通過安裝不同型號(hào)的軸承套和不同型號(hào)的底座配合使用。

2、主要特點(diǎn)

1）系列化旋轉(zhuǎn)控制頭底座

在鉆井過程中，根據(jù)井身結(jié)構(gòu)的不同和井控要求的不同，所采用的井口裝置不同。為了適用于不同的井口裝置，該旋轉(zhuǎn)控制頭設(shè)計(jì)了68-7型，54-14型，35-35型三種系列化底座，系列化底座配合井口過度法蘭使用，可適用于大多數(shù)情況下的井口裝置。

2）集約化的軸承總成設(shè)計(jì)

通常情況下，一種通徑的旋轉(zhuǎn)控制頭底座需要配套一種尺寸規(guī)格的軸承總成。該旋轉(zhuǎn)控制頭采用一種規(guī)格的軸承總成，配合68型和54型軸承套，可適用于全系列旋轉(zhuǎn)控制頭底座。軸承總成通徑為210mm，通過采用不同規(guī)格的膠芯，可適用于139.7mm、127mm、89.9mm、73mm鉆桿及相應(yīng)的方鉆桿。

3）軸承總成的密封特點(diǎn)[3]

軸承總成靠上下動(dòng)密封形成了一個(gè)獨(dú)立的、密閉的軸承室，采用強(qiáng)制油潤滑，水冷卻（動(dòng)力站配備制冷壓縮機(jī)），工作可靠，壽命較長。

二、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

鉆井、氣體鉆井等施工。如，2013年4月在元壩27-2井運(yùn)用該設(shè)備進(jìn)行了泡沫鉆井和氣體鉆井施工

2.1、基本情況

元壩27-2井位于四川省蒼溪縣浙水鄉(xiāng)紅旗村，構(gòu)造位置為四川盆地川東北巴中低緩構(gòu)造元壩區(qū)塊長興組四號(hào)礁帶，是中石化西南油氣分公司部署的一口開發(fā)井。按照設(shè)計(jì)要求，一開采用Ф660.4mm鉆頭開孔，采用泡沫鉆井技術(shù)鉆至井深502m，下入Ф508.0mm套管，水泥漿返至地面，為二開建立井口，安裝防噴器。二開采用Ф444.5mm鉆頭，原則上設(shè)計(jì)采用氣體鉆井鉆至井深2960m（進(jìn)入下沙10m左右），下入Ф346.1mm套管封隔上部易塌、易漏地層；若因井下復(fù)雜無法繼續(xù)實(shí)施氣體鉆井施工，按要求提前下套管或轉(zhuǎn)換鉆井液鉆至設(shè)計(jì)井深中完。

2.2、施工情況

針對(duì)不同開次選擇的設(shè)備組合，見表1

一開采用泡沫鉆井由井深26m，鉆進(jìn)至井深506米。一開泡沫鉆井累計(jì)進(jìn)尺480米，純鉆時(shí)間147.58h，平均機(jī)械鉆速3.25m/h；二開于井深506米開始空氣鉆鉆進(jìn)。鉆至井深2952 m，井下出現(xiàn)大量掉塊，接單根時(shí)上提下放均遇阻，為了井下安全和下一步施工的順利進(jìn)行，決定結(jié)束空氣鉆。二開井段氣體鉆井進(jìn)尺2445.2m，純鉆進(jìn)時(shí)間152.42h，平均機(jī)械鉆速16.04m/h。

施工過程中設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)、軸承溫升正常、密封情況良好。隨著設(shè)備工作時(shí)間的不斷加長，在潤滑排量不變的前提下，軸承總成潤滑油壓力與井壓間的壓差僅由初始階段的300psi下降為280psi，這說明壓差不但確保了軸承總成內(nèi)部不受污染，還有效的防止了細(xì)微顆粒進(jìn)入動(dòng)密封面，這種情況下動(dòng)密封磨損極小。

結(jié)論

系列化設(shè)計(jì)使得旋轉(zhuǎn)控制頭能夠滿足大多數(shù)情況下的井口裝置和鉆具組合，設(shè)備選用靈活、方便，大大提高了旋轉(zhuǎn)控制頭的適用范圍[4]。

通過集約化的設(shè)計(jì)，使用一種軸承總成配合不同規(guī)格的軸承套可滿足不同規(guī)格的底座，減少了配件種類，節(jié)省了研發(fā)成本。

室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)使用情況表明，該大通徑旋轉(zhuǎn)控制頭結(jié)構(gòu)先進(jìn)，性能可靠，操作簡(jiǎn)單，拆卸、安裝方便，膠芯密封持久可靠，滿足絕大多數(shù)欠平衡鉆井施工工藝要求。

參考文獻(xiàn)

[1]劉寶和.中國石油勘探開發(fā)百科全書.工程卷[M].北京：石油工業(yè)出版社，2008.11.

[2]韓來聚.勝利鉆井新技術(shù)研究創(chuàng)新與應(yīng)用[C].東營：中國石油大學(xué)出版社，2012.9.

[3]萊昂斯著.空氣與氣體鉆井手冊(cè)（第三版）[M]，楊虎等譯.北京：石油工業(yè)出版社，2012.3.