大通徑旋轉(zhuǎn)防噴器的研制與應(yīng)用

陳國(guó)棟 楊桓 陳佳良

摘 要：新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣區(qū)塊風(fēng)險(xiǎn)探井，完鉆井深近8000m，開(kāi)次多井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜。由于地質(zhì)情況復(fù)雜，存在地層壓力系數(shù)高，同一開(kāi)次存在多套壓力系統(tǒng)復(fù)雜包括安全密度窗口窄、存在高壓鹽水層、易漏噴等難題施工難度大。從三開(kāi)開(kāi)始就需要使用精細(xì)控壓鉆井技術(shù)實(shí)施帶壓鉆井作業(yè)，但受限于鉆頭尺寸較大，常規(guī)旋轉(zhuǎn)防噴器底法蘭通徑350mm已滿足不了該區(qū)塊需求，特研制超大通徑旋轉(zhuǎn)防噴器以實(shí)現(xiàn)在該區(qū)塊的精細(xì)控壓鉆井技術(shù)應(yīng)用。在WDXK35-17.5/35型旋轉(zhuǎn)防噴器的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新研制了中壓超大通徑旋轉(zhuǎn)防噴器WDXK540-10.5/14型旋轉(zhuǎn)防噴器，同時(shí)還研制了可在常規(guī)軸承總成上使用的專用托盤，使得常規(guī)總成可以在超大旋轉(zhuǎn)防噴器上使用。通過(guò)該區(qū)塊天安1井三開(kāi)和四開(kāi)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，WDXK540-10.5/14型旋轉(zhuǎn)防噴器密封性能良好，運(yùn)轉(zhuǎn)正常， 實(shí)用性強(qiáng)， 各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足該區(qū)塊使用要求。

關(guān)鍵詞： 大通徑旋轉(zhuǎn)防噴器 精細(xì)控壓鉆井技術(shù) ?帶壓鉆井作業(yè) ?液壓控制

引言

旋轉(zhuǎn)防噴器（RBOP）又稱旋轉(zhuǎn)控制頭（RCH），是欠平衡鉆井、精細(xì)控壓鉆井、氣體鉆井的必要設(shè)備。旋轉(zhuǎn)防噴器在控壓鉆進(jìn)或控壓起下鉆的過(guò)程中，通過(guò)旋轉(zhuǎn)防噴器軸承總成與鉆具的密封，使外環(huán)空處于密封關(guān)閉狀態(tài)，封住了鉆柱與井口裝置的環(huán)形空間，使鉆井液不能從井口環(huán)隙噴出，形成密閉循環(huán)空間。它可以提供安全有效的壓力控制，在限定壓力下允許鉆桿旋轉(zhuǎn)，實(shí)施帶壓鉆井作業(yè)。

1 大通徑旋轉(zhuǎn)防噴器功能和原理設(shè)計(jì)

大通徑旋轉(zhuǎn)防噴器的總體方案功能原理設(shè)計(jì)是在保證實(shí)現(xiàn)功能的前提下，力求滿足431.8mm鉆頭正常通過(guò)的要求。通過(guò)功能分析，旋轉(zhuǎn)防噴器的總功能分成 7 個(gè)功能部分，即為軸承潤(rùn)滑功能、軸承冷卻功能、旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封功能、鉆具密封功能、鎖緊裝置功能、旋轉(zhuǎn)總成功能、控制功能。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外高低壓旋轉(zhuǎn)防噴器的結(jié)構(gòu)、工作性能、制造成本、維修費(fèi)用和使用壽命等因素的比較分析，本文選用一般液壓控制功能元、液壓站遠(yuǎn)程控制功能和一般旋轉(zhuǎn)總成功能，且著重對(duì)軸承潤(rùn)滑功能、軸承冷卻功能、旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封功能、鉆具密封總成功能和鎖緊裝置功能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足大尺寸旋轉(zhuǎn)防噴器的耐壓、耐用功能。

1.1 外形及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

WDXK540-10.5/14型旋轉(zhuǎn)防噴器主要由旋轉(zhuǎn)總成、殼體和液壓動(dòng)力房三部分組成。旋轉(zhuǎn)總成包括旋轉(zhuǎn)補(bǔ)芯總成、中心管、膠芯、軸承腔室等幾大部分;殼體總成包括殼體，轉(zhuǎn)換托盤，液動(dòng)卡箍及液缸;旋轉(zhuǎn)總成和轉(zhuǎn)換托盤通過(guò)螺栓連接;轉(zhuǎn)換托盤和殼體通過(guò)卡箍連接;液壓動(dòng)力房由動(dòng)力房及其管線組成。

1.2 ?主要工作原理

鉆桿通過(guò)旋轉(zhuǎn)防噴器上的驅(qū)動(dòng)補(bǔ)芯總成，帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)套、中心管及橡膠密封膠芯與鉆柱一起旋轉(zhuǎn)。膠芯依靠自身的彈性變形和井壓助封來(lái)對(duì)鉆柱周圍實(shí)施密封。中心管與旋轉(zhuǎn)總成之間的動(dòng)密封靠上、下動(dòng)密封總成來(lái)實(shí)現(xiàn)。

液壓動(dòng)力房用以控制液動(dòng)卡箍的開(kāi)啟和關(guān)閉，同時(shí)提供潤(rùn)滑油用以潤(rùn)滑冷卻旋轉(zhuǎn)總成內(nèi)部零部件和動(dòng)密封總成，循環(huán)液冷卻上部動(dòng)密封總成。

1.3 用途和適用范圍

WDXK540-10.5/14型旋轉(zhuǎn)防噴器安裝于環(huán)形防噴器或閘板防噴器頂上在實(shí)施控壓鉆井工藝等帶壓鉆井作業(yè)時(shí)，用以密封旋轉(zhuǎn)的鉆具及起分流作用。它與控壓鉆井裝置、鉆具止回閥，液氣分離器和不壓井起下鉆加壓裝置等設(shè)備配套后，可安全地進(jìn)行帶壓鉆進(jìn)與不壓井起下鉆作業(yè)。它在進(jìn)行例如解放低壓油氣層，防漏鉆井，充氣鉆井，不壓井修井等特殊作業(yè)中有很重要的作用。

WDXK540-10.5/14型大通徑旋轉(zhuǎn)防噴器的適用范圍要求：

適用鉆具： 140mm（5—1/2in）、89mm （3—1/2in ）、73mm（2—7/8in）鉆桿及相應(yīng)的方鉆桿

適用介質(zhì)： 空氣、泡沫及其它各種鉆井液

旋轉(zhuǎn)防噴器中心管可通過(guò)鉆具尺寸：197mm（7—3/4in）

鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤開(kāi)口直徑：≥440mm（17.5in）

2 應(yīng)用情況

3.1 應(yīng)用背景

新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣區(qū)塊的風(fēng)險(xiǎn)探井天安1井、天灣1井三開(kāi)開(kāi)始設(shè)計(jì)精細(xì)控壓鉆井。旋轉(zhuǎn)防噴器是實(shí)施精細(xì)控壓鉆井必不可少的井口裝置，而常規(guī)旋轉(zhuǎn)防噴器本體通徑350mm，難以滿足開(kāi)次鉆頭431.8mm尺寸。2020年5月WDXK540-10.5/14型旋轉(zhuǎn)防噴器研制成功，通過(guò)室內(nèi)各項(xiàng)性能測(cè)試，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

3.2施工情況

2020年6月24日，WDXK540-10.5/14型旋轉(zhuǎn)防噴器到達(dá)天安1井。6月29日旋轉(zhuǎn)防噴器現(xiàn)場(chǎng)試壓9.8MPa壓降0.15MPa合格，7月2日旋轉(zhuǎn)防噴器試動(dòng)壓8.7MPa轉(zhuǎn)速40轉(zhuǎn)穩(wěn)壓10分鐘壓降0.2MPa合格。2020年7月6日自井深2637m三開(kāi)開(kāi)鉆至11月18日鉆至井深5650四開(kāi)中完。WDXK540-10.5/14型旋轉(zhuǎn)防噴器歷時(shí)4個(gè)多月現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成功，運(yùn)行時(shí)間1981小時(shí)，平均轉(zhuǎn)速80r/min，累計(jì)進(jìn)尺3013m，鉆井過(guò)程中控壓值范圍0.5-4MPa，旋轉(zhuǎn)防噴器運(yùn)轉(zhuǎn)正常，性能穩(wěn)定，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求。

3 結(jié)論

4.1 WDXK540-10.5/14型旋轉(zhuǎn)防噴器累計(jì)帶壓運(yùn)轉(zhuǎn)1981小時(shí)，各項(xiàng)性能穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)成功。

4.2 WDXK540-10.5/14型旋轉(zhuǎn)防噴器采用高壓大通徑旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封技術(shù)和液控裝置自動(dòng)注油技術(shù)，性能可靠， 操作簡(jiǎn)單， 能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)大通徑鉆頭的需求， 取得了良好的預(yù)期效果。

4.3 通過(guò)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用表明， WDXK540-10.5/14型旋轉(zhuǎn)防噴器工作性能穩(wěn)定， 各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求， 與國(guó)外產(chǎn)品對(duì)比， 總體性能接近，性價(jià)比優(yōu)良， 有利于降低鉆井施工成本， 具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]劉先明，羨維偉，劉勇，等： 高壓大通徑旋轉(zhuǎn)防噴器[J]： 石油科技論壇，2016，6 ： 71-73。

[2]范 強(qiáng)，吳松松，等：旋轉(zhuǎn)防噴器總體方案設(shè)計(jì)與評(píng)判[J]：石油科技論壇， 2021，3： 71-75。