70 MPa帶壓鉆孔裝置的研制

胡旭光 劉貴義 李 庚 劉俊男

（1.中國石油井控應急救援響應中心，四川 廣漢 618300；2.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500；3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

部分老井在完井初期由于沒有油氣顯示或產量不高，只安裝了簡易井口裝置且長期處于關井狀態(tài)，井口閘閥銹蝕后，無法開關，井內壓力不明，甚至有些井口周圍被占做它用，如農田、民房等，存在嚴重的井控風險和安全隱患，需通過帶壓鉆孔獲取并泄掉井內壓力后進行封井［1-7］。同時，部分新鉆油氣井鉆遇高壓氣層后由于設備、工具等問題導致井筒憋壓無法按正常程序處理，也需要帶壓鉆孔治理。由于存在部分井井內壓力接近或超過原有35 MPa 帶壓鉆孔裝置最大工作壓力的情況，以秋林14井為例，該井在鉆進過程中發(fā)現(xiàn)溢流，處理溢流時頂驅液動旋塞閥失效，立壓升高至47 MPa，需從鉆桿處開孔實施壓井作業(yè)，通過帶壓鉆孔后更換頂驅液動旋塞，但由于立壓高于帶壓鉆孔裝置最大工作壓力，國內帶壓鉆孔裝置無法滿足要求，最后求助于國外X 公司進行帶壓鉆孔作業(yè)。針對國內帶壓鉆孔裝置性能不足的現(xiàn)狀，通過優(yōu)化設計，自主研發(fā)了70 MPa 帶壓鉆孔裝置，工作壓力大幅提升，能滿足高壓氣井帶壓鉆孔需要。

1 帶壓鉆孔技術簡介

針對有壓力的采油（氣）樹井口裝置閘閥故障、無法正常開關的情況，帶壓鉆孔能建立泄壓或循環(huán)通道，更換故障閘閥，作業(yè)過程中能實現(xiàn)“不停輸、不停產”［8-16］。目前主流帶壓鉆孔裝置為35 MPa液缸加壓式鉆孔機，通過主控閘閥與被鉆閘閥連接并密封（若鉆管柱，則需在主控閘閥前連接絲扣抱箍與管柱連接并密封），依次連接泄壓流程及帶壓鉆孔機并且試壓。操作過程為：首先打開主控閘閥然后進行鉆孔操作，帶壓鉆完孔后反向操作帶壓鉆孔機使鉆頭收回，關閉主控閘閥，拆除帶壓鉆孔機并安裝盲板，打開主控閘閥通過泄壓流程泄壓（圖1）。該類帶壓鉆孔裝置工作壓力為35 MPa，能完成低壓井帶壓鉆孔，但無法滿足35 MPa 以上高壓井鉆孔需要，且加壓形式為液缸加壓，加壓速度不好控制，對鉆頭磨損較大。急需研制更高壓力等級的帶壓鉆孔裝置以滿足日益增長的高壓井帶壓鉆孔需求。

圖1 帶壓鉆閘閥示意圖

2 70 MPa帶壓鉆孔裝置設計

所研制的70 MPa 帶壓鉆孔裝置的關鍵結構及參數(shù)包括：鉆孔直徑、鉆孔行程、鉆桿驅動液馬達、進給系統(tǒng)、鉆桿密封法蘭、密封抱箍（圖2）。裝置采用螺紋加壓方式，具有自鎖功能且進給平穩(wěn)、速度快、穩(wěn)定性更佳，有效防止退刀及鉆頭震動。帶壓鉆孔前端密封法蘭與鉆桿的動密封采用多重“V”形夾布橡膠密封，鉆桿采用鍍鉻處理，增加表面光潔度的同時提高了鉆桿及密封件使用壽命，解決了鉆桿高壓動密封問題。

圖2 70 MPa帶壓鉆孔裝置示意圖及實物圖

2.1 主要參數(shù)設計

1）鉆孔直徑：根據川渝地區(qū)常規(guī)采油（氣）樹規(guī)格，其通徑為65 mm，預留容屑空間，設計鉆孔直徑為50 mm。

2）鉆孔行程：根據帶壓鉆孔工藝技術要求，鉆頭伸長至最大位置時應確保能夠鉆穿被鉆對象，則鉆孔機最小行程應滿足：（被鉆閥門＋被鉆閥門閥板厚度）／2＋主控閥。目前川渝地區(qū)常用的采氣樹閥門通徑為65 mm，65—70采油（氣）樹閥門長度約為560 mm，閥板厚度約為60 mm。帶壓鉆孔主控閥也設計為通徑65 mm、壓力等級為70 MPa，則鉆孔機行程應至少為（560 mm+60 mm）／2＋560 mm，即870 mm。

以上行程未考慮不同井口之間的轉換，如65—70 型法蘭轉換成其它規(guī)格的法蘭，其厚度通常在60～100 mm 之間，且還應考慮鉆孔機安裝后鉆頭位置剛好在主控閥門閥板面外側。綜合考慮上述因素，設計鉆孔機行程為1 100 mm。

2.2 鉆桿驅動液壓馬達優(yōu)選

鉆桿由液壓馬達直接驅動，查閱機床設計手冊可知［17-18］，最大鉆孔直徑50 mm 的立式鉆床參數(shù)為：最大進給力為16 kN，最大扭矩為400 N·m，功率為3 kW，行程為250 mm，轉速為40～1 800 r／min；最大鉆孔直徑為50 mm 的搖臂鉆床參數(shù)為：最大進給力為20 kN，最大扭矩為630 N·m，功率為4kW，行程為315 mm，轉速為22～1 800 r／min。

因此，根據最大扭矩選用驅動鉆頭（鉆桿）的液馬達為1QJM02 — 0.4 的擺動馬達，其參數(shù)取值為：最大扭矩為600 N·m、轉速為0～40 r／min、排量為406 mL／r、額定工作壓力為10 MPa、最高壓力為16 MPa。

2.3 進給系統(tǒng)設計

因鉆孔進給速度較小，而通常液壓馬達的實際轉速較難通過流量控制，較難實現(xiàn)小進給。采用液壓馬達減速后帶動螺桿可實現(xiàn)小進給及較大的進給力?，F(xiàn)以進給力作為第一參數(shù)確定，從上述描述中可知，最大所需的進給力為20 kN。

1）減速比確定

初步選定鉆頭驅動馬達為1QJM001—0.01 擺動馬達，其參數(shù)取值為：最大扭矩T 為154 N·m、轉速為8～160 r／min、排量為104 mL／r、額定工作壓力P為10 MPa、最高壓力為16 MPa。初步選用矩形螺紋傳動，螺桿最大外徑d為70 mm，最小外徑d1為56 mm，螺距P為14 mm，線數(shù)n為1，則：

軸向載荷計算公式為［19］：

式中，軸向載荷應大于最大進給力，F(xiàn)≥20 kN；螺紋扭矩T1＝T×i，i為減速比，無因次；螺紋中徑；螺紋升角＝4.05 ≤ρ′，其中λ≤4°30 ；當量摩擦角其中f為摩擦系數(shù)，取0.015。

將以上參數(shù)代入式（1），得出i≥56，選定減速器輸出軸的齒輪齒數(shù)與螺桿軸齒輪的齒數(shù)比為2∶1，則減速比i≥28。

2）減速器選擇

根據減速器類型，行星齒輪及擺線針減速器的減速比大，外形尺寸小，因此選定擺線針減速器作為帶壓鉆孔裝置的減速機，擺線針減速機具有以下特點：①擺線針減速機具有高速比和高效率，其單級傳動的傳動比可以到達87，雙級傳動比可達7 569；②結構緊湊，體積小。與同功率、同速比的普通齒輪傳動裝置相比，體積和重量可降低1／2～1／3；③運轉平穩(wěn)，噪音低。擺線針輪齒數(shù)較多，重疊系數(shù)大且能保持機件平衡，將振動和噪聲降至最低；④使用壽命長。鉆孔裝置總體結構選擇法蘭式立裝雙軸型，傳動接觸部分采用了滾動摩擦，增加了使用壽命及傳動效率。

3）螺桿強度校核

在最大軸向載荷一定的情況下，若計算出的螺紋中徑小于選定的矩形螺紋傳動中徑，說明該裝置能承受最大軸向載荷，即可認為螺桿強度滿足要求，螺紋中徑可通過式（2）進行求解［20］。

式中，對于整體式螺母系數(shù)Ψ取1.2；［p］為許用壓強，取7.5 MPa。

得到d2＝37.6 mm 小于等于63 mm，設計的螺桿尺寸滿足強度要求。

2.4 鉆桿密封法蘭設計

因川渝地區(qū)部分天然氣井含硫化氫，且有很大一部老井井內壓力不明，對設備安全性能要求較高。根據實際生產需求對原有的帶壓鉆孔裝置密封法蘭進行優(yōu)化。為提高帶壓鉆孔裝置抗硫性能，鉆孔裝置所有接觸井內流體的部件均按照NACE MR-0175 標準進行材料選擇及工藝處理，以達到抗硫化氫要求。同時，對鉆孔裝置前端法蘭，取消原有焊接的連接方式，改成整體鍛件及螺紋連接相配合的方式，極大提高了法蘭密封性（圖3）。

圖3 鉆孔裝置前端法蘭連接方式圖

2.5 帶壓鉆孔密封抱箍設計

針對管柱類帶壓鉆孔密封難題，設計了與帶壓鉆孔裝置相配套的管道鉆孔密封抱箍（圖4）。密封管徑類型包括：Φ73.02 mm、Φ88.9 mm、Φ127 mm、Φ 177.8 mm、Φ244.48 mm，且可以根據管柱尺寸進行定制。抱箍靜密封壓力為70 MPa，完成配套后帶壓鉆孔裝置不但可以對采氣（油）樹的閘閥帶壓鉆孔，還能在管柱上進行帶壓鉆孔。

圖4 帶壓鉆孔密封抱箍圖

管柱帶壓鉆孔密封裝置采用弧面浮動井壓助封的密封結構，解決了管柱曲面高壓密封問題。密封抱箍試壓連接見圖5，試驗壓力為70 MPa，穩(wěn)壓30 min，無壓降，表明該密封抱箍能夠滿足70 MPa 帶壓鉆孔需要，解決了高壓氣井帶壓鉆管柱的關鍵技術難題。

圖5 密封抱箍試壓圖

3 應用情況

該裝置自試驗成功以來，2017—2019年期間在中國石油西南油氣田、長慶油田等公司推廣應用31井次，最高作業(yè)壓力達42.8 MPa，密封性能相比原有35 MPa 帶壓鉆孔裝置大幅提升，解決了高壓氣井帶壓鉆孔密封難題，為隱患井治理提供了安全作業(yè)條件，消除了安全隱患，確保了周邊人民群眾生命和財產安全。

3.1 老井隱患治理

帶壓鉆孔裝置在老井治理方面應用較多，應用范圍包括川渝地區(qū)、長慶地區(qū)，部分老井井口裝置嚴重變形導致井內壓力無法正常泄壓，存在巨大的安全隱患。通過帶壓鉆孔裝置鉆開井口裝置，獲取井內壓力，并建立循環(huán)或泄壓通道，從而為后期老井的封堵創(chuàng)造條件。以中國石油西南油氣田公司X1井為例，該井一直處于關井狀態(tài)，井口裝置型號為KQ65-35，井口壓力表銹蝕嚴重，無法讀取套壓，且表層套管連接處接箍存在漏氣。井場緊鄰場鎮(zhèn)，周邊住戶、樓房密集，人員流動頻繁復雜，存在巨大的安全隱患。通過帶壓鉆孔裝置鉆開該井Φ273.05 mm表層套管，為后續(xù)封井作業(yè)建立了循環(huán)通道，解除了安全隱患。

3.2 生產井隱患治理

除用于老井治理外，帶壓鉆孔裝置已逐步向生產井隱患治理開展應用。以中國石油西南油氣田公司X2 井為例，該井完鉆井深為2 981.15 m，井內氣體量H2S 達5 333 mg／L，壓力不明?，F(xiàn)場檢查過程中發(fā)現(xiàn)，該井采油樹所有閘閥均已損壞無法打開，4號閘閥連接法蘭嚴重損壞，井口存在H2S 氣體泄漏，存在巨大的安全隱患。采用70 MPa 帶壓鉆孔裝置鉆穿2號、5號套管閘閥后，形成泄壓及壓井通道，為后續(xù)試修作業(yè)創(chuàng)造了條件，鉆穿后，實測井口壓力高達42.8 MPa。

4 結論

1）通過對帶壓鉆孔裝置關鍵參數(shù)及部件的優(yōu)化設計，研制出了70 MPa 帶壓鉆孔裝置，其進給采用螺紋加壓方式，大大提高了帶壓鉆孔穩(wěn)定性、鉆孔效率及鉆頭使用壽命。

2）管柱帶壓鉆孔密封裝置采用弧面浮動井壓助封的密封結構，解決了管柱曲面高壓密封問題；

3）鉆桿采用鍍鉻處理，增加小鉆桿表面光潔度，提高了鉆桿及密封件使用壽命，解決了鉆進時高壓動密封問題。

4）研制的70 MPa帶壓鉆孔裝置在川渝、長慶地區(qū)推廣應用31 井次，最高作業(yè)壓力達42.8 MPa。應用結果表明該裝置能滿足高壓氣井帶壓鉆孔需要，極大提升了國內帶壓鉆孔技術服務能力。