Williams高压旋转防喷器国产化要点浅析

旋转防喷器是欠平衡钻井的关键井控设备之一，现文以Williams7100型高压旋转防喷器为例，分析了其壳体总成、旋转总成以及钻具密封的设计分析要点，旨在推动该装置的国产化进程。     

旋转防喷器

旋转防喷器结构新颖,性能优良,通过型式试验和现场试验验证旋转防喷器的最大动密封试验压力为17.5 MPa,最大静密封试验压力为35 MPa,单只胶芯的工作寿命累计达80 h以上,工作性能稳定,可靠性高,操作方便,各项指标达到了设计要求,有效提高了欠平衡钻进装备的技术水平,进一步满足了日益扩大的欠平衡钻井市场的需求.     

MCL旋转防喷器的研制与应用

旋转防喷器是实施欠平衡钻井、控压钻井的关键设备之一。由于其旋转总成装配方式,安装高度上的要求,以及内通径对钻具的要求,限制了涉及旋转防喷器的欠平衡、控压钻井技术的应用空间。为进一步拓宽旋转防喷器所涉及技术的应用空间,本文提出旋转防喷器组合式大通径(MCL)旋转总成的研究技术思路及技术指标,通过优化设计、强度校核、室内实验及现场试验,有效的验证其性能及技术指标完全能满足现场应用要求,便于现场拆卸与组装,提升了涉及旋转防喷器技术服务的应用空间,解决了当前困扰涉及旋转防喷器的技术应用的难题。     

一种新型主动密封式旋转防喷器的研制

为了实现胶心开关和密封压力灵活可控,延长胶心的使用寿命,增强旋转防喷器的旋转密封性能,研制了一种新型主动密封式旋转防喷器。该防喷器核心密封部件设计为一种参数指标更优、尺寸更小、受压载荷更小的油压收缩主动补偿式组合胶心。通过室内模拟试验,胶心密封性能得到彻底完善,达到驱动液压油无压降,无可见渗漏的效果。现场应用结果表明,该防喷器性能可靠,装卸快速,降低了现场操作人员的劳动强度,使用寿命大大延长,满足欠平衡钻井现场作业要求。     

DQX-Ⅳ型小尺寸旋转防喷器的研制

现有的旋转防喷器与小钻具配合密封及井口防喷器组不匹配,难以满足小井眼氮气钻井要求,为此,研制了DQX-Ⅳ型小尺寸旋转防喷器。DQX-Ⅳ型旋转防喷器的整体结构设计充分考虑了现场施工及维护保养要求,具有体积小、安装快捷、动作灵活、维护保养方便等特点,为小钻具及小钻机欠平衡钻井提供了井口保障,为拓展欠平衡钻井应用领域提供了技术支持。试验结果表明,该旋转防喷器达到了现场使用要求,能够满足小井眼氮气钻井的需要。     

FX28-35型旋转防喷器的研制

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。     

DQX-Ⅱ型低压旋转防喷器的研制与应用

为了进一步促进欠平衡钻井技术的发展,推进旋转防喷器产品系列化,开展了DQX-Ⅱ型低压旋转防喷器的研制。该防喷器采用双胶心结构,上胶心起扶正、减震作用,下胶心起密封作用,弥补了目前欠平衡钻井导流头使用单胶心的不足;此外,上、下胶心全体安装在壳体内部,进一步增强了扶正效果。还采用了滴油润滑设计,能够有效提高胶心的密封效果,延长胶心的使用寿命。室内模拟试验与现场试验表明,该防喷器在使用过程中运转正常,性能可靠,可操作性强,效果良好,达到了设计要求,能满足低压欠平衡钻井的需要。     

欠平均钻井用高压旋转控制头的研制和应用

现国内各大油田使用的旋转控制头均是从国外引进，价格昂贵，国内原有的旋转控制头（放转防喷器）是60年代初和80年代末设计的低压力级别产品，不能满足现代欠平衡钻井工艺的需要。针对这种状况，四川石油局钻采研究院机械设计中心研制开发了动密封压力10.5MPa，静密封压力21MPa，具有双胶芯密封结构的高压旋转控制头。经试验和现场使用证明，效果良好，完全能满足现代欠平衡钻井工艺的需要。     

XK系列旋转防喷器

钻井用旋转防喷器（旋转控制头）是实施欠平衡钻井工艺技术必不可少的关键设备。在深井高压地层实施欠平衡钻井作业中,当钻遇油气层,地层流体进人井筒时,井口环空压力在短时间升高,其值将远远高于正常欠平衡施工作业时控制的井口压力。为封闭钻杆与方钻杆,并在其额定的井口压力条件下允许钻具旋转钻进,设计制造了旋转控制头。该装置在实施带压（不压井）起下钻具作业中,用以封隔井口环空压力,并通过规定尺寸的钻具及其接头。     

欠平衡钻井用高压旋转控制头的研制和应用

现国内各大油田使用的旋转控制头均是从国外引进 ,价格昂贵。国内原有的旋转控制头 (旋转防喷器 )是 6 0年代初和 80年代末设计的低压力级别产品 ,不能满足现代欠平衡钻井工艺的需要。针对这种状况 ,四川石油局钻采研究院机械设计中心研制开发了动密封压力 10 .5MPa,静密封压力 2 1MPa ,具有双胶芯密封结构的高压旋转控制头。经试验和现场使用证明 ,效果良好 ,完全能满足现代欠平衡钻井工艺的需要。     

旋转导向工具心轴弯曲对悬臂轴承影响的研究

指向式旋转导向工具利用心轴的弯曲变形达到导向钻进的目的,在轴承受力分析的基础上,选择滚针轴承达到心轴上部的悬臂轴承限制心轴弯曲的目的,但是心轴的弯曲会影响滚针轴承的工作及寿命。通过对心轴弯曲变形的力学分析,建立了心轴在静态偏置状态下的挠曲线方程,得出在滚针轴承处心轴的挠度值与偏置力之间的关系曲线,利用试验验证了力学分析的合理性;并通过试验研究了在静态和动态2种工作条件下心轴弯曲对滚针轴承工作的影响。结果表明,心轴的弯曲变形是滚针轴承失效的主要原因;采用组合轴承或硬质合金轴承可以改变轴承的受力状态以延长轴承的工作寿命。     

指向式旋转导向系统偏置心轴力学模型及优化

在建立指向式旋转导向系统心轴在静态偏置条件下力学模型的基础上,推导出心轴轴身的几何方程和力学方程。在满足设计要求的前提下,以延长心轴和上部支撑轴承的使用寿命为优化目标,对心轴各项参数进行了优化计算与分析。优化分析得出2点结论:(1)在保证上支撑轴承寿命的前提下,应尽可能使作用力P的作用点落在a=13处,使心轴在较小的挠曲状态、较小的作用力P、弯矩M1和M2下工作,以延长心轴的使用寿命;(2)当心轴在设计的挠曲角θ0的情况下,作用力P和上支撑轴承在弯矩M2下的设计使用寿命无法保证时,可适当增加心轴长度L,从而降低偏心施力机构的设计要求。     

可关闭旋转式泄油器的研制与应用

由于常规泄油器须投杆剪断泄油销钉后泄油,致使对于抽油杆断的油井无法投杆而不能实现泄油,且泄油后不能二次关闭。针对常规泄油器存在的缺陷,借鉴Y221封隔器工作原理,通过对换向机构的理论计算,研制了可关闭旋转式泄油器。该工具采用下放旋转并上提管柱实现泄油功能、再次下放管柱关闭泄油孔的工艺设计,除能在不起抽油杆柱情况下实现泄油外,还可实现泄油器反复开关使用,避免带液体起管柱伤害环境。该工具在中原油田采油三厂进行了室内实验并在泵深为3 000 m以上的油井中进行现场试验,成功率100%,可进一步推广使用。     

固旋阀塔板的流体力学性能研究及其旋转流场CFD模拟

提出了一种新型固定旋转阀塔板,在内径600 mm的有机玻璃塔内,以空气-水为物系,对固旋阀塔板的流体力学性能进行研究。测定了塔板压降、漏液率和雾沫夹带量等流体力学性能参数,并与旋转浮阀塔板和F1浮阀塔板进行对比。实验结果表明,当气体负荷较大时,固旋阀塔板的干板压降大于F1型浮阀塔板,具有更高的传质效率;固旋阀塔板的湿板压降小于旋转浮阀塔板和F1浮阀塔板;固旋阀塔板的雾沫夹带比F1型浮阀塔板小30%~40%,比旋转浮阀塔板小10%~20%,具有更高的气相负荷操作上限。通过Fluent6.3软件的模拟计算分析,固旋阀塔板的流场更稳定,液层分布更均匀,操作性能更优。     

转盘的液压驱动设计

针对机械驱动转盘传动链长、部件多、整机质量大和在钻台布置困难等问题 ,设计了液压转盘。液压转盘通过行星减速器与液压马达相连 ,驱动转盘的液压系统由主液压回路、散热补油和过载保护回路、控制回路、制动回路等组成 ,采用了先进的闭式液压系统。液压转盘在4 0t修井机和水井钻机上的应用表明 ,它不仅解决了早期液压转盘存在的油路过热和液压元件寿命低的问题 ,而且性能完全满足钻井过程对转盘的要求     

钻井钢丝绳工作能力的评定

根据石油钻井钢丝绳结构特点与工作特征,以整盘钢丝绳为研究对象,提出了钻井钢丝绳工作能力的评定方法与计算公式,为研究钻井钢丝绳使用寿命提供了理论基础。