旋转防喷器高压旋转动密封技术的探讨

旋转动密封是欠平衡钻井旋转防喷器中的主要部件，从可靠性和经济性为讲，它一般为限制性部件，其影响设备的整体性能。现文通过对高压旋转动密封技术发展的回顾及应用现状分析，提出了在欠平衡钻井旋转防喷器中应用Kalsi高压旋转动密封技术的可行性，为欠平衡压力钻井配套技术研究课题中旋转防喷器的国产化提供了技术支持。     

DQX-Ⅲ型旋转防喷器的研制与应用

由于大庆油田浅层井的现场施工条件限制,传统的旋转防喷器无法安装在低底座的井架上,同时不能满足高转速的要求。为此,研制了DQX-Ⅲ型旋转防喷器。它由旋转总成、壳体和泵站等3部分组成,采用全油循环的方式,润滑和冷却效果良好,能有效延长轴承和动密封的使用寿命,在浅层井中能保证钻进的连续性,优选的Kalsi动密封的结构和材质配方设计可大大延长其使用寿命。室内及现场试验结果表明,DQX-Ⅲ型旋转防喷器的动密封扭矩平稳,在浅层能用PDC钻头高速钻进,各项性能指标达到设计要求。     

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.     

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。     

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。     

旋转防喷器锁块式锁紧机构研制

通过对国外旋转防喷器锁紧机构的研究,从中发现不足之处;研制了新型的锁块式锁紧装置。该装置采用液控操作,由活塞带动嵌在壳体上的锁块完成锁紧和解锁功能,且具有显示机构和机械锁紧功能。克服了现有锁紧机构外形庞大、费时费力的缺点。厂内试验及现场应用表明:该机构结构合理,操作方便,能可靠地锁紧和解锁。     

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。     

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。     

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。     

2FZ54-35型双闸板防喷器壳体优化设计

用有限元方法对2FZ54-35型双闸板防喷器壳体进行优化设计,通过分析不同壁厚和高度的壳体的应力状况,得出影响壳体应力水平的主要因素,确定壳体的设计方案。通过对壳体在静水压强度试验压力和额定工作压力下的有限元分析,经过应力线性化处理,依据ASME锅炉及压力容器规范第Ⅷ卷第2册,对不同工况下的壳体进行强度校核,结果表明该设计符合规范要求。经试验证明该防喷器的各项性能满足GB/T 20174—2006的要求。     

电控型地面防喷器控制装置研制

气控型地面防喷器控制装置在使用过程中存在控制滞后时间长、气管线因水气凝结结冰而堵塞,导致控制失灵等问题。目前,其他厂家生产的电控型地面防喷器控制装置未完全脱离气源的限制。为解决以上问题,研制了数字化纯电控型地面防喷器控制装置。该控制装置具备数据采集、传输、显示及处理功能;使用防爆牵引电磁铁代替气缸控制转阀进而实现防喷器开关动作,响应快,不使用压缩空气;使用通信电缆代替气管缆,实现司钻控制台与远程控制台的控制信号传输,避免因水气凝结结冰而造成气路堵塞,导致控制失效的问题。     

地面防喷器控制系统改进方案探讨

为了解决地面防喷器控制系统中存在的液气管汇繁杂、控制方法落后、维护管理困难、建造成本居高不下、响应时间过长等问题,此文从总线技术和水下防喷器的控制技术入手,探讨并将这些技术运用于常规的地面防喷器控制系统,以期通过适当的改进,能最大限度地减少常规地面防喷器控制系统控制管汇数量,实现多点多地便利操作并有效提高系统响应速度的效果。研究表明,利用新的通讯技术并借鉴水下防喷器控制系统的先进控制技术,对现有的地面防喷器控制系统进行局部或整体改造是可行的、有益的。     

低矮型不压井作业用环形防喷器研制

在不压井作业时,现有的环形防喷器存在外形尺寸大、价格昂贵、不适合在带压作业装置上使用等问题.研制了一种低矮型环形防喷器.利用有限元分析方法优化了胶芯和壳体的结构和参数.该环形防喷器可密封φ40～φ178mm的管柱,对于φ73、φ89 mm油管,静密封压力分别为21、25 MPa.对于14 MPa以内油水井,该环形防喷器过φ73mm（27/8英寸）油管和φ89 mm（31/2英寸）油管的接箍个数分别为7个和9个.满足带压作业施工要求.     

深水钻井隔水管与防喷器紧急脱离后的反冲响应分析

深水钻井中,若底部隔水管总成与防喷器紧急脱离,隔水管会反冲,易导致钻井事故。为了解隔水管紧急脱离后的反冲响应规律,分析了隔水管反冲产生的原因及反冲响应过程,明确了隔水管反冲响应的机理和关键影响因素。在此基础上,建立了隔水管张紧器及钻井液下泄分析模型,以探究张紧力随活塞冲程变化的规律及钻井液下泄时作用在隔水管上的摩擦力随时间变化的规律。综合考虑各关键影响因素,基于ANSYS有限元分析软件,建立了隔水管反冲响应分析模型,并以1 500 m水深钻井中的隔水管为例,计算、分析了不同紧急脱离时刻和顶部张紧力条件下的反冲响应。分析结果表明,与防喷器紧急脱离后,隔水管在顶部张紧力作用下加速向上反冲,伸缩节冲程减小。研究认为,紧急脱离的时间与顶部张紧力的大小对隔水管反冲响应有重要影响,因此应合理选择紧急脱离时刻和顶部张紧力,以保证紧急脱离条件下深水钻井隔水管系统的作业安全。      

防喷器承压起下钻模拟试验装置研制

为了研究防喷器在井筒带压起下钻作业工况下的密封性能,研制了防喷器承压起下钻模拟试验装置。包括能够模拟35 MPa带压环境的井口系统和起下钻速度达到600 mm/s的起升装置。此试验装置可用于防喷器的性能试验和密封胶芯的可靠性研究。介绍了该试验装置的井口系统、液控系统、电控系统的设计原理。试验结果表明:该装置能够满足防喷器的承压起下钻试验要求。     

基于磁记忆方法的防喷器检测试验研究

金属磁记忆方法通过记录地磁场作用下金属构件表面的漏磁场信息,可对构件微观缺陷和应力与变形集中区进行辨识。应用自主研发的防喷器磁记忆检测装置开展了现场检测试验研究,测试了该检测装置的可行性与可靠性,并对防喷器各类缺陷与损伤检测信号进行了辨别分析。分析结果表明,采用磁记忆方法进行防喷器壳体、内腔及密封部件检测在技术上是可行的;磁记忆信号特征可反映防喷器不同部位的各类缺陷与损伤情况,可以用磁记忆信号来确定防喷器不同部位的缺陷与损伤状况。     

带压作业闸板防喷器胶芯密封性能分析

利用三维建模SolidWords软件及有限元分析软件ABAQUS,建立了带压作业闸板防喷器胶芯与管柱密封结构的三维简化模型。该密封结构属于组合式密封结构,由丁腈类橡胶(NBR)组成的橡胶基体和超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)组成的耐磨块构成。研究了3种不同封井压力作用下胶芯与管柱之间的应力分布规律。结果表明:在液压封井力为20 MPa时,该闸板防喷器胶芯可用于密封井底压力不超过35 MPa的带压作业环空; 胶芯失效位置主要集中在橡胶基体与上下垫板接触区域及耐磨块圆弧面上靠近中线位置区域,与现场实际应用中胶芯的失效位置基本相符,验证了分析的正确性。     

滩海油田修井作业防喷器设计研究

基于滩海油田现场作业的实际情况和人机工程学及安全可靠性的要求,设计了高度尺寸小、机械和液压并联锁紧及卡瓦抱紧闸板于一体的滩海油田修井作业防喷器,并对主要承压件壳体进行了额定工作压力和静水试验压力下的有限元分析,得到应力分布规律,强度达到要求,安全可靠。     

便携式井口防喷器试压装置研制与应用

针对油田修井用井口防喷器日常密封性试压检查不能在修井作业场实现的难题,研制了便携式井口防喷器试压装置。该试压装置能在修井作业现场对防喷器试验检查,及时发现存在的故障及安全隐患,提高井口防喷器使用的可靠性和安全性。现场应用表明：该试压装置设计合理,技术先进,使用方便,运行安全可靠,可满足井口防喷器的日常性密封试压检查的需要,能减少修井作业安全事故的发生。