旋轉防噴器(RBOP)又稱旋轉控制頭(RHC),是欠平衡鉆井、地熱鉆井、煤層氣鉆井的必要設備。它在井眼環(huán)空與鉆柱之間起封隔作用,并提供安全有效的壓力控制,同時具有將井眼返出流體導離井口的作用。這項技術的發(fā)展擴大了欠平衡鉆井技術的使用范圍,例如在閉路循環(huán)、邊噴邊鉆、隨鉆測量、井眼測試、反循環(huán)和注氮等鉆井特性改變時使用,該技術正朝著提高密封壓力等級、拓寬應用范圍、強化軸承潤滑與冷卻、便于操作和控制等方向發(fā)展。在未進行欠平衡鉆井的地區(qū),RBOP可用于強化人身安全和環(huán)境保護。在美國和加拿大,約有1/4的鉆機使用RBOP。

 

  1 旋轉防噴器的發(fā)展現狀

 

  目前,國外旋轉防噴器技術發(fā)展越來越成熟,品種類型較多,主要有美國Williams公司的系列旋轉防噴器、Sea2tech公司的旋轉防噴器、Varco公司的Shaffer系列旋轉防噴器以及加拿大高山公司的膨 脹膠囊型旋轉防噴器等,其中,美國Williams公司的7000型和7100型旋轉防噴器使用了2個環(huán)形膠芯,提高了密封的可靠性,屬高壓旋轉防噴器,用于井口回壓較高的欠平衡鉆井。Varco公司的Shaf2fer高壓型及Sea2tech公司與加拿大高山公司的旋轉防噴器也屬于高壓旋轉防噴器;而Williams公司普通型、Varco公司的Shaffer低壓型則屬于低壓旋轉防噴器,主要用于井口回壓較低的充氣鉆井和泡沫鉆井等。

 

  我國各油田相繼成功使用了欠平衡鉆井技術,所使用的旋轉防噴器都是進口產品。中原油田使用的是Varco公司的Shaffer旋轉防噴器,新疆塔里木油田使用的是Williams公司的7000型旋轉防噴器。國內有參考Varco公司Shaffer旋轉防噴器制造的FS70/20型旋轉防噴器,其膠芯密封壓力低,壽命短。四川石油管理局鉆采工藝技術研究院機械設計中心研制開發(fā)了動密封壓力為10.5MPa,靜密封壓力21MPa,具有雙膠芯密封結構的高壓旋轉防噴器。

 

  2 幾種國產旋轉防噴器

 

  2.1 XZ211205型旋轉防噴器

 

  大慶、勝利、遼河等油田已相繼進人開發(fā)后期,井下事故出現幾率呈較快增長趨勢。據統(tǒng)計,1994年勝利石油管理局孤島采油廠因套管損壞、砂埋、砂卡、封隔器膠皮脫落等原因造成的油井大修有122井次。由于井口沒有可靠的密封裝置,許多高效率的工藝,例如反洗井、側鉆等無法正常進行。為此,勝利石油管理局采油工藝研究院在吸取國外相關產品先進技術的基礎上,研制出一種能可靠密封旋轉鉆具和油套環(huán)形空間的XZ211205型旋轉防噴器。

 

  2.1.1 主要參數

 

  防噴器高度525mm

 

  防噴器外徑 <470mm

 

  適用井口法蘭外徑<380mm

 

  井口法蘭密封墊環(huán)RX45 (參見SY5279.3—91)

 

  防噴器質量290kg 最大靜密封壓力11MPa最大動密封壓力5MPa

 

  殼體最大承壓能力588kN

 

  適用鉆桿直徑<73mm

 

  適用方鉆桿89mm×89mm

 

  膠芯最大通徑 <110mm

 

  2.1.2 結構特點

 

  XZ211205型旋轉防噴器是大修用井口密封設 備,可以實現井口密閉循環(huán),防止污油、污水入井對地層造成傷害,并能有效地防止井噴事故,結構如圖1。

 

  a) 密封部分 主要包括旋轉密封膠芯、V形密封圈和上密封圈等。旋轉密封機構橡膠密封圈與金屬件組合密封,膠芯由特殊材料制成。利用AN2SYS有限元工程軟件,對內部與外部形狀進行優(yōu)化設計,采用方密封段與圓密封段組合密封,且中間帶有輔助密封腔的整體結構。現場使用表明,這種結構形式的密封效果良好,完全達到設計指標。

 

  b) 旋轉部分 包括壓蓋、叉式方補心、中心管、上軸承和圓錐滾子軸承。壓蓋是旋轉機構的關鍵零件,既具有一定的過工具功能,又要傳遞動力,實現整套機構的旋轉密封。方補心為特殊設計的叉式結構,由方鉆桿驅動。整套組件具有安裝方便、旋轉靈活、安全可靠等特點。

 

  c) 輔助部分 包括底座、外殼體和調節(jié)螺栓 等,在井口可實現快速裝卸膠芯和旋轉密封件,能及時調整V形密封圈的密封壓力,以適應不同井下工況。

 

  2.1.3 工作原理

 

  將XZ211205型旋轉防噴器安裝在大修井的井口上,通過膠芯的設計預緊力實現對正常起下鉆桿的密封。方鉆桿的密封由膠芯的方密封段實現,圓密封段起輔助密封作用。由于整體結構設計新穎,鉆進或造螺紋時,膠芯與鉆桿一起旋轉,變普通的動態(tài)密封為半靜態(tài)密封,基本能消除周向相對位移,密封效果良好。當井內出現高反沖壓力時,膠芯在油套環(huán)空液體壓力的作用下,變形收縮,抱緊鉆具,可有效地防止井噴。在密封壓力范圍內,壓力越高,密封效果越好。

 

  a) 安裝 修井機安裝完后,提起油管,井口打 吊卡,卸開上部油管,吊裝防噴器,擰緊所有聯結螺栓。注意應使壓蓋上撥叉置于修井機井架與井口的 直線方向,以利于調節(jié)偏心,保證密封可靠。放入旋轉密封膠芯,連結好上、下油管,再安裝壓蓋及其他配件。

 

  b) 起下管柱 防噴器安裝完后,進行正常起 下管柱作業(yè)。不放入方補心時,壓蓋的最大通徑為<180mm,完全可以滿足一般修井、通井和打撈等作業(yè)的需要。

 

  c) 洗井 洗井作業(yè)時,牢固連結中心管上部 螺栓。洗井液從油套環(huán)空進入井內,從油管內返出,經方鉆桿和管線進入水罐或水池,避免了井口溢流對環(huán)境的污染。此外,由于實現了井口密封,避免了 污油、

 

  污水入井對地層造成傷害,洗井效果較好,縮短了洗井作業(yè)時間。 d) 旋轉 需要進行側鉆、造螺紋打撈時,首先接好方鉆桿,并調整方鉆桿使其對正密封膠芯的方密封段下入,再緊固壓蓋聯結螺栓,最后放入叉式方補心。在確認以上操作無誤后,低速驅動方鉆桿,便可進行正常鉆進或上提下放方鉆桿等工序。洗井液從油管進入井筒,再從油套環(huán)空返回液罐,除能顯著增強沖砂效果外,還可避免入井液堵塞油層。

 

  2.2 新研制的FX28235型旋轉防噴器

 

  2.2.1 性能及技術指標

 

  FX28235型旋轉防噴器擬首先應用到新疆塔河 工區(qū)和四川盆地川西工區(qū)。新疆塔河油田油藏地層低壓易漏、深度在地表5000m以下,使用欠平衡鉆井鉆水平井能提高鉆井效率和油層產能。鉆井過程中鉆頭主要由螺桿鉆具驅動,鉆桿鉆速低,旋轉防噴器內部轉速相應低,但工作時間長。川西地區(qū)屬于致密砂巖淺層氣藏,高壓低滲透,欠平衡鉆井過程中可能出現很高的井口壓力,新研制的旋轉防噴器必須能夠滿足在較高的井口壓力下實現邊噴邊鉆。FX28235型旋轉防噴器性能與當前進口的旋轉防噴器性能相當,操作簡單可靠,完成1口常規(guī)欠平衡鉆井只需更換1次易損密封件。

 

  主要技術指標:

 

  封井最高工作壓力

 

  旋轉鉆進狀態(tài)1715MPa

 

  靜止封鉆桿狀態(tài)35MPa

 

  封零狀態(tài)1715MPa最高工作轉速100r/min

 

  易損密封件壽命  密封膠芯使用1口井以上

 

  旋轉動密封 連續(xù)工作120h以上

 

  2.2.2 結構設計

 

  旋轉防噴器由主機(旋轉控制頭)和控制系統(tǒng)組成。設計主要集中在密封膠芯、旋轉動密封及軸承上。旋轉防噴器結構采用與環(huán)形防噴器類似的結構,井筒封閉形式采用由液力驅動壓迫密封膠芯封閉井口,封井壓力隨井壓自動補償。控制系統(tǒng)機電液一體化,所有電氣設備都滿足防爆要求。

 

  a) 主體結構 主體結構遵循API16A規(guī)范, 底部為符合API標準的346mm(13&3英寸),3415MPa(5000psi)標準法蘭,密封鋼圈為BX160型;頂部為符合API標準的280mm(11英寸),3415 MPa(5000psi)法蘭螺栓孔,密封鋼圈為RX54型。 外殼整體按照壓力容器額定壓力35MPa,試壓70MPa進行有限元強度校核。

 

  b) 殼體 殼體為鑄鋼件,抗硫化氫設計。

 

  c) 旋轉總成 旋轉總成通過密封膠芯抱緊的 鉆具直接驅動,不使用專門驅動器。簡化結構的同 時也簡化操作,旋轉防噴器內通孔及密封膠芯自由狀態(tài)通徑為<280mm,開鉆和換鉆頭時鉆頭能直接通過。

 

  d) 密封膠芯 密封膠芯采用與280mm(11英寸)環(huán)形防噴器通用的膠芯。球形膠芯補償膠量大,抗磨損壽命長;采取主動抱緊密封形式,低壓不易泄漏,同時井口壓力對膠芯起助封作用。環(huán)形防噴器膠芯通常要服務多口井,時間在1a以上,普通橡膠易老化而失去足夠的彈性。旋轉防噴器密封膠芯采用合成橡膠,抗老化、耐磨性好,即磨損到一定程度后也能封閉額定井壓,特別是抗撕裂性好,低溫性能好。

 

  e) 旋轉動密封 旋轉防噴器具有<280mm(11英寸)的通徑,旋轉動密封直徑大,工作線速度 高,達117m/s,靜密封最高工作壓力35MPa,旋 轉密封最高工作壓力1715MPa。選用kalsi密封,這種密封圈有波浪狀唇邊,允許在密封槽安裝時稍微扭曲,工作時依靠允許的微量泄漏液壓油潤滑冷卻自身。

 

  f) 軸承 軸承有承受推力和起扶正作用的2 種軸承。前一種軸承承受旋轉總成傳遞的液壓缸推力,以及井口流體施加在密封膠芯上的壓力,設計上壓力油通過軸承內部承受的液壓缸推力遠遠小于液壓缸作用在密封膠芯上的力;后一種從減小整體結構尺寸考慮,軸承剖面盡量薄比較有利,設計時保持架不用鉚釘連接,加工時內外圈不變形,是把軸承做薄的關鍵環(huán)節(jié)。

 

  g) 控制系統(tǒng) 旋轉防噴器利用液壓缸完成關閉和打開膠芯動作,關閉狀態(tài)的推力隨井口壓力成正比例變化,旋轉時油液穿過液壓缸內部循環(huán)潤滑冷卻軸承;以35MPa壓力進行緊急關閉,全關閉時間為30s。

 

  2.3 XK系列旋轉防噴器 四川石油管理局鉆采工藝技術研究院設計中心研制開發(fā)了動密封壓力10.5MPa,靜密封壓力21MPa,具有雙膠芯密封結構的高壓旋轉防噴器,經試驗和現場使用,效果良好。

 

  2.3.1 結構及工作原理

 

  該旋轉防噴器主要由旋轉總成、殼體總成和控制冷卻循環(huán)裝置

 

  3部分組成。

 

  旋轉總成和殼體通過卡箍連接。控制冷卻循環(huán)裝置包括液壓動力站、控制箱2大部分,它們通過高壓軟管與旋轉防噴器連接。欠平衡鉆進時,方鉆桿通過旋轉防噴器上的旋轉補心總成帶動轉動套、中心管及上、下部橡膠密封膠芯與鉆柱一起旋轉。橡膠密封膠芯依靠自身的彈性變形和井壓助封來對鉆柱周圍實施密封。膠芯受到一定程度磨損后,可通過液壓膠囊施以外壓,實施主動補償密封。控制冷卻循環(huán)裝置用來控制液動卡箍的開啟和關閉、潤滑冷卻軸承和密封盤根。

 

  2.3.2 特點及技術創(chuàng)新

 

  a) 可密封四方鉆桿的雙膠芯密封(專利技術)  該旋轉防噴器采用目前國外較高壓力等級旋轉防噴器通常采用的雙膠芯密封結構,密封性能可靠。國外同類產品只能用于密封六方鉆桿,而該產品不僅可以密封六方鉆桿,同時也可以密封國內普遍采用的四方鉆桿,因而更適合中國國情。

 

  b) 膠芯密封液壓膠囊助封裝置(專利技術) 該旋轉防噴器設計的液壓膠囊助封裝置,在下部膠芯和上部膠芯都磨損泄漏的情況下,可通過向液壓膠囊內注入液壓油,使其強行向內擠壓上部膠芯,迫使上部膠芯抱緊鉆具,實施主動補償密封。該裝置能有效地延長膠芯密封使用時間。該技術目前在國外還未曾出現。

 

  c) 旋轉總成與密封膠芯整體拆裝 更換下部 密封膠芯時,只需將卡箍松開,便可將旋轉總成整體取出更換膠芯;更換上部密封膠芯時,只需將上部的卡螺紋筒旋轉90°,即可方便地取出膠芯,拆裝省時方便。

 

  d) 帶有自動安全鎖緊的液動卡箍 該旋轉防噴器使用液動卡箍連接殼體與旋轉總成,無需手工操作,自動化程度高。其中自動安全鎖緊裝置能保證卡箍在意外情況下安全鎖緊,先進于國外產品的手動鎖緊裝置,并提供可與液動卡箍互換的手動卡箍,無需液控系統(tǒng)也能單獨使用。

 

  e) 連續(xù)壓力循環(huán)油潤滑冷卻軸承 旋轉總成設計有潤滑油注入與排出通道,能對軸承進行連續(xù)壓力循環(huán)潤滑。在使用中,軸承浸沒在潤滑油中,使其能夠得到充分地冷卻和潤滑。

 

  f) 具有扶正防磨功能(專利技術) 現場使用的鉆機普遍存在井架、轉盤與井口不對中的情況,該旋轉防噴器設計有防磨扶正套,能有效地延長軸承使用壽命。

 

  g) 結構緊湊適用范圍廣 該旋轉防噴器結構 緊湊、高度低、徑向尺寸小、能用于轉盤開口尺寸≥520mm的所有鉆機。由于配備有完善的控制系 統(tǒng)、冷卻加熱等輔助裝置,使得該旋轉防噴器既能用于高溫缺水的環(huán)境,又能用于高寒地區(qū)。

 

  2.3.3 技術參數

 

  適用鉆具 <127、<89、<73mm鉆桿及相應的 六方、四方方鉆桿 適用介質空氣、泡沫及其他各種鉆井液

 

  可通過最大鉆具尺寸<196.8mm適用井口溫度<100℃主通徑<350、<280、<230mm 側通徑<180mm

 

  工作壓力

 

  動壓10.5MPa

 

  靜壓21.0MPa最高轉速 100r/min總體尺寸

 

  旋轉防噴器總高1580mm

 

  旋轉總成外徑 <518mm

 

  3 旋轉防噴器的發(fā)展方向

 

  上世紀60年代中期到70年代初期,用天然氣或壓縮空氣作為鉆井介質鉆油氣井或煤層氣井的實 踐加快了人們對旋轉防噴器的研制。 美國Williams公司1968年開發(fā)了Williams8000型低壓旋轉防噴器,1985年開發(fā)了9000型、9200型和9300型系列產品,1995年和1997年又相 繼開發(fā)了7000型和7100型高壓旋轉防噴器。其低壓旋轉防噴器已經應用了上萬井次。 我國上個世紀60年代曾在四川油氣田使用過簡單的井口旋轉控制裝置,但該裝置密封效果非常差,只能起導流作用,幾乎不能承受回壓。隨后的XM230/50型旋轉防噴器,其膠芯厚度較薄,且內部 無支撐骨架,因此使用壽命較短。70年代,參考美國Shaffer公司生產的FS70/200型旋轉防噴器在膠芯設計方面有所改進,但密封壓力仍然很低。到目前為止,國內僅有少數幾個生產廠生產旋轉防噴器。隨著國內各油田負壓鉆井技術的研究和應用發(fā)展,國內旋轉防噴器產品的開發(fā)與應用必將加速發(fā)展[5]。 國外旋轉防噴器的發(fā)展有4個方面。

 

  a) 密封壓力等級越來越高,動密封壓力從315MPa提高到1715MPa;靜密封壓力從7MPa 提高到35MPa。應用范圍從空氣鉆井發(fā)展到地熱 鉆井、油氣井及修井作業(yè);從陸地鉆井發(fā)展到海洋鉆井。

 

  b) 由于旋轉防噴器內部組件承受推力載荷,軸承組會產生大量的熱量,在鉆高壓井時尤為突出。因此,軸承的潤滑從低壓注潤滑脂發(fā)展到用單獨的高壓油泵進行潤滑,冷卻系統(tǒng)從沒有發(fā)展到用單獨的遠程熱交換器實現冷卻(水冷或風冷),以提高其連續(xù)工作的時間和延長軸承的使用壽命。

 

  c) 軸承組總成的鎖緊裝置由手動鎖緊發(fā)展到液壓控制鎖緊,這樣既方便了操作又減輕了工人的勞動強度,同時縮短軸承組總成的拆裝時間。

 

  d) 應用于較高壓力的高壓旋轉防噴器通常都配備了一個控制和測量儀表臺,安裝在鉆臺上,以監(jiān) 測井眼壓力及其他重要測量數據,方便旋轉防噴器 的控制和操作。