（石油与天然气工程专业论文）旋转防喷液压控制系统研制.pdf

摘要 欠平衡压力钻井是2 0 世纪9 0 年代国际上的一项先进的钻井新工艺，在保护油 气层，发现新的储量，提高产能等方面具有重要的作用。欠平衡钻井需要一系列的 专用设备，其中最主要的设备是旋转防喷系统。针对进口的欠平衡钻井用井口压力控 制设备，特别是承受高压的井口压力控制设备，价格非常昂贵，使用成本很高的情 况，研制了一种高压旋转防喷系统。该系统由旋转防喷导流装置、冷却润滑动力装 置、远程控制监测装置三部分组成。其核心部件高压旋转密封总成，其内外壳 体间通过轴承组及动密封组实现承载、旋转、密封功能。该系统性能指标：额定静 态工作压力3 5 m p a ，额定动态工作压力1 7 5 m p a ，钻具最大旋转速度1 5 0 r m i n 。该 系统综合性能指标已达到美国w i l l i a m s 公司的7 1 0 0 型旋转防喷系统的水平，部分 性能优于7 1 0 0 型旋转防喷系统。与进口样机相比，冷却润滑动力装置中润滑油泵 电机的温升显著低于进口样机，使得润滑油泵可以长时间连续运转，解决了进口设 备中润滑油泵电机温升较大、润滑油泵只能间歇运行的问题，极大地改善了轴承总 成的润滑条件；提高了冷却润滑动力装置中制冷压缩机的功率，使冷却能力提高了 6 7 ，减少了压缩机的工作时间，保证了系统在高温高压条件下能够正常工作。 该系统不仅适用于欠平衡压力钻井，而且适用于在地层压力敏感地区及含h 2 s 或其他有害物质的地区钻井，可以承受瞬间井涌，并且能够满足特殊钻井工艺的施 工要求。经过室内试验和现场试验证明该系统能长时间连续运转，各设备工作正常， 各设备的性能指标均已达到设计要求。该系统的研制成功，填补了国内空白，打破 了国外公司的技术垄断，提高了国内欠平衡钻井专用设备的研究开发能力，具有重 大经济效益和社会效益。 关键词：欠平衡钻井，旋转防喷系统，研制 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fr b o p h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m w a nx i u q i ( o i l & g a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t e p r o f e s s o rb uy u h u a n p r o f e s s o r - e n g i n e e rl iz o n g q i n g a bs t r a c t u n d e rb a l a n c e dd r i l l i n g ( u b d ) i san e wd r i l l i n gt e c h n o l o g yi n19 9 0 st op r o t e c t r e s e r v o i ra n di m p r o v et h ep r o d u c t i v i t yo ft h ew e l l r o t a r yb o pi st h em o s ti m p o r t a n tp a r t a m o n gas e r i e so fs p e c i a le q u i p m e n t sf o ru b d t h ep r e s s u r ec o n t r o le q u i p m e n tb e a r i n gh i g h p r e s s u r eo nt h ew e l lh e a di ss oe x p e n s i v e ，t h a tw ed e v e l o pan e wh i g hp r e s s u r er o t a r yb o p s y s t e mt os a v ec o s t t h en e ws y s t e mi sm a d eu pw i t ht h r e ep a r t s ：r o t a r yd i v e r s i o nd e v i c e ， c o o l i n g l u b r i c a t i n gp o w e rp l a n ta n dr e m o t ec o n t r o lm o n i t o r i n gu n i t t h ec o r ep a r te l e m e n t h i g hp r e s s u r er o t a r ys e a la s s e m b l yh a st h ef u n c t i o no fb e a r i n g r o t a t i n ga n ds e a l i n gb yb e a r i n g p a c ka n dd y n a m i cs e a l i n gp a c k p e r f o r m a n c ei n d e x e so f t h i ss y s t e ma r e ：r a t e ds t a t i cw o r k i n g p r e s s u r e3 5 m p a ，r a t e dd y n a m i cw o r k i n gp r e s s u r e17 5 m p a ，m a x i m u mr o t a r ys p e e d15 0 r m i n o v e r a l lp e r f o r m a n c ei n d e x e sa rem e a s u r e du pt o710 0 b o po fw i l l i a m s ，a n ds o m e p e r f o r m a n c e sa r eb e t t e rt h a n7 10 0 b o et h et e m p e r a t u r er i s eo ft h el u b eo i lp u m pm o t o ri n c o o l i n g l u b r i c a t i n gp o w e rp l a n ti sl o w e rt h a ni m p o r tm o d e lm a c h i n e ，s ot h a tt h el u b eo i l p u m pc a nc o n t i n u o u sr u nf o ra l o n gt i m et oi m p r o v el u b r i c a t i n gc o n d i t i o no ft h eb e a r i n g a s s e m b l y , i n c r e a s et h eh o r s e p o w e ro fc o o l i n gc o m p r e s s o r , a n dp r o t e c tt h ec o n t r o lh e a d w o r k i n ga th t h p c o n d i t i o nn o r m a l l y t h i ss y s t e mi sn o to n l ya p p l i c a b l et ou n d e rb a l a n c e dd r i l l i n g ，b u ta l s ot od r i l l i n g o p e r a t i o ni nt h ea r e ao fp r e s s u r es e n s i t i v ef o r m a t i o na n df o r m a t i o nc o n t a i n i n gh 2 s i tc a nb e a r t h ep r e s s u r eo fi n s t a n t a n e o u sk i c ka n dm e e tw i t ht h er e q u i r e m e n t so fs p e c i a ld r i l l i n go p e r a t i o n t h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to ft h i su b d r o t a r yb o ps y s t e mb r e a k su pt h em o n o p o l i z a t i o n o ff o r e i g nc o m p a n y , i m p r o v e st h ec a p a b i l i t yo fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fu b de q u i p m e n t i th a sg r e a te c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s k e yw o r d s ：u b d ，r o t a r yb o ps y s t e m ，d e v e l o p m e n t 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：叠壅亟日期：2 口糖2 月岁日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：互壅殖 指导教师签名： 日期：2 p d 驴年1 2 - 月岁p 1 日期： 。8 年j 工月j 一日 中国石油大学( 华东) 工程硕上学位论文 第1 章前言 1 1 旋转防喷系统研制的目的及意义 欠平衡钻井技术是2 0 世纪术发展起来的一项钻井新技术，它改变用钻井液的液柱 压力来平衡地层压力的常规钻井方法，在钻井过程中钻井液的循环压力低于正钻地层的 孔隙压力，允许产层流体流入井眼，在地面有效控制下循环到地面，其特征是：负压状 态，边喷边钻。 该技术具有常规钻井不可比拟的优越性 1 4 】： ( 1 ) 能够解决或减轻钻井液漏失的工程复杂问题； ( 2 ) 提高防喷能力，实现边喷边钻，彻底解放油气层； ( 3 ) 防止油层污染，提高油井产能； ( 4 ) 改进地质评价，提高勘探效果。 利用欠平衡钻井技术可以有效地防止地层伤害，提高油井产能和勘探效率。该技术 的应用解决了许多勘探开发中的难题，为老油f f l 、枯竭地层、漏失层、低压、低渗地层 等难动用油f r 的勘探开发提供了新的途径，成为继水平井技术之后的又一个钻井技术发 展热点。 2 0 世纪9 0 年代初以来，美国等西方发达国家，陆续研制出欠平衡钻井用井口压力 控制系统和地面流体处理系统，使欠平衡钻井技术得到迅速发展【5 6 1 。随着欠平衡钻井 技术应用的普及，其优越性同益凸显出来，这项技术为越来越多的油公司所接受和认可， 并受到钻井界的极大关注【7 1 。国内从2 0 世纪9 0 年代中后期开始引进旋转控制头等主要 设备，进行欠平衡钻井的试验研究。胜利油田从1 9 9 8 年开始引进欠平衡钻井设备，选 择合适的地层进行探索性试验，到目前为止已经开展了多口井的试验和应用，在解决井 漏、提高产能、改善地质评价方面取得了明显效果 8 l 。目前随着国内一些老油田已进入 开发后期，原始地层压力体系已被打破，储层压力普遍下降，并鉴于常规钻井技术对储 层的污染比较严重等不利因素，国内各油田加大欠平衡钻井技术的开发、推广力度，试 图利用欠平衡钻井技术提高低渗透油藏和特殊岩性油气藏的勘探成功率和采收率【9 - 1 0 】。 欠平衡钻井的特点在于井底压力低于地层孔隙压力、地层流体进入井内【1 1 】，因此在 欠平衡钻井过程中，地层中的流体( 油和气) 连同钻井液携带着岩屑从钻具与井筒之间 的环空中上返，储层流体中所含的油气对井口设备和人员构成严重威胁，在井口有可能 第1 章前言 产生压力，因此必须要密封井口的返出流体，控制井口压力，防止井喷事故的发生。同 时在井口有压力时钻井生产必须正常进行，也就是说，钻具必须既能旋转又能上下活动。 常规防喷器组属于井口压力控制设备，但它不允许在井口有压力时进行正常的钻井生 产，为此欠平衡钻井需要一系列的专用设备 1 2 - 1 6 1 ，实现欠平衡条件下的井口压力控制， 其中最主要的设备是旋转防喷系统【1 7 】。 旋转防喷系统由旋转防喷导流装置、冷却润滑动力装置、远程控制监测装置三部 分组成。旋转防喷导流装置安装在常规防喷器组上面，用于在钻井作业过程中，对井口 与钻柱之间的环空起封隔密封作用，以提供安全有效的压力控制，保证钻井作业正常进 行，是欠平衡钻井的必备设备之一。冷却润滑动力装置安装在井架底座附近，为旋转 防喷导流装置提供润滑油和冷却液。远程控制监测装置一般安装在钻台上，用于监测井 口套压、润滑油压，为旋转防喷导流装置底座卡紧液缸提供液压动力。到目前为止，国 内使用的旋转防喷系统大多数从美国引进。在目前形势下单靠引进设备已经不能满足欠 平衡技术发展的需要，因此加快旋转防喷系统研制，特别是加快研制旋转防喷导流装置 的关键部件旋转密封总成已势在必行。 目前国内还没有研制出成套的高压旋转防喷系统，高压旋转密封总成完全依赖进 口。这是因为一方面旋转防喷系统属国外专利产品，外国公司对其进行技术封锁；另一 方面，旋转防喷系统属高压旋转密封设备，安全性要求高，难度大，国内还没有一家石 油公司能够集中巨大的技术力量和资金支持进行彻底的研究。但是随着欠平衡钻井技术 的推广，如果长期、大量购买国外产品，势必花费大量外汇，投资极大，一方面经济上 行不通，另一方面技术上受制于人，必将影响该技术在国内推广应用。 因此为进一步推进我国欠平衡钻井技术的发展，应进行成套高压旋转防喷系统的专 项研究，即利用现有的成熟技术进行设计研究，研制出一种具有自主知识产权的、安全 可靠的高压旋转防喷系统，打破国外公司对该技术的垄断。高压旋转防喷系统的研制成 功必将提高我国欠平衡钻井专用设备的研制开发能力，节省大量资金，推动欠平衡钻井 技术在国内的推广应用，为我国石油工业的发展、振兴民族工业做出贡献。 1 2 国内外旋转防喷系统的现况 旋转防喷系统安装在井口防喷器组的顶部，其作用是封闭钻具( 六方钻杆、钻杆等) 与井口之间的环空，用于在井口有一定套压的情况下能够保持继续钻进或带压起下钻， 与强行起下钻设备配合可以进行其他复杂作业。在进行欠平衡钻井、气雾钻井时，井口 2 中国石油大学( 华东) 工程硕上学位论文 必须安装旋转防喷系统。 在2 0 世纪5 0 年代，世界上开始研究欠平衡钻井技术。但在2 0 世纪9 0 年代以前， 受当时技术水平的限制、特别是实施该技术所需的关键的井口压力控制设备不过关，这 项技术发展缓慢。自2 0 世纪9 0 年代初期开始，国外在欠平衡钻井专用设备研究、开发 方面取得了突破性进展。 目前，美国和加拿大在欠平衡压力钻井装备研究开发方面居国际领先水平，生产厂 家较多，如美国s e a l t e c h 公司、w i l lj a m s 公司、s h a f f e r 公司、r b o p 公司、h y d r i l 公司等都生产旋转防喷系统。其中，美国w i i i i a m s 公司的系列旋转控制头和s h a f f e r 公司的p c w d 旋转防喷器是目前世界上较先进的欠平衡井口压力控制设备。国内外主要 旋转防喷系统的性能指标对比如表i - i 。 表卜1国内外主要旋转防喷系统的性能指标对比 t a b l e l 一1 c a p a b i l i t yc o m p a r i s o no f t h er b o p si nc o m m e nu s e 静压，动压，转速，高度，冷却胶芯 型号润滑方式 m p am p ar r a i nm m 方式数量 2 1 01 0 0 p c w d 3 51 2 4 4高压油润滑水冷l 1 7 52 0 0 w i l l i a m s9 0 0 073 51 0 09 2 7 低压油润滑无 1 w i l l i a m s7 0 0 02 11 0 51 0 01 6 0 0 高压油润滑 水冷2 w i l l i a m s7 10 03 51 7 51 0 01 6 0 0 高压油润滑水冷2 s e a l 坷e c h1 41 0 2l o o1 4 4 7 高压油润滑风冷胶囊 r b o p2 k1 41 0 21 0 01 4 9 8高压油润滑油冷胶囊 r b o p5 k3 52 4 01 4 01 1 3 0 高压油润滑油冷胶囊 r p m s y s t e3 0 0 2 11 4 01 0 01 0 1 6 高压油润滑 水冷 胶囊 f s 7 0 2 0 52 51 0 01 1 0 0 低压脂润滑无1 在上述防喷系统中，按胶芯密封形式分可分为主动密封和被动密封两种方式。 p c w d 和r b o p 属于主动密封方式，密封原理都是利用液压力推动胶芯( 胶囊) 抱紧 钻具，密封钻具与井口的环空。p c w d 密封钻具原理与环形防喷器相似，即通过外部 高压液压源推动球形胶芯向上、向内移动，从而抱住钻具。在钻进、带压起下钻过程中， 随着胶芯磨损，可适当增大外部液压力，使球形胶芯能够不断向上、向内移动，实现连 续密封。但p c w d 系统结构复杂，动力站的电路控制系统、液压系统及防喷器的旋转 部分都较容易出现问题，并且一旦出现问题现场解决起来非常困难。 w i l l i a m s 系列旋转控制头属于被动密封方式，密封原理是利用上下两个胶芯实现对 3 第1 章前言 钻具包绕密封。w i l l i a m s 胶芯的通径小于钻杆( 方钻杆) 的外径，通过胶芯与钻具的过 盈配合实现密封。随着胶芯的磨损，该过盈量不断减小，胶芯将密封不住环空压力，就 应该更换胶芯。大的套压对胶芯有辅助密封作用。w i l l i a m s 轴承总成是一个独立的、密 闭的整体，由低温水冷却，润滑油强制润滑，并且通过独特的设计，使润滑油的压力始 终比套压大1 4 - - 2 m p a ，允许润滑油进入钻井液而不允许钻井液进入润滑油中，保护轴 承不被污染。但高压w i l l i a m s 旋转控制头主要问题是上部旋转动密封出现泄漏冷却水和 润滑油的问题，此时设备将无法正常使用。因此，从现场使用的情况来看，轴承总成上 部旋转动密封的可靠性较差，使用寿命低，需要维修的周期短。由于国外公司技术封锁， 轴承总成不允许自行开启维修，出现问题后需送往国外厂家进行维修。这样存在两个问 题：一是价格昂贵，维修一个轴承总成的费用大约是2 5 0 0 0 美元；二是周期太长，大约 需要一年的时间，会影响正常生产。现在国内进口的w i l l i a m s 旋转控制头有的已回厂大 修，其余大部分已出现漏冷却液、漏油、轴承坏等问题，不能正常工作，影响了欠平衡 钻井技术发展的进程。 国内在高压旋转防喷系统的研制上还是空白。四j i i 石油管理局钻采工艺技术研究院 等国内公司研制了部分中、低压旋转防喷器，利用强制油润滑，冷却水对上部密封盘根 进行冷却，最高转速低于l o o r m i n ，能在一定程度上满足欠平衡钻井技术对低压产品的 需求，但对一些复杂情况井，这种中、低压设备不能满足生产需要。 1 3 高压旋转防喷系统发展趋势和前景 在国外，自从2 0 世纪6 0 年代旋转控制头出现以来，该项技术不断地得到发展和 更新，其中以美国w i l l i a m s 工具公司为代表，1 9 6 8 年开发了w i l l i a m s 8 0 0 0 型低压旋转 控制头，1 9 8 5 年开发了w i l l i a m s 9 0 0 0 型，主要用于空气钻井，然后又成功地开发了 w i l l i a m s9 1 0 0 型和9 2 0 0 型用于地热钻井，w i l l i a m s 9 3 0 0 型用于海洋钻井。1 9 9 1 年后半 年，该公司开发了w i l l i a m s 7 0 0 0 型高压旋转控制头，最大转速1 0 0 r m i n ，控制压力为动 压10 5 m p a 、静压2 1 m p a 。1 9 9 6 年又成功开发了7 1 0 0 型高压旋转控制头，最大转速 10 0 r m i n ，控制压力为动压17 5 m p a 、静压3 5 m p a t l 8 - 1 9 。 从国外旋转控制头的发展来看，有四个方面的特点：密封压力等级越来越高，应 用范围越来越广，动密封压力从3 1 5 m p a 提高到1 7 1 5 m p a ，静密封压力从7 m p a 提 高到3 5 m p a ，应用范围从空气钻井发展到地热钻井、油气井及修井作业，从陆上钻井 发展到海洋钻井；由于旋转控制头内部组件承受推力载荷，轴承组会产生相当可观的 4 中国石油大学( 华东) 丁程硕十学位论文 热量，在钻高压井时尤为突出。因此，轴承的润滑从低压注润滑脂发展到用单独的高压 油泵进行润滑，冷却系统从没有发展到用单独的远程热交换器实现冷却( 水冷或风冷) ， 以提高其连续工作的时间和延长轴承的使用寿命；轴承组总成的锁紧装置由手动锁紧 发展到液压控制锁紧，这样既方便了操作又减轻了工人的劳动强度，同时缩短轴承组总 成的拆装时间；应用于较高压力的高压旋转控制头通常都配备了一个控制和测量仪表 台，安装在钻台上，以监测井口压力及其他重要测量数据，方便旋转控制头的控制和操 作。因此，井口压力控制专用设备将朝着高压力、高寿命、结构简单，运行可靠、产品 系列化的方向发展。 目前，国内使用的高压旋转防喷系统大多数是从美国引进的。随着欠平衡技术的发 展和应用的普及，单靠引进设备已经不能满足生产的需要，因此，加快旋转防喷系统研 制已势在必行。但国内对旋转防喷系统的研究和应用还存在以下的不足：压力等级较 低，应用范围不够广泛，不能满足现代欠平衡钻井技术的需要。润滑和冷却形式仍借 鉴国外同类产品的形式，系统中的核心部件旋转密封总成仍需采用进口产品。 1 4 本文的主要研究内容和技术路线 1 4 1 本文的主要研究内容 1 、旋转防喷系统结构和工作原理分析 分析对比国外常用旋转防喷器的结构和工作原理，对比其优缺点，结合国内欠平衡 钻井施工经验，综合考虑，确定本系统总体方案。 2 、旋转防喷装置研制 旋转防喷装置由底座、夹紧装置、大直径高压密封元件、现场测试装置( 包括：井 压传感器、试压塞等) 、高压旋转密封总成等组成。该部分的主要功能是在一定范围内 承受井口套压，带压旋转钻具和带压起下钻，是实施欠平衡压力钻井工艺的核心。其中 高压旋转密封总成是研究的难点和主要攻关点。 3 、冷却润滑动力装置研制 旋转防喷系统工作时，由于井口高温流体及套压和其他外力的作用，高压旋转密封 总成中的轴承在运转过程中温度会升高，且需要润滑。该装置的作用就是对轴承进行连 续强制润滑和冷却。其性能影响高压旋转密封总成中的轴承乃至旋转控制头的使用寿 命。 4 、远程控制监测装置研制 5 第1 章前言 远程控制监测装置的作用是检测套压、润滑油压力、提供动力控制高压旋转密封总 成的夹紧或松开。 1 4 2 技术路线 ( 1 ) 查阅相关文献，研究国外主要的旋转防喷系统的工作原理和结构特点，对各 系统进行分析对比。 ( 2 ) 引进国外设备，通过消化吸收，进一步弄清其原理、结构和相关参数。 ( 3 ) 进行结构设计。 ( 4 ) 根据国内机械工业水平，进口少量关键零件，加工制造并组装。 ( 5 ) 进行室内试验及改进。 ( 6 ) 进行现场试验及改进。 6 中国石油大学( 华东) 1 2 程硕士学位论文 第2 章旋转防喷系统设计原理及结构特点 在欠平衡钻井过程中，地层流体应有控制地流入井筒。与常规钻井不同，在井口被 旋转防喷系统封闭的情况下，井口将有可能产生很高压力，因此在旋转钻进过程中，必 须要控制和密封井口的压力，不能发生井喷。旋转防喷系统的主要功能是提供井口压力 控制，实现旋转密封，使得钻井作业在井口有压力的情况下能够照常进行。 该旋转防喷系统是在综合w i l l i a m s7 10 0 型旋转控制头系统和s h a f f e rp c w d 旋转防 喷器系统优点的基础上，结合国内欠平衡钻井现场施工经验而研制的。系统所有部件都 为自行设计，特别是自主研制了旋转防喷系统的核心部件高压旋转密封总成。经过 胜利油田质量监督检验所检测，该系统的性能指标完全达到设计要求，整体性能指标达 到甚至超过国外同类产品水平。 2 1 旋转防喷系统的结构和工作原理【2 0 。4 0 】 2 1 1 进口旋转防喷系统性能分析 旋转控制头或旋转防喷器是实现欠平衡钻井的关键设备。目前我国主要引进了 w i l l i a m s7 0 0 0 型和7 1 0 0 型旋转控制头及s h a f f e r 公司的p c w d 旋转防喷器。胜利油田 于1 9 9 8 年引进了第一套w i l l i a m s7 1 0 0 型旋转控制头，于1 9 9 9 年引进了一套p c w d 旋 转防喷器。1 9 9 8 年至今完成了百余口井的欠平衡技术服务，并培养了大批欠平衡技术 人员。 旋转防喷器的主要功能是提供井口压力控制，实现旋转密封，使得钻井作业在井口 有压力的情况下能够照常进行。在结构上所有的旋转防喷器都是通过胶芯包绕钻具来实 现密封，通过轴承组来实现旋转轴承组内滚道随钻具一起转动，外滚道与壳体保持 固定不动。 s h a f f e r 公司在原来环形防喷器的基础上，增加了轴承和旋转动密封机构，设计生 产了p c w d ( p r e s s u r ec o n t r o lw h i l ed r i l l i n g ) 旋转防喷器，其结构图如图2 1 。该结构 包含三个轴承和两组旋转动密封，下面两个向心轴承起扶正作用，上面的一个推力轴承 用来平衡井压和液压力。其密封钻具原理与环形防喷器相似，即通过外部高压液压源推 动球形胶芯向上、向内移动，从而抱住钻具。在钻进( 或带压起下钻) 过程中，随着胶 芯磨损，可适当增大外部液压力，使球形胶芯能够不断向上、向内移动，实现连续密封。 这种密封形式属于主动密封。 7 第2 章旋转防喷系统设计原理及结构特点 图2 - 1p c w l ) 旋转防喷器 f i 9 2 - 1 p c w i ) r s b o p 在欠平衡钻进需要胶芯抱紧钻具时，应从下油口打进高压油，使活塞上升，同时下 衬套上升少许( o 7 9 m m ) ，液压油经下衬套下沿、下向心轴承、上向心轴承、上衬套 与上壳体的间隙至推力轴承，在此过程中压力几乎不减，使推力轴承受到的液压轴向力 最小。然后液压油再流经上密封套( u p p e rs e a lc a r r i a g e ) 上的若干个阻尼孔( o r i f i c e ) ， 使压力降为0 ，从上油口流出，经过滤回到油箱。需要开启动作时，液压油经过上壳体 总成，推动活塞和下衬套下移。下衬套与下壳体形成钢对钢的密封，液压油只能通过活 塞上的减压阀( r e l i e v ev a l v e ) 进入活塞下腔，压力降为0 ，从下油口流出回油箱。 w i l l i a m s7 1 0 0 型控制头的旋转部分是由两个向心扶正轴承和两个推力轴承组成，由 上下两个胶芯实现对钻具包绕密封，其结构如图2 2 。w i l l i a m s 胶芯的通径小于钻杆( 方 钻杆) 的外径，通过胶芯与钻具的过盈配合实现密封( 如密封5 ”钻杆用的41 8 ”胶芯， 胶芯内径1 0 7 m m ，而钻杆外径为1 2 7 m m ，二者之间的过盈量为2 0 m m ) 。随着胶芯的磨 损，该过盈量不断减小，胶芯将密封不住环空压力，就应该更换胶芯。大的套压对胶芯 有辅助密封作用。这种形式密封属于被动密封。 w i l l i a m s 轴承总成是一个独立的、密闭的整体，由低温水冷却，润滑油强制润滑， 并且通过独特的设计，使润滑油的压力始终比套压大1 4 - 2 m p a ，允许润滑油进入钻井 液而不允许钻井液进入润滑油中，保护轴承不被污染。 综上所述，从轴承总成设计上分析，w i l l i a m s 轴承总成比p c w d 更合理。对于 p c w d ，在更换胶芯或安装、拆卸蓄能器过程中时，其轴承和液压油实际暴露在外界渣 滓中，容易导致液压油被污染，轴承被渣滓卡死，甚至引起包括高压油泵在内的整个液 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 压系统失效。所以w i l l i a m s 系统更适合于在现场长时间工作，而p c w d 要求的工作环 境比较苛刻。 图2 - 2w i l l i a m s 控制头 f i 9 2 2 w i l l i a m sc o n t r o lh e a d w i l l i a m s 和p c w d 都有结构复杂的动力站，为控制头提供液压力、润滑及冷却。 w i l l i a m s 动力站相对简单，主要包括柱塞式油泵、水泵及制冷压缩机系统，作用是 润滑和冷却轴承总成。而p c w d 动力站非常复杂，主要包括液压系统和电路控制系统 两部分。液压系统包括先导控制系统、主油泵系统、高压油泵系统和循环过滤、冷却系 统，主要作用是提供使胶芯涨、缩的液压动力，并为控制头提供润滑和冷却。电路控制 系统的作用是对液压系统和钻井工况提供实时监测和控制。 ( 1 ) 润滑和液压作用 w i l l i a m s 油泵的流量和功率都很小，其流量只有1 5 m l m i n ，其作用是不断向轴承总 成内泵入液压油以补充轴承转动时从动密封处泄漏的润滑油，并保证润滑油的压力始终 比井压大1 4 2 m p a 。但该泵推荐设定的最高压力是2 2 5 0 p s i ( 1 5 5 m p a ) ，也就是说如果 井压超过该压力( 例如达到转动时允许的最高压力1 7 5 m p a ) ，钻井液有可能进入轴承 总成，损坏轴承。 p c w d 可根据地层及钻井情况，通过人为控制主油泵液压油的流向和液压力大小， 控制胶芯开、合及胶芯对钻杆抱紧程度，从而方便钻井作业，减小胶芯的磨损，并减少 9 第2 章旋转防喷系统设计原理及结构特点 系统能量占用，其主油泵系统液压示意图如图2 3 。影响主油泵输出压力的因素有两方 面：一是井压，即从井压传感器传来压力，进入双先导溢流阀1 的一个控制口；另一个 控制压力是在远程控制台上，操作者通过d e c 或i n c 两个键设定的压差液压油压 力与井压之差。需要增加压差时，在司钻控制盘上按下i n c ( 增压) 键，通过电磁阀 1 9 、液控单向阀4 向蓄能器6 和双先导溢流阀1 的另一个控制口供油，节流阀5 调节供 油速度，即增压快慢；在需要降低压差时，在司钻控制盘上操作d e c ( 降压) 键，使 液控单向阀4 实现通路，从蓄能器6 泄出部分压力。这样井压和压差之和即为主油泵的 压力。如果司钻控制盘上将控制泵打到i d l e 位置，使两位四通阀2 动作，主泵c v p 压力为0 ，这样主泵输出压力很小。 故p c w d 的主动式密封能更有效地利用胶芯，更方便地进行钻井作业，相对于 w i l l i a m s 的被动式密封有一定的优势。 图2 3p c w d 主油泵液压系统示意图 f i 9 2 - 3h y d r a u l i cs y s t e mo fp c w dp r i m a r yp u m p 防嘲辩塞 拊啭惑器 ( 2 ) 制冷作用 动力站的另一个作用是冷却防喷器旋转产生的热量。 w i l l i a m s 水泵及制冷压缩机能通过强制冷水在轴承内循环( 进入轴承总成的水温应 始终保持在4 和1 5 6 。c 之间) ，带走轴承总成转动产生的热量，使轴承总成在转动时保 持低温状态，以延长橡胶密封件的寿命。 对于7 1 0 0 型控制头，通过分析某欠平衡井的现场纪录发现：当轴承转动时，轴承 进出口的水温温度差平均值约为1 3 。f ；而当轴承静止时，其温度差平均值约为1 0 。f ， 也就是说轴承以转速为6 0 r p m 时转动产生的热量使流量为lg p m 的冷却水提高了3 。f 。 1 n 中国石油大学( 华东) 丁程顾十学位论文 按照该数据计算，该轴承转动时的阻力矩约为7 0 n m 。不同的轴承在其不同的使用期、 不同的井压条件下阻力矩可能有一定差异。 p c w d 利用润滑油带走轴承转动及动密封摩擦产生的热量。p c w d 工作时热量的 产生主要包括三方面，对于主油泵系统，当液压油在防喷器内流动时其压力由控制压 力降为0 所产生的热量。p c w d 主油泵最大排出压力为3 9 0 0 p s i ，最大输出流量为2 5 9 p m ， 并且随着控制压力增大输出排量也相应增大，其产热功率最大值达到了3 2 3 k w ，这也 必然导致产生大量热量；液压油在循环、过滤回路流动时其压力由泵压降为0 产生的 热量，其最大产热功率为1 4 k w ；防喷器转动时摩擦阻力矩产生的热量。 产生的热量是通过热交换器和油箱表面散发出去的。热交换器由循环水冷却，要求 循环水的流量达到3 5 4 0 9 p m ( 1 3 5 1 5 1 l m ) ，散热能力达到2 2 0 0 0 0 b t u ( 5 8 6 k w ) 。 而油箱表面热量散失能力与环境温度有关，其计算公式为 o = x - a 丁( 2 - 1 ) 式中酪一散热系数，k w m 2 - o c ； 彳油箱表面积，m 2 ； 卜油箱表面温度与环境温度差，o c ； 9 一油箱表面热量散失能力，k w 。 根据产热量与散热量相平衡的能量平衡理论，可计算出摩擦阻力矩。根据某口欠平 衡井的设备运行情况分析，在环境温度为1 5 0 c 、循环水泵未开动的情况下，发现润滑 油温度基本稳定在1 1 4 0 f 。经计算此时油箱散热能力为5 1 k w ；而主油泵压力为5 0 0 p s i ， 流量为5 9 p m ，主油泵系统产热功率为1 0 9 k w ；循环泵压力为3 0 p s i ，流量为5 0 9 p m ， 循环泵系统产热能力为0 6 5 k w ；经计算此时摩擦阻力矩产热功率为3 3 6 k w 。根据此时 钻具转速为7 5 r p m ，可粗略计算出p c w d 摩擦阻力矩为4 2 8 n m ，约为7 1 0 0 型控制头 的6 倍。 2 1 2 系统组成及功能 旋转防喷系统由三部分组成： ( 1 ) 旋转防喷导流装置 旋转防喷导流装置安装在井口防喷器组的顶部，是实施欠平衡钻井工艺的必备设 备。该部分的主要功能是在井口有一定套压的情况下能够保持继续钻进或带压起下钻。 第2 章旋转防喷系统设计原理及结构特点 ( 2 ) 冷却润滑动力装置 冷却润滑动力装置的作用是对旋转防喷导流装置的关键部件旋转密封总成进 行润滑和冷却。 ( 3 ) 远程控制监测装置 远程控制监测装置安装在钻台上，用于对以上两部分进行监测和控制，并监测井口 压力。旋转防喷导流装置工作时，远程控制监测装置的作用是监测井口压力，监测、控 制旋转密封总成润滑油压力，控制夹紧旋转密封总成并记录其工作参数。 旋转防喷系统典型安装图如图2 4 所示。旋转防喷导流装置底座与井口防喷器组相 连，远程控制监测装置放在钻台上，控制底座卡箍的开与关，同时监测润滑油压力、卡 箍油缸压力、井口套压，并记录旋转密封总成的瞬时转速和累计转数。冷却润滑动力 装置安装在钻机底座下适当的位置，将润滑油管线、冷却液管线连接到旋转密封总成上， 为旋转密封总成提供冷却和润滑。 图2 - 4 旋转防喷系统典型安装图 f i 9 2 - 4 i n s t a l l a t i o nd r a w i n go fu b d r o t a r yb o ps y s t e m 2 2 旋转防喷导流装置设计【4 1 4 6 】 旋转防喷导流装置由底座、液压卡箍、旋转密封总成、液控旁通阀及压力检测管汇 组成。底座，结构遵守a p i 规范1 6 a 。底法兰为符合a p i 标准的1 3 5 8 ” 5 0 0 0 p s i 标准法 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕上学位论文 兰，安装在相同法兰尺寸的防喷器组上，二者通过钢环密封，选用密封钢圈为“b x l 6 0 ”。 底座还设置了一旁通口，配有a p i 标准法兰，与旁通截止阀相联；液压卡箍由远程控制 监测装置控制，作用是将旋转密封总成外壳体压紧在底座上，并通过安装在底座上的密 封圈实现二者之间的静密封；压力检测管汇上设置了压力传感器。起下钻等常规钻井作 业时，提出旋转密封总成，安装防溢管，打开液控旁通阀，井口返出流体进入常规钻井 液循环体系。 底座是一个简体，安装在防喷器组上，并通过钢环实现静密封。底座上连接了液控 旁通截止阀，在起下钻等常规钻井作业时可以通过该阀将井口返出流体导入常规钻井液 循环体系，欠平衡作业时须安装旋转密封总成，同时关闭液控旁通阀，井口返出流体经 节流管汇控制后至欠平衡地面流体处理系统进行油气分离；底座上还连接有压力测试管 汇，用于测量井口压力，并将井口压力传递到远 量= 亳：0 程控制监测装置上。驱动器f i 。身4 誓 为实现旋转钻进的功能，在旋转防喷导流装 置底座上设置了旋转密封总成。旋转密封总成既 是旋转与不旋转的共同体，又是旋转与不旋转的 分界线：外壳体不旋转，与底座形成静密封，内 筒体及密封胶芯随钻具一起转动，因此在内外筒 体之间设计了一套功能比较完善的旋转动密封装 置：内简体( 旋转体) 上安装有上下两个密封胶 芯，胶芯通径小于钻杆( 方钻杆) 的外径，通过 胶芯与钻具的过盈配合实现二者的往复密封；胶 芯与钻具的摩擦力( 或利用驱动器) 能带动内简 体转动；内筒体与外简体之间有两组旋转动密封 圈，实现内筒体与环空之间的密封；内、外筒体 之间还有扶正轴承和止推轴承以实现内筒体的转 动。图2 - 5 是本装置的主要部件。 图2 - 5 主要部件图 f i 9 2 - 5 m a i np a r t s 本装置系统借鉴了w i l l i a m s7 1 0 0 型控制头 设计了底座、液压卡箍、旁通截止阀及压力检测管汇，并设计了核心部件高压旋转 密封总成。 旋转密封总成是实施欠平衡钻井工艺必备设备，也是旋转防喷导流装置最关键的部 1 3 第2 章旋转防喷系统设计原理及结构特点 件，其使用可靠性不仅直接关系着欠平衡钻井作业的成败，而且关系到能否应对紧急情 况，承受井口压力，防止井喷的发生，所以旋转密封总成应具有较高的可靠性。旋转密 封总成工作条件恶劣，结构复杂，其结构设计主要应包含五方面的内容：初步设计旋 转密封总成的主要结构；对系统各组成部分进行受力分析；利用可靠性设计法为滚 动轴承选型，并确定轴承的布置方案；润滑、冷却与密封设计；计算系统整体的可 靠性，确定内筒与外壳体的最终的方案。 在方案设计时考虑到旋转密封总成受到以下几个力作用：很大的向上的钻井液压力 和胶芯的摩擦力；钻具穿过胶芯时向下冲击性的力；由于井口不正和钻具晃动使轴承承 受的随机性的侧向力。因此旋转密封总成设计应考虑有向上的和向下的止推轴承，有防 止中心管晃动的扶正轴承，并适当增大轴承间的距离。 在确定轴承布置方案的同时，还必须考虑到以下几个方面：轴承的选择和内外筒体 的设计应有利于轴承的安装与拆卸；内、外筒的设计和轴承布置方式应有利于满足旋转 密封总成内、外筒的加工精度要求；根据系统的精度要求和寿命要求，应确定轴承的材 料和冶炼方式、轴承的游隙、轴承的精度等级、轴承的润滑和密封方式等。 由于旋转密封总成采用了优质的旋转动密封圈，内筒静止时能够实现静密封功能， 内筒旋转时能够实现动密封功能，减小旋转轴与密封圈的转动摩擦阻力，减小摩擦产生 的热量，在内筒与密封圈结合面上应形成一层弹性油膜，同时应对密封圈及轴承旋转时 产生的热量进行冷却。为保证旋转密封总成的冷却和润滑，需要制定了完备的冷却、润 滑方案，对轴承和密封圈进行冷却和润滑，通过独特的设计控制润滑油的压力始终高于 井口压力，保护旋转密封总成不被污染。这种润滑和冷却方式使旋转密封总成结构更简 单，工作更可靠，更适合于在现场长时间工作。 在研究过程中，根据旋转密封总成的现场使用工况，建立了其较完善的力学模型， 对旋转密封总成的受力状况进行分析和计算；借助于有限元法，依据可靠性设计理论， 设计了旋转密封总成的主要结构，确定了滚动轴承型号；在广泛、深入调研的基础上， 选用了一种国外专利旋转密封件；设计了高压旋转密封总成。 在旋转密封总成加工过程中，与具有井控设备生产资格的专业厂家合作，按照a p i 标准及国内有关标准，合理的选择材料和工艺，实行设计、加工过程全程质量控制，从 毛坯到成品都严格按照标准进行测试。 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 2 3 冷却润滑动力装置设计 旋转防喷导流装置工作时，由于井口返出钻井液温度较高；套压及润滑油压 力压紧旋转动密封圈，增大密封圈与转动轴的摩擦转矩，增大内筒转动时产生的热量： 井口偏斜使旋转密封总成中的轴承受力增大，在运转过程中产生更多热量，因此为 保证旋转密封总成的使用可靠性，必须对其进行冷却。同时轴承和动密封也需要润滑， 因此设计了冷却润滑动力装置，对旋转密封总成提供的循环恒温润滑油，进行连续强 制润滑和冷却。 冷却润滑动力装置由野外防爆型制冷机组、油润滑系统、防爆电器控制及仪表系 统组成，其流程图如图2 - 6 所示。 至旋转总成 图2 - 6 冷却润滑动力装置流程图 f i 9 2 - 6 f l o wc h a