煤層氣欠平衡鉆井專用旋轉控制頭在鄭試平4H井的應用

王國榮雷中清成 兵魏曉東李大彬劉 洋

（1.西南石油大學機電工程學院，四川成都 610500；2.川慶鉆探國際工程公司工程技術部，四川成都 610051）

煤層氣欠平衡鉆井專用旋轉控制頭在鄭試平4H井的應用

王國榮1雷中清1成 兵2魏曉東1李大彬1劉 洋1

（1.西南石油大學機電工程學院，四川成都 610500；2.川慶鉆探國際工程公司工程技術部，四川成都 610051）

為了完善煤層氣欠平衡鉆井國產配套設備，縮短鉆井周期，降低移運成本，設計并試制了煤層氣鉆井專用低壓小型旋轉控制頭，并在沁水盆地鄭莊區塊鄭試平4 Н井進行了現場試驗。檢驗了旋轉控制頭與欠平衡鉆井工藝的匹配性能，測試了旋轉控制頭的整體使用性能，證明了產品結構設計的合理性。該設備可有效密封井口環空壓力，軸承組、動密封件以及潤滑冷卻系統在連續運轉479 h情況下無任何異常狀況，順利地將鉆井液導入泥漿罐。理論與現場試驗結果表明：旋轉控制頭的結構設計合理，冷卻潤滑系統可以有效保護動密封件及軸承組，膠芯壽命滿足現場使用要求，可進一步推廣應用。

煤層氣井；欠平衡鉆井；旋轉控制頭；動密封；冷卻潤滑；現場試驗

現階段我國煤層氣鉆井技術單一，鉆井技術、裝備和工具大都從石油鉆井中借鑒，與煤層氣鉆井的特殊工況不配套，導致鉆井成本高，并且我國煤層特殊的低壓、低飽和、低滲透和高含氣量的地質條件又造成煤層氣井單井產量低。單井產量低、鉆井成本高、鉆井技術不配套、專用工具及裝備匱乏等成為限制煤層氣大規模開發的重要因素，而研制適用于煤層氣鉆井技術的專用工具及裝備是解決這些問題的有效途徑之一［1-6］。為此，中國石油集團鉆井工程技術研究院與西南石油大學聯合研制并應用了煤層氣欠平衡鉆井專用低壓小型旋轉控制頭，完善了煤層氣欠平衡鉆井的配套設備，滿足了煤層氣欠平衡鉆井技術的需要。

1 旋轉控制頭的結構及工作原理

1.1 組成與工作原理

煤層氣欠平衡鉆井專用小型低壓旋轉控制頭由旋轉控制頭本體（分為旋轉總成、卡箍總成、殼體總成3個部分）和潤滑冷卻系統組成（見圖1）。旋轉總成的作用是封隔井口壓力和實現旋轉運動。殼體是旋轉控制頭的主要承壓件，主要承受井口壓力和鉆井液的沖蝕作用，并將鉆井液順利導出井口進入泥漿罐。卡箍為旋轉總成和殼體本體的連接件，固定時自動校正旋轉總成相對于殼體垂直。潤滑冷卻系統同時對旋轉總成內軸承組及動密封盤根進行潤滑冷卻［7-9］。

圖1 旋轉控制頭

該工具的特點是：整個旋轉控制頭全部零件實現了國產化，旋轉控制頭生產制造成本得到有效控制，相比現有產品其體積小、重量輕、便于運輸，有利于降低煤層氣欠平衡鉆井成本［10］。旋轉總成內設計單油路雙循環冷卻潤滑方式（見圖2），冷卻潤滑油經入口進入總成，上部油路冷卻潤滑軸承組，下部油路冷卻潤滑動密封盤根，潤滑的同時帶走摩擦產生熱量，兩部分循環液同時返出到出油口，進入冷卻循環系統，使旋轉總成內最關鍵零部件得到良好的潤滑冷卻。該結構的設計使產品在加工制造時工藝步驟減少，生產制造成本降低。

圖2 旋轉總成內循環油路的結構

1.2 技術參數

旋轉控制頭的主要技術參數見表1。

表1 旋轉控制頭的主要技術參數

2 現場應用

2010年11月22日至12月17日，西南石油大學與渤海鉆探工程技術研究院聯合，在沁水盆地鄭莊區塊鄭試平4Н井三開階段（總進尺4000 m）進行了小型低壓旋轉控制頭的現場應用試驗，并取得較好的效果。

2.1 操作步驟

在鄭平試4Н井三開階段對旋轉控制頭進行現場應用，操作步驟如下：（1）安裝殼體本體及卡箍總成；（2）試壓；（3）穿膠芯；（4）安裝旋轉總成；（5）連接冷卻潤滑系統；（6）檢查各連接處；（7）開啟冷卻潤滑系統。

2.2 試驗井概況

鄭試平4Н井為多分支水平井（見圖3），井身結構設計見表2。

圖3 鄭試平4Н井井眼軌跡示意圖

表2 鄭試平4Н井井身結構設計

該井設計總進尺為4920.72 m，其中煤層段總進尺為4000 m。2010年11月23日鄭試平4Н井三開鉆進，井口裝置由原來的閘板防噴器上的溢流導管換為小型低壓旋轉控制頭，掃完水泥塞后自838.91 m開始造斜，實施與直井鄭試平4V井的穿針工藝，連通后鄭試平4V井井口布置充氣設備，以實施欠平衡鉆井技術，達到保護儲層和提高鉆井速度的目的。

2.3 欠平衡鉆井及井口配套裝置

欠平衡鉆井技術的實施是在鄭試平4V井井口充氣，經過井底三相流充分混合，從鄭試平4Н井環空返出井口，進入泥漿罐。三開鉆井液介質為清水。

鄭試平4V井充氣裝置為空壓機及增壓機各2臺（1套備用），空氣經壓縮機一級壓縮進入增壓機二級壓縮，至鄭試平4V井井口壓力為6.2 MPa左右，最大壓力為8.2 MPa，最小壓力為4.2 MPa。經混合返出到鄭試平4Н井井口環空時壓力為1.2 MPa，即旋轉控制頭要能夠密封0～1.2 MPa范圍內的壓力，將鉆井液順利導入泥漿罐。

2.4 鉆井參數

（1）鉆進參數。鉆壓20～50 kN，轉速為螺桿鉆具轉速+頂驅轉速20～30 r/min，機械鉆速10～20 m/h。

（2）水力參數。排量13～15 L/s，立管壓力9～12 MPa，井口環空壓力1～1.2 MPa，鉆井液密度1.0 g/cm3。

3 現場試驗結果與分析

3.1 密封效果

現場試驗期間，從鄭試平4Н井三開開始至結束的25 d（其中停鉆3 d等待充氣設備）內，旋轉控制頭總共運行時間為479 h，共使用6個膠芯，平均每個膠芯使用80 h后出現磨損泄漏。

鉆桿正常鉆進起下鉆22次，其中不包括穿針、連通階段下各種工具以及倒劃眼、循環鉆井液清理巖屑時起下鉆次數。保守計算，起鉆及下鉆膠芯穿過鉆桿的長度大于12 000 m。各種使用工況下膠芯使用時間證明，旋轉控制頭密封效果良好，達到設計要求，各膠芯使用情況見表3。

表3 膠芯使用情況

根據膠芯損壞現象，判斷分析膠芯損壞原因為：上提、下放鉆桿時接頭以及大鉗夾傷部分毛刺刮劃傷膠芯內孔，而后鉆桿旋轉加劇磨損（見圖4）。

圖4 損壞的膠芯照片

3.2 冷卻潤滑效果

潤滑冷卻系統在479 h無故障情況下保證了旋轉總成的正常使用，軸承組無異常響聲，動密封盤根無泄漏。由于該系統設有加熱裝置和散熱裝置，所以潤滑油無異常溫升，最低溫度0 ℃，最高溫度27℃，可見冷卻潤滑系統的可靠性完全能夠滿足現場使用要求，冷卻潤滑效果良好。

4 結論及建議

（1）旋轉總成軸承組以及動密封盤根使用同一冷卻潤滑通道，減少了機械加工工藝步驟，減小了設備體積，降低制造成本。

（2）完善了煤層氣欠平衡鉆井的配套設備，并且實現了井口環空低壓密封。

（3）建議施工井隊及時對鉆桿接頭處毛刺打磨處理，并在煤層氣欠平衡鉆井技術中推廣小型低壓旋轉控制頭，加快煤層氣勘探開發的步伐。

（4）下一步卡箍連接處改手動鎖緊裝置為液壓鎖緊裝置，并對膠芯的耐磨性做進一步研究。

［1］田中蘭，喬磊，蘇義腦.鄭平01-1煤層氣多分支水平井優化設計與實踐［J］.石油鉆采工藝，2010，32（2）：26-29.

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［3］鄭毅，黃洪春.中國煤層氣鉆完井技術發展現狀及發展方向［J］.石油學報，2002，23（3）：81-85.

［4］何世明，湯明，何青琴，等.欠平衡鉆水平井技術新進展［J］.石油鉆采工藝，2009，31（6）：1-3.

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［6］SALAR ВAВAJAN, НANI QUTOВ. Underbalanced drilling technology adds reserves and enhances ultimate recovery［R］. SPE 136117-MS, 2010.

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［8］金迅.旋轉控制頭工作機理研究及結構設計［D］.四川成都：西南石油大學，2004：26-35.

［9］趙衛紅，鄒楓.旋轉控制頭在負壓鉆井中的應用［J］.石油鉆探技術，1999，27（2）：40-41.

［10］GARLAND V F, GARY P, GLENN L A, et al. Rotary drilling head assembly［P］. US6354385В1, 2002.

（修改稿收到日期 2011-04-07）

〔編輯 朱 偉〕

Field test of special rotary control head in CBM well under-balanced drilling in Well ZHP4H

WANG Guorong1, LEI Zhongqing1, CНENG Вing2,WEI Xiaodong1, LI Dabin1, LIU Yang1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2. International Engineering CO. of Chuanqing Drilling and Exploration CO., Chengdu 610051, China)

In order to prefect domestic corollary equipment of under-balanced drilling in CВM development, reduce drilling cycle and the transportation cost, we designed and manufactured a special rotary control head with low pressure and fine type for CВM reservoir drilling and conducted the field test in well ZНP4Н Вlock Zhengzhuang Qinshui basin. Matching performance of rotary control head and under-balanced drilling technology has been examined. The rotary control head's overall performance has been tested in field test to prove the rationality of its structural design. This device can seal the pressure of annular space effectively at the wellhead. Вearing group, dynamic seal elements, and lubrication and cooling system were still in perfect performance after 479 hours continuous operation which provide guarantees for implementing under-balanced drilling safely and lead the drilling fluid into the mud tanks smoothly. The theoretical and field experiment results show that the structural design of rotary head is reasonable, and the cooling and lubricating system could protect the dynamic seal elements and bearing group effectively. Meanwhile, the life of rubber core can satisfy the needs of field operation, so the rotary control head worth popularizing in the future.

CВM well; under-balanced drilling; rotary control head; dynamic seal; lubrication and cooling; field test

TE921+.4

A

1000-7393（ 2011 ） 03-0087– 04

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”子課題“煤層氣欠平衡鉆井配套技術研究”（編號：2008ZX05000-036-003）部分成果。

王國榮，1977年生。主要從事油氣田及煤層氣開發裝備研究、海洋資源開發與裝備研究，副教授。電話：028-83037227。E-mail：wanggr@swpu.edu.cn。