旋轉控制頭臺架試驗研究

鄧 猛,魏曉東,王國榮,謝 沖,袁光杰,夏 焱

(1.西南石油大學,成都610500;2.中國石油集團鉆井工程技術研究院,北京100195) *

旋轉控制頭臺架試驗研究

鄧 猛1,魏曉東1,王國榮1,謝 沖1,袁光杰2,夏 焱2

(1.西南石油大學,成都610500;2.中國石油集團鉆井工程技術研究院,北京100195)*

根據當前鉆井施工對旋轉控制頭設備的性能要求及相關標準,進行了旋轉控制頭試驗方案的設計。通過對密封壓降、軸承和動密封件溫度、驅動扭矩的監測,綜合確定旋轉控制頭的工作性能。在此基礎上,完成了試驗數據采集程序的設計,據此進行旋轉控制頭采集數據的實時監測和存儲,為旋轉控制頭的結構優化提供試驗依據。同時可以根據本試驗方案,完善我國旋轉控制頭設備的試驗要求,提高設備準入標準,更加客觀地評定旋轉控制頭的質量。

旋轉控制頭;試驗方案;溫度;扭矩;數據采集

我國已經將石油天然氣儲層的保護列為勘探開發的重點之一,因此近年來欠平衡鉆井和控壓鉆井技術得到了大力推廣[1-4]。旋轉控制頭是欠平衡鉆井和控壓鉆井技術的重要設備,其性能在很大程度上決定了欠平衡鉆井和控壓鉆井技術的效果,因此對旋轉控制頭性能的鑒定就顯得尤為重要。基于此,開展了被動式密封旋轉控制頭試驗方案及數據采集程序的設計工作。

1 試驗項目

根據旋轉防噴器標準對其工作性能的要求,旋轉控制頭試驗主要包括:殼體強度壓力試驗、額定靜壓試驗、額定動壓試驗、承壓起下鉆額定壓力、壽命試驗和膠芯拆裝試驗[5]。為了更全面了解旋轉控制頭的性能,還要考慮鉆井施工中井口、轉盤、天車中心偏差,我國井控裝備標注要求<10 mm[6],所以要進行偏心試驗。

2 試驗方案設計

2.1 試驗原理及方法

根據試驗項目,確定通過檢測密封壓降、軸承溫度和扭矩的變化來動態觀測旋轉控制頭的工作性能。試驗系統如圖1所示,整個試驗裝置以試驗臺架為中心,旋轉控制頭定位于底座上。通過底座調整試驗臺架的偏心距,實現偏心試驗。將用于測定軸承溫度和驅動扭矩的傳感器按圖1安裝,并啟動試壓泵進行各項試驗,通過計算機系統實時監測和存儲數據。

圖1 試驗系統原理

目前對旋轉控制頭的性能鑒定試驗都沒有將偏心試驗位列其中,而現場井口安裝都不同程度地存在偏心問題。根據旋轉控制頭現場設備的安裝要求,設定具有一定偏心距的試驗有利于提高旋轉控制頭準入標準。另外,旋轉控制頭冷卻潤滑裝置是動密封件和軸承長壽命運行的關鍵。據此可根據偏心距情況、潤滑狀態和轉速大小進行各種工況的組配,設定如表1所示工況,逐步檢測偏心試驗下旋轉控制頭的性能和冷卻潤滑裝置的作用效果。然后,按照殼體強度壓力試驗、額定靜壓試驗、額定動壓試驗(包括初期軸承的磨合試驗)、和膠芯拆裝試驗的順序逐步完成。承壓起鉆試驗主要是針對膠芯,所以可另行考慮。

表1 試驗設定的工況條件

2.2 軸承及動密封件溫度測試

軸承和動密封件運轉過程中溫升是衡量旋轉控制頭性能的重要指標之一,因此測試軸承和動密封件是了解旋轉控制頭工作性能的重要方式。可通過溫度的測定了解在整個試驗過程中軸承和動密封件的使用環境、各軸承的溫度差異,優化冷卻潤滑結構和方式,提高旋轉控制頭的整體性能。為了獲得軸承和動密封件的溫度,在旋轉控制頭軸承總成相應位置鉆孔,安裝傳感器測定軸承外圈的溫度。溫度傳感器數量可根據旋轉控制頭軸承數量確定。同樣在動密封件位置鉆盲孔,測定動密封件附近旋轉殼體的溫度近似代替動密封件溫度。

圖2為所選溫度傳感器,能夠直接顯示出軸承的實際工作溫度和被測部位的實際溫度,便于記錄和進行控制調節。工作原理是利用金屬鉑在溫度變化時自身電阻值也隨之改變的特性來測量溫度的,顯示儀表將會指示出鉑電阻的電阻值所對應的溫度值。圖3為溫度傳感器安裝示意圖。

圖2 鉑熱電阻傳感器

圖3 溫度傳感器安裝

2.3 扭矩測試

進行臺架試驗時,動力源為電機,經過減速器的減速增扭作用傳遞到試驗臺架中的方鉆桿(或鉆桿),從而帶動旋轉控制頭旋轉。旋轉殼體內冷卻潤滑的效果、軸承的受力狀態都會對軸承的摩擦扭矩產生影響,同樣也會對動密封件與中心管的摩擦扭矩產生影響。為了了解軸承和動密封組件的工作狀態,需要測定輸入扭矩的大小及其變化,圖4為所選扭矩傳感器,安裝在驅動電機和減速器之間,測定值乘以減速器減速比之后就是軸承和動密封的摩擦扭矩值。

圖4 扭矩傳感器

在整個試驗過程中都包含壓力的測量。所以,在試壓塞上端安裝壓力表,在旋轉控制頭旁通口安裝壓力表。當進行殼體強度試壓時,將旁通口位置的小量程壓力表關閉,通過試壓塞壓力表觀測壓力變化;當進行額定靜壓和動密封壓力試驗時,采用旁通口小量程壓力表測取壓力,以提高壓力測量精度。

3 數據采集程序設計

數據采集程序采用VISUAL BASIC 6.0并結合數據采集卡進行編制[7],其流程如圖5。

試驗輸出數據包括溫度、扭矩和壓力,即軸承溫度、動密封件溫度、驅動扭矩和各個試驗的壓力變化。根據傳感器的數量和旋轉控制頭的結構確定輸出界面顯示,以某單膠芯旋轉控制頭為例,如圖6所示。數據輸出和存儲的頻率可根據需要進行調整。

圖5 數據采集程序框圖

圖6 數據輸出界面

4 試驗實例

根據設計的臺架試驗方案,對某單膠芯旋轉控制頭進行了室內臺架試驗[8],如圖7所示。根據試驗結果,該旋轉控制頭靜密封試驗壓降符合性能要求。通過軸承溫度和扭矩的檢測可知,在轉速120 r/min,無潤滑狀態下軸承溫度達到最高,為56.45℃,符合軸承使用溫度的要求;扭矩明顯減小時,動密封件發生泄漏,可作為臺架試驗動密封件失效的一個標志。

圖7 單膠芯旋轉控制頭臺架試驗

試驗結果表明,該旋轉控制頭的性能達到了我國石油行業標準SY/T 6730—2008的要求。

5 結語

通過以上試驗測試得到的數據,可以真實反映旋轉控制頭的密封性能、軸承和動密封件的運行狀態、冷卻潤滑系統的作用效果等重要技術參數。與理論設計進行對比,為旋轉控制頭的結構優化提供依據。同時也可以根據本試驗方案,完善我國旋轉控制頭設備的試驗要求,提高設備準入標準,更加客觀地評定旋轉控制頭的質量,提高欠平衡鉆井施工的安全性。

[1] 朱 弘.欠平衡鉆井技術的進展與發展趨勢[J].石油地質與工程,2009,23(2):80-82.

[2] 陳養厚,陳國明,殷志明.欠平衡鉆井過程中的井控新設備[J].石油礦場機械,2006,35(3):95-97.

[3] 劉應民,劉永偉,葉承慶,等.天然氣藏欠平衡水平井鉆井技術在HW801井的應用[J].石油礦場機械,2010, 39(8):61-64.

[4] 李 斌,沈雪峰.全過程欠平衡鉆井井下套管閥結構改進及優化[J].石油礦場機械,2010,39(9):33-37.

[5] SY/T 6730—2008,鉆通設備:旋轉防噴器[S].

[6] SY/T 5964—2003,鉆井井控裝置組合配套、安裝調試與維護[S].

[7] 楊克玉.VB6.0程序設計實訓教程[M].北京:機械工業出版社,2005.

[8] 魏曉東,王國榮,王 斌,等.煤層氣欠平衡鉆井專用旋轉控制頭方案設計[J].石油礦場機械,2010,39(9): 29-33.

Experiment Research on Rotating Control Head

DEN G Meng1,WEI Xiao-dong1,WANG Guo-rong1,XIE Chong1,YUAN Guang-jie2,XIA Yan2
(1.Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China; 2.Drilling Research Institute,CN PC,Beijing100195,China)

According to the performance requirements in the current drilling structure of rotating control head and some relevant standards,the design of experiment scheme of rotating control head was completed.Through monitoring the seal pressure,driving torque and the temperature of bearings and dynamic seal elements,the operational performance of rotating control head was determined comprehensively.And based on this,the design of experiment data acquisition program was carried out.This program was able to conduct real-time monitoring and storing of experimental data collected.The test directed by the scheme has collected essential experiment data which could provide experimental evidence to structural optimization of rotating control head.At the same time,in accordance with this experiment scheme,the experimental requirements of rotating control head in our nation can be perfected;the entrance standards of equipment can be improved; the quality of rotating control head can be evaluated more objectively.

rotating control head;experiment scheme;temperature;torque;data acquisition

1001-3482(2011)05-0029-04

TE921.507

A

2010-11-29

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

鄧 猛(1967-),男,四川仁壽人,高級工程師,1987年畢業于甘肅工業大學石油礦場機械專業,主要從事石油機械裝備研發和管理工作,E-mail:ghdm@21cn.com。