大通徑旋轉控制頭的研制與應用

鄧霖

摘 要： 近年來，隨著欠平衡鉆井技術的適用范圍逐漸擴大，特別是以提高機械鉆速為主要目的氣相欠平衡鉆井技術（即氣體鉆井技術）在西南地區進行了廣泛的應用。勝利鉆井院研制了SLXFD型大通徑旋轉控制頭。控制頭底座能滿足通徑680mm及以下尺寸的鉆頭及井下工具通過，軸承總成適用于外徑小于205mm以下鉆具通過[1]。該大通徑旋轉控制頭通過系列化底座+井口過度法蘭+軸承總成套+軸承總成的組合，能滿足多數井深結構下的井口裝置和鉆具組合。

關鍵詞： 欠平衡鉆井；旋轉控制頭；研制

引言

過去國內實施欠平衡鉆井工藝，采用的鉆桿多是Φ127mm及以下的鉆桿。而根據工藝要求，廣泛使用Φ139.7mm鉆桿，并且在鉆桿接箍上焊接耐磨帶。之前，勝利鉆井院引進和研制的旋轉控制頭主要適用于35-35型的井口裝置及Φ127mm及以下的鉆桿及相應的方鉆桿[2]。為了滿足使用Φ139.7mm鉆桿進行氣體鉆井的需要，另一方面也為了滿足更廣泛的井口裝置組合。勝利鉆井院研制了SLXFD型大通徑旋轉控制頭。經試驗和現場使用證明，該旋轉控制頭適用性廣，使用效果良好，能滿足大多數欠平衡鉆井的需要。

一、工作原理及主要特點

1、工作原理

旋轉控制頭的主要功能是提供井口壓力控制，實現旋轉密封，使得鉆井作業在井口有壓力的情況下能夠照常進行。在結構上旋轉控制頭是通過膠芯包繞鉆具來實現密封，通過軸承組來實現旋轉——軸承組內滾道隨鉆具一起轉動，外滾道與底座保持固定不動。

旋轉控制頭的旋轉部分是軸承總成，是旋轉控制頭最關鍵的部件。密封膠芯安裝于軸承總成上，軸承總成和底座通過卡箍連接。軸承總成是由兩個向心扶正軸承和兩個推力軸承組成，由上下兩個膠芯或單個膠芯實現對鉆具包繞密封。膠芯的通徑小于鉆桿/方鉆桿的外徑，通過膠芯與鉆具的過盈配合實現密封。隨著膠芯的磨損，該過盈量不斷減小，膠芯將密封不住環空壓力，就應該更換膠芯。如圖1。

軸承總成可以通過安裝不同型號的軸承套和不同型號的底座配合使用。

2、主要特點

1）系列化旋轉控制頭底座

在鉆井過程中，根據井身結構的不同和井控要求的不同，所采用的井口裝置不同。為了適用于不同的井口裝置，該旋轉控制頭設計了68-7型，54-14型，35-35型三種系列化底座，系列化底座配合井口過度法蘭使用，可適用于大多數情況下的井口裝置。

2）集約化的軸承總成設計

通常情況下，一種通徑的旋轉控制頭底座需要配套一種尺寸規格的軸承總成。該旋轉控制頭采用一種規格的軸承總成，配合68型和54型軸承套，可適用于全系列旋轉控制頭底座。軸承總成通徑為210mm，通過采用不同規格的膠芯，可適用于139.7mm、127mm、89.9mm、73mm鉆桿及相應的方鉆桿。

3）軸承總成的密封特點[3]

軸承總成靠上下動密封形成了一個獨立的、密閉的軸承室，采用強制油潤滑，水冷卻（動力站配備制冷壓縮機），工作可靠，壽命較長。

二、現場應用情況

鉆井、氣體鉆井等施工。如，2013年4月在元壩27-2井運用該設備進行了泡沫鉆井和氣體鉆井施工

2.1、基本情況

元壩27-2井位于四川省蒼溪縣浙水鄉紅旗村，構造位置為四川盆地川東北巴中低緩構造元壩區塊長興組四號礁帶，是中石化西南油氣分公司部署的一口開發井。按照設計要求，一開采用Ф660.4mm鉆頭開孔，采用泡沫鉆井技術鉆至井深502m，下入Ф508.0mm套管，水泥漿返至地面，為二開建立井口，安裝防噴器。二開采用Ф444.5mm鉆頭，原則上設計采用氣體鉆井鉆至井深2960m（進入下沙10m左右），下入Ф346.1mm套管封隔上部易塌、易漏地層；若因井下復雜無法繼續實施氣體鉆井施工，按要求提前下套管或轉換鉆井液鉆至設計井深中完。

2.2、施工情況

針對不同開次選擇的設備組合，見表1

一開采用泡沫鉆井由井深26m，鉆進至井深506米。一開泡沫鉆井累計進尺480米，純鉆時間147.58h，平均機械鉆速3.25m/h；二開于井深506米開始空氣鉆鉆進。鉆至井深2952 m，井下出現大量掉塊，接單根時上提下放均遇阻，為了井下安全和下一步施工的順利進行，決定結束空氣鉆。二開井段氣體鉆井進尺2445.2m，純鉆進時間152.42h，平均機械鉆速16.04m/h。

施工過程中設備運行平穩、軸承溫升正常、密封情況良好。隨著設備工作時間的不斷加長，在潤滑排量不變的前提下，軸承總成潤滑油壓力與井壓間的壓差僅由初始階段的300psi下降為280psi，這說明壓差不但確保了軸承總成內部不受污染，還有效的防止了細微顆粒進入動密封面，這種情況下動密封磨損極小。

結論

系列化設計使得旋轉控制頭能夠滿足大多數情況下的井口裝置和鉆具組合，設備選用靈活、方便，大大提高了旋轉控制頭的適用范圍[4]。

通過集約化的設計，使用一種軸承總成配合不同規格的軸承套可滿足不同規格的底座，減少了配件種類，節省了研發成本。

室內試驗和現場使用情況表明，該大通徑旋轉控制頭結構先進，性能可靠，操作簡單，拆卸、安裝方便，膠芯密封持久可靠，滿足絕大多數欠平衡鉆井施工工藝要求。

參考文獻

[1]劉寶和.中國石油勘探開發百科全書.工程卷[M].北京：石油工業出版社，2008.11.

[2]韓來聚.勝利鉆井新技術研究創新與應用[C].東營：中國石油大學出版社，2012.9.

[3]萊昂斯著.空氣與氣體鉆井手冊（第三版）[M]，楊虎等譯.北京：石油工業出版社，2012.3.