大通徑旋轉防噴器的研制與應用

陳國棟 楊桓 陳佳良

摘 要：新疆準噶爾盆地南緣區塊風險探井，完鉆井深近8000m，開次多井身結構復雜。由于地質情況復雜，存在地層壓力系數高，同一開次存在多套壓力系統復雜包括安全密度窗口窄、存在高壓鹽水層、易漏噴等難題施工難度大。從三開開始就需要使用精細控壓鉆井技術實施帶壓鉆井作業，但受限于鉆頭尺寸較大，常規旋轉防噴器底法蘭通徑350mm已滿足不了該區塊需求，特研制超大通徑旋轉防噴器以實現在該區塊的精細控壓鉆井技術應用。在WDXK35-17.5/35型旋轉防噴器的基礎上，創新研制了中壓超大通徑旋轉防噴器WDXK540-10.5/14型旋轉防噴器，同時還研制了可在常規軸承總成上使用的專用托盤，使得常規總成可以在超大旋轉防噴器上使用。通過該區塊天安1井三開和四開的現場應用表明，WDXK540-10.5/14型旋轉防噴器密封性能良好，運轉正常， 實用性強， 各項性能指標達到設計要求，滿足該區塊使用要求。

關鍵詞： 大通徑旋轉防噴器 精細控壓鉆井技術 ?帶壓鉆井作業 ?液壓控制

引言

旋轉防噴器（RBOP）又稱旋轉控制頭（RCH），是欠平衡鉆井、精細控壓鉆井、氣體鉆井的必要設備。旋轉防噴器在控壓鉆進或控壓起下鉆的過程中，通過旋轉防噴器軸承總成與鉆具的密封，使外環空處于密封關閉狀態，封住了鉆柱與井口裝置的環形空間，使鉆井液不能從井口環隙噴出，形成密閉循環空間。它可以提供安全有效的壓力控制，在限定壓力下允許鉆桿旋轉，實施帶壓鉆井作業。

1 大通徑旋轉防噴器功能和原理設計

大通徑旋轉防噴器的總體方案功能原理設計是在保證實現功能的前提下，力求滿足431.8mm鉆頭正常通過的要求。通過功能分析，旋轉防噴器的總功能分成 7 個功能部分，即為軸承潤滑功能、軸承冷卻功能、旋轉動密封功能、鉆具密封功能、鎖緊裝置功能、旋轉總成功能、控制功能。通過對國內外高低壓旋轉防噴器的結構、工作性能、制造成本、維修費用和使用壽命等因素的比較分析，本文選用一般液壓控制功能元、液壓站遠程控制功能和一般旋轉總成功能，且著重對軸承潤滑功能、軸承冷卻功能、旋轉動密封功能、鉆具密封總成功能和鎖緊裝置功能進行優化設計，以滿足大尺寸旋轉防噴器的耐壓、耐用功能。

1.1 外形及結構設計

WDXK540-10.5/14型旋轉防噴器主要由旋轉總成、殼體和液壓動力房三部分組成。旋轉總成包括旋轉補芯總成、中心管、膠芯、軸承腔室等幾大部分;殼體總成包括殼體，轉換托盤，液動卡箍及液缸;旋轉總成和轉換托盤通過螺栓連接;轉換托盤和殼體通過卡箍連接;液壓動力房由動力房及其管線組成。

1.2 ?主要工作原理

鉆桿通過旋轉防噴器上的驅動補芯總成，帶動轉動套、中心管及橡膠密封膠芯與鉆柱一起旋轉。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。中心管與旋轉總成之間的動密封靠上、下動密封總成來實現。

液壓動力房用以控制液動卡箍的開啟和關閉，同時提供潤滑油用以潤滑冷卻旋轉總成內部零部件和動密封總成，循環液冷卻上部動密封總成。

1.3 用途和適用范圍

WDXK540-10.5/14型旋轉防噴器安裝于環形防噴器或閘板防噴器頂上在實施控壓鉆井工藝等帶壓鉆井作業時，用以密封旋轉的鉆具及起分流作用。它與控壓鉆井裝置、鉆具止回閥，液氣分離器和不壓井起下鉆加壓裝置等設備配套后，可安全地進行帶壓鉆進與不壓井起下鉆作業。它在進行例如解放低壓油氣層，防漏鉆井，充氣鉆井，不壓井修井等特殊作業中有很重要的作用。

WDXK540-10.5/14型大通徑旋轉防噴器的適用范圍要求：

適用鉆具： 140mm（5—1/2in）、89mm （3—1/2in ）、73mm（2—7/8in）鉆桿及相應的方鉆桿

適用介質： 空氣、泡沫及其它各種鉆井液

旋轉防噴器中心管可通過鉆具尺寸：197mm（7—3/4in）

鉆機轉盤開口直徑：≥440mm（17.5in）

2 應用情況

3.1 應用背景

新疆準噶爾盆地南緣區塊的風險探井天安1井、天灣1井三開開始設計精細控壓鉆井。旋轉防噴器是實施精細控壓鉆井必不可少的井口裝置，而常規旋轉防噴器本體通徑350mm，難以滿足開次鉆頭431.8mm尺寸。2020年5月WDXK540-10.5/14型旋轉防噴器研制成功，通過室內各項性能測試，滿足現場施工要求。

3.2施工情況

2020年6月24日，WDXK540-10.5/14型旋轉防噴器到達天安1井。6月29日旋轉防噴器現場試壓9.8MPa壓降0.15MPa合格，7月2日旋轉防噴器試動壓8.7MPa轉速40轉穩壓10分鐘壓降0.2MPa合格。2020年7月6日自井深2637m三開開鉆至11月18日鉆至井深5650四開中完。WDXK540-10.5/14型旋轉防噴器歷時4個多月現場應用成功，運行時間1981小時，平均轉速80r/min，累計進尺3013m，鉆井過程中控壓值范圍0.5-4MPa，旋轉防噴器運轉正常，性能穩定，完全滿足現場施工需求。

3 結論

4.1 WDXK540-10.5/14型旋轉防噴器累計帶壓運轉1981小時，各項性能穩定，現場應用實驗成功。

4.2 WDXK540-10.5/14型旋轉防噴器采用高壓大通徑旋轉動密封技術和液控裝置自動注油技術，性能可靠， 操作簡單， 能夠滿足現場對大通徑鉆頭的需求， 取得了良好的預期效果。

4.3 通過室內和現場實際應用表明， WDXK540-10.5/14型旋轉防噴器工作性能穩定， 各項性能指標達到設計要求， 與國外產品對比， 總體性能接近，性價比優良， 有利于降低鉆井施工成本， 具有重要的現實意義。

參考文獻

[1]劉先明，羨維偉，劉勇，等： 高壓大通徑旋轉防噴器[J]： 石油科技論壇，2016，6 ： 71-73。

[2]范 強，吳松松，等：旋轉防噴器總體方案設計與評判[J]：石油科技論壇， 2021，3： 71-75。