煤层气欠平衡钻井专用旋转控制头在郑试平4H井的应用

王国荣雷中清成 兵魏晓东李大彬刘 洋

（1.西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500；2.川庆钻探国际工程公司工程技术部，四川成都 610051）

煤层气欠平衡钻井专用旋转控制头在郑试平4H井的应用

王国荣1雷中清1成 兵2魏晓东1李大彬1刘 洋1

（1.西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500；2.川庆钻探国际工程公司工程技术部，四川成都 610051）

为了完善煤层气欠平衡钻井国产配套设备，缩短钻井周期，降低移运成本，设计并试制了煤层气钻井专用低压小型旋转控制头，并在沁水盆地郑庄区块郑试平4 Н井进行了现场试验。检验了旋转控制头与欠平衡钻井工艺的匹配性能，测试了旋转控制头的整体使用性能，证明了产品结构设计的合理性。该设备可有效密封井口环空压力，轴承组、动密封件以及润滑冷却系统在连续运转479 h情况下无任何异常状况，顺利地将钻井液导入泥浆罐。理论与现场试验结果表明：旋转控制头的结构设计合理，冷却润滑系统可以有效保护动密封件及轴承组，胶芯寿命满足现场使用要求，可进一步推广应用。

煤层气井；欠平衡钻井；旋转控制头；动密封；冷却润滑；现场试验

现阶段我国煤层气钻井技术单一，钻井技术、装备和工具大都从石油钻井中借鉴，与煤层气钻井的特殊工况不配套，导致钻井成本高，并且我国煤层特殊的低压、低饱和、低渗透和高含气量的地质条件又造成煤层气井单井产量低。单井产量低、钻井成本高、钻井技术不配套、专用工具及装备匮乏等成为限制煤层气大规模开发的重要因素，而研制适用于煤层气钻井技术的专用工具及装备是解决这些问题的有效途径之一［1-6］。为此，中国石油集团钻井工程技术研究院与西南石油大学联合研制并应用了煤层气欠平衡钻井专用低压小型旋转控制头，完善了煤层气欠平衡钻井的配套设备，满足了煤层气欠平衡钻井技术的需要。

1 旋转控制头的结构及工作原理

1.1 组成与工作原理

煤层气欠平衡钻井专用小型低压旋转控制头由旋转控制头本体（分为旋转总成、卡箍总成、壳体总成3个部分）和润滑冷却系统组成（见图1）。旋转总成的作用是封隔井口压力和实现旋转运动。壳体是旋转控制头的主要承压件，主要承受井口压力和钻井液的冲蚀作用，并将钻井液顺利导出井口进入泥浆罐。卡箍为旋转总成和壳体本体的连接件，固定时自动校正旋转总成相对于壳体垂直。润滑冷却系统同时对旋转总成内轴承组及动密封盘根进行润滑冷却［7-9］。

图1 旋转控制头

该工具的特点是：整个旋转控制头全部零件实现了国产化，旋转控制头生产制造成本得到有效控制，相比现有产品其体积小、重量轻、便于运输，有利于降低煤层气欠平衡钻井成本［10］。旋转总成内设计单油路双循环冷却润滑方式（见图2），冷却润滑油经入口进入总成，上部油路冷却润滑轴承组，下部油路冷却润滑动密封盘根，润滑的同时带走摩擦产生热量，两部分循环液同时返出到出油口，进入冷却循环系统，使旋转总成内最关键零部件得到良好的润滑冷却。该结构的设计使产品在加工制造时工艺步骤减少，生产制造成本降低。

图2 旋转总成内循环油路的结构

1.2 技术参数

旋转控制头的主要技术参数见表1。

表1 旋转控制头的主要技术参数

2 现场应用

2010年11月22日至12月17日，西南石油大学与渤海钻探工程技术研究院联合，在沁水盆地郑庄区块郑试平4Н井三开阶段（总进尺4000 m）进行了小型低压旋转控制头的现场应用试验，并取得较好的效果。

2.1 操作步骤

在郑平试4Н井三开阶段对旋转控制头进行现场应用，操作步骤如下：（1）安装壳体本体及卡箍总成；（2）试压；（3）穿胶芯；（4）安装旋转总成；（5）连接冷却润滑系统；（6）检查各连接处；（7）开启冷却润滑系统。

2.2 试验井概况

郑试平4Н井为多分支水平井（见图3），井身结构设计见表2。

图3 郑试平4Н井井眼轨迹示意图

表2 郑试平4Н井井身结构设计

该井设计总进尺为4920.72 m，其中煤层段总进尺为4000 m。2010年11月23日郑试平4Н井三开钻进，井口装置由原来的闸板防喷器上的溢流导管换为小型低压旋转控制头，扫完水泥塞后自838.91 m开始造斜，实施与直井郑试平4V井的穿针工艺，连通后郑试平4V井井口布置充气设备，以实施欠平衡钻井技术，达到保护储层和提高钻井速度的目的。

2.3 欠平衡钻井及井口配套装置

欠平衡钻井技术的实施是在郑试平4V井井口充气，经过井底三相流充分混合，从郑试平4Н井环空返出井口，进入泥浆罐。三开钻井液介质为清水。

郑试平4V井充气装置为空压机及增压机各2台（1套备用），空气经压缩机一级压缩进入增压机二级压缩，至郑试平4V井井口压力为6.2 MPa左右，最大压力为8.2 MPa，最小压力为4.2 MPa。经混合返出到郑试平4Н井井口环空时压力为1.2 MPa，即旋转控制头要能够密封0～1.2 MPa范围内的压力，将钻井液顺利导入泥浆罐。

2.4 钻井参数

（1）钻进参数。钻压20～50 kN，转速为螺杆钻具转速+顶驱转速20～30 r/min，机械钻速10～20 m/h。

（2）水力参数。排量13～15 L/s，立管压力9～12 MPa，井口环空压力1～1.2 MPa，钻井液密度1.0 g/cm3。

3 现场试验结果与分析

3.1 密封效果

现场试验期间，从郑试平4Н井三开开始至结束的25 d（其中停钻3 d等待充气设备）内，旋转控制头总共运行时间为479 h，共使用6个胶芯，平均每个胶芯使用80 h后出现磨损泄漏。

钻杆正常钻进起下钻22次，其中不包括穿针、连通阶段下各种工具以及倒划眼、循环钻井液清理岩屑时起下钻次数。保守计算，起钻及下钻胶芯穿过钻杆的长度大于12 000 m。各种使用工况下胶芯使用时间证明，旋转控制头密封效果良好，达到设计要求，各胶芯使用情况见表3。

表3 胶芯使用情况

根据胶芯损坏现象，判断分析胶芯损坏原因为：上提、下放钻杆时接头以及大钳夹伤部分毛刺刮划伤胶芯内孔，而后钻杆旋转加剧磨损（见图4）。

图4 损坏的胶芯照片

3.2 冷却润滑效果

润滑冷却系统在479 h无故障情况下保证了旋转总成的正常使用，轴承组无异常响声，动密封盘根无泄漏。由于该系统设有加热装置和散热装置，所以润滑油无异常温升，最低温度0 ℃，最高温度27℃，可见冷却润滑系统的可靠性完全能够满足现场使用要求，冷却润滑效果良好。

4 结论及建议

（1）旋转总成轴承组以及动密封盘根使用同一冷却润滑通道，减少了机械加工工艺步骤，减小了设备体积，降低制造成本。

（2）完善了煤层气欠平衡钻井的配套设备，并且实现了井口环空低压密封。

（3）建议施工井队及时对钻杆接头处毛刺打磨处理，并在煤层气欠平衡钻井技术中推广小型低压旋转控制头，加快煤层气勘探开发的步伐。

（4）下一步卡箍连接处改手动锁紧装置为液压锁紧装置，并对胶芯的耐磨性做进一步研究。

［1］田中兰，乔磊，苏义脑.郑平01-1煤层气多分支水平井优化设计与实践［J］.石油钻采工艺，2010，32（2）：26-29.

［2］康晓雷.浅谈旋转控制头的发展趋势及应用［J］.钻采工艺，2000，23（4）：59-62.

［3］郑毅，黄洪春.中国煤层气钻完井技术发展现状及发展方向［J］.石油学报，2002，23（3）：81-85.

［4］何世明，汤明，何青琴，等.欠平衡钻水平井技术新进展［J］.石油钻采工艺，2009，31（6）：1-3.

［5］НANNEGAN. Applications widening for rotating control head［J］. Drilling Contractor, 1996, 52（4）: 17-19.

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

［7］魏晓东，王国荣，王斌，等.煤层气欠平衡钻井专用旋转控制头方案设计［J］.石油矿场机械，2010，39（9）：29-23.

［8］金迅.旋转控制头工作机理研究及结构设计［D］.四川成都：西南石油大学，2004：26-35.

［9］赵卫红，邹枫.旋转控制头在负压钻井中的应用［J］.石油钻探技术，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）

〔编辑 朱 伟〕

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

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”子课题“煤层气欠平衡钻井配套技术研究”（编号：2008ZX05000-036-003）部分成果。

王国荣，1977年生。主要从事油气田及煤层气开发装备研究、海洋资源开发与装备研究，副教授。电话：028-83037227。E-mail：wanggr@swpu.edu.cn。