旋转控制头台架试验研究

邓 猛,魏晓东,王国荣,谢 冲,袁光杰,夏 焱

(1.西南石油大学,成都610500;2.中国石油集团钻井工程技术研究院,北京100195) *

旋转控制头台架试验研究

邓 猛1,魏晓东1,王国荣1,谢 冲1,袁光杰2,夏 焱2

(1.西南石油大学,成都610500;2.中国石油集团钻井工程技术研究院,北京100195)*

根据当前钻井施工对旋转控制头设备的性能要求及相关标准,进行了旋转控制头试验方案的设计。通过对密封压降、轴承和动密封件温度、驱动扭矩的监测,综合确定旋转控制头的工作性能。在此基础上,完成了试验数据采集程序的设计,据此进行旋转控制头采集数据的实时监测和存储,为旋转控制头的结构优化提供试验依据。同时可以根据本试验方案,完善我国旋转控制头设备的试验要求,提高设备准入标准,更加客观地评定旋转控制头的质量。

旋转控制头;试验方案;温度;扭矩;数据采集

我国已经将石油天然气储层的保护列为勘探开发的重点之一,因此近年来欠平衡钻井和控压钻井技术得到了大力推广[1-4]。旋转控制头是欠平衡钻井和控压钻井技术的重要设备,其性能在很大程度上决定了欠平衡钻井和控压钻井技术的效果,因此对旋转控制头性能的鉴定就显得尤为重要。基于此,开展了被动式密封旋转控制头试验方案及数据采集程序的设计工作。

1 试验项目

根据旋转防喷器标准对其工作性能的要求,旋转控制头试验主要包括:壳体强度压力试验、额定静压试验、额定动压试验、承压起下钻额定压力、寿命试验和胶芯拆装试验[5]。为了更全面了解旋转控制头的性能,还要考虑钻井施工中井口、转盘、天车中心偏差,我国井控装备标注要求<10 mm[6],所以要进行偏心试验。

2 试验方案设计

2.1 试验原理及方法

根据试验项目,确定通过检测密封压降、轴承温度和扭矩的变化来动态观测旋转控制头的工作性能。试验系统如图1所示,整个试验装置以试验台架为中心,旋转控制头定位于底座上。通过底座调整试验台架的偏心距,实现偏心试验。将用于测定轴承温度和驱动扭矩的传感器按图1安装,并启动试压泵进行各项试验,通过计算机系统实时监测和存储数据。

图1 试验系统原理

目前对旋转控制头的性能鉴定试验都没有将偏心试验位列其中,而现场井口安装都不同程度地存在偏心问题。根据旋转控制头现场设备的安装要求,设定具有一定偏心距的试验有利于提高旋转控制头准入标准。另外,旋转控制头冷却润滑装置是动密封件和轴承长寿命运行的关键。据此可根据偏心距情况、润滑状态和转速大小进行各种工况的组配,设定如表1所示工况,逐步检测偏心试验下旋转控制头的性能和冷却润滑装置的作用效果。然后,按照壳体强度压力试验、额定静压试验、额定动压试验(包括初期轴承的磨合试验)、和胶芯拆装试验的顺序逐步完成。承压起钻试验主要是针对胶芯,所以可另行考虑。

表1 试验设定的工况条件

2.2 轴承及动密封件温度测试

轴承和动密封件运转过程中温升是衡量旋转控制头性能的重要指标之一,因此测试轴承和动密封件是了解旋转控制头工作性能的重要方式。可通过温度的测定了解在整个试验过程中轴承和动密封件的使用环境、各轴承的温度差异,优化冷却润滑结构和方式,提高旋转控制头的整体性能。为了获得轴承和动密封件的温度,在旋转控制头轴承总成相应位置钻孔,安装传感器测定轴承外圈的温度。温度传感器数量可根据旋转控制头轴承数量确定。同样在动密封件位置钻盲孔,测定动密封件附近旋转壳体的温度近似代替动密封件温度。

图2为所选温度传感器,能够直接显示出轴承的实际工作温度和被测部位的实际温度,便于记录和进行控制调节。工作原理是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性来测量温度的,显示仪表将会指示出铂电阻的电阻值所对应的温度值。图3为温度传感器安装示意图。

图2 铂热电阻传感器

图3 温度传感器安装

2.3 扭矩测试

进行台架试验时,动力源为电机,经过减速器的减速增扭作用传递到试验台架中的方钻杆(或钻杆),从而带动旋转控制头旋转。旋转壳体内冷却润滑的效果、轴承的受力状态都会对轴承的摩擦扭矩产生影响,同样也会对动密封件与中心管的摩擦扭矩产生影响。为了了解轴承和动密封组件的工作状态,需要测定输入扭矩的大小及其变化,图4为所选扭矩传感器,安装在驱动电机和减速器之间,测定值乘以减速器减速比之后就是轴承和动密封的摩擦扭矩值。

图4 扭矩传感器

在整个试验过程中都包含压力的测量。所以,在试压塞上端安装压力表,在旋转控制头旁通口安装压力表。当进行壳体强度试压时,将旁通口位置的小量程压力表关闭,通过试压塞压力表观测压力变化;当进行额定静压和动密封压力试验时,采用旁通口小量程压力表测取压力,以提高压力测量精度。

3 数据采集程序设计

数据采集程序采用VISUAL BASIC 6.0并结合数据采集卡进行编制[7],其流程如图5。

试验输出数据包括温度、扭矩和压力,即轴承温度、动密封件温度、驱动扭矩和各个试验的压力变化。根据传感器的数量和旋转控制头的结构确定输出界面显示,以某单胶芯旋转控制头为例,如图6所示。数据输出和存储的频率可根据需要进行调整。

图5 数据采集程序框图

图6 数据输出界面

4 试验实例

根据设计的台架试验方案,对某单胶芯旋转控制头进行了室内台架试验[8],如图7所示。根据试验结果,该旋转控制头静密封试验压降符合性能要求。通过轴承温度和扭矩的检测可知,在转速120 r/min,无润滑状态下轴承温度达到最高,为56.45℃,符合轴承使用温度的要求;扭矩明显减小时,动密封件发生泄漏,可作为台架试验动密封件失效的一个标志。

图7 单胶芯旋转控制头台架试验

试验结果表明,该旋转控制头的性能达到了我国石油行业标准SY/T 6730—2008的要求。

5 结语

通过以上试验测试得到的数据,可以真实反映旋转控制头的密封性能、轴承和动密封件的运行状态、冷却润滑系统的作用效果等重要技术参数。与理论设计进行对比,为旋转控制头的结构优化提供依据。同时也可以根据本试验方案,完善我国旋转控制头设备的试验要求,提高设备准入标准,更加客观地评定旋转控制头的质量,提高欠平衡钻井施工的安全性。

[1] 朱 弘.欠平衡钻井技术的进展与发展趋势[J].石油地质与工程,2009,23(2):80-82.

[2] 陈养厚,陈国明,殷志明.欠平衡钻井过程中的井控新设备[J].石油矿场机械,2006,35(3):95-97.

[3] 刘应民,刘永伟,叶承庆,等.天然气藏欠平衡水平井钻井技术在HW801井的应用[J].石油矿场机械,2010, 39(8):61-64.

[4] 李 斌,沈雪峰.全过程欠平衡钻井井下套管阀结构改进及优化[J].石油矿场机械,2010,39(9):33-37.

[5] SY/T 6730—2008,钻通设备:旋转防喷器[S].

[6] SY/T 5964—2003,钻井井控装置组合配套、安装调试与维护[S].

[7] 杨克玉.VB6.0程序设计实训教程[M].北京:机械工业出版社,2005.

[8] 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): 29-33.

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

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

邓 猛(1967-),男,四川仁寿人,高级工程师,1987年毕业于甘肃工业大学石油矿场机械专业,主要从事石油机械装备研发和管理工作,E-mail:ghdm@21cn.com。