小尺寸、高转速旋转防喷器的试验与应用

高 翔

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413）

大庆“三低”油田的油气挖潜采用欠平衡钻井方式是油田中后期开发的有效手段。此类井的开发过程中有2个特点，现有旋转防喷器无法满足[1]：采用的钻机底座低，无法满足现有旋转防喷器的安装和使用；采用PDC钻头，转速在120～180r/min，大大超出现有旋转防喷器的额定转速[2-3]。针对以上特点，大庆钻探工程公司钻井研究院研制了DQX-III型旋转防喷器，能同时适应钻机低底座和PDC钻头高转速的要求。

1 组成结构及工作原理

1.1 组成结构

该旋转防喷器由本体和泵站两部分组成，如图1所示。本体主要由旋转总成和壳体两部分组成。旋转总成包括驱动器、外筒、密封胶芯、轴承、中心管等几部分，旋转总成和壳体通过卡箍连接和锁紧。

1.2 DQX-III型旋转防喷器的工作原理

方钻杆通过旋转防喷器上的牙莰驱动器，带动总成与钻具一起旋转，而橡胶胶芯依靠自身的弹性变形和井压助封来对钻柱周围实施密封。

液压泵站是DQX-III型旋转防喷器的润滑、冷却系统，通过低粘度齿轮油的循环达到润滑、冷却轴承和动密封的目的。其主要规格及技术参数如下：

主通径：13-5/8″（346.1mm）；

底法兰连接：API 6A 13-5/8″×5000psi BX160；

中心管通径：180mm；

工作压力（动压）：10.5MPa；

静压：21.0MPa；

额定转速：180r/min；

可封钻具：5-1/4″六方钻杆；

工作介质：空气、泡沫和其他钻井液。

2 室内试验

在DQX-III型旋转防喷器完成地面装配、调试后，模拟现场试验条件对该样机进行了一系列功能性试验[4-6]。试验结果显示，该样机各项基本功能达到了现场使用需求。具体试验情况如下所述。

2.1 静压试验

将六方测试钻杆插入总成，确保钻杆插入胶芯，用清水为介质，启动试压泵使其对防喷器进行套压试验，将压力分别逐渐提升至3.5MPa、7.0MPa、14.0MPa及21.0MPa，然后稳压10min，观察是否有压降[8]。

试验结果：试验压力在 3.5MPa、7MPa、14MPa、21MPa各压力级别各观察10min无压降。

2.2 动压试验

将六方测试钻杆插入防喷器内，启动液压泵站循环液压油，启动液压马达，驱动防喷器旋转总成进行旋转，转速控制在100r/min左右，旋转5min，停止转动，将套压升至1.5MPa，转动5min，逐渐将转速提高至200r/min，观察有无渗漏及保压情况，继续提高套压至3.5MPa、7.0MPa和10.0MPa，重复上述动作，观察有无渗漏及保压情况，并记录相应的套压、转速及扭矩值。

试验结果：

套压1.5MPa和3.5MPa时，扭矩为180～240N·m，套压为7.0MPa时，扭矩为290～380N·m，套压为10.0MPa时，扭矩为410～590N·m，动密封和胶芯无渗漏现象。

2.3 可靠性试验

将六方测试钻杆插入防喷器内，启动液压泵站循环液压油，启动液压马达，驱动防喷器旋转总成进行旋转，维持套压为1.5MPa，转速180r/min累计旋转60h以上，观察胶芯和动密封的磨损情况。

试验结果：在套压为1.5MPa的情况下，做180r/min高速旋转，累计旋转超过60h，胶芯和动密封无渗漏现象，动密封轻度磨损。

最终试验结果如表1所示，在DQX-III型旋转防喷器完成地面装配、调试后，模拟现场试验条件对该样机进行了一系列功能性试验。试验结果显示，该样机各项基本功能达到了现场使用需求。

3 现场应用

表1 DQX-III型旋转防喷器室内试验结果

3.1 现场应用需满足的要求

（1）井口按钻井设计配备齐全的井控装置；

（2）配备相应的近平衡钻井配套设备；

（3）现场需提供380V/50Hz，至少30kW的电源接口；

（4）现场需准备不带标识槽的18°斜坡钻杆，数量不少于设计的井段；

（5）现场需提供六方钻杆，下旋塞的外径不许超过∅168mm；

（6）接单根或正常钻进时，现场操作需向井筒内倒入少许润滑油，润滑胶芯，以防胶芯快速磨损；

（7）对于下井钻具、接单根出现的毛刺、咬痕，需进行打磨；

（8）旋转防喷器试压问题，随现场井口试压一同完成；（9）要求井口居中，偏心度不大于5mm,校正井口；（10）其它事宜按照该井钻井工程设计执行或现场协商解决。

3.2 安装工艺及现场调试

3.2.1 安装工艺

（1）在井口搭脚手架。清理闸板防喷器环槽及旋转防喷器环槽，上好栽丝；

（2）将壳体从井架底座大门口吊装在井口上，注意保护紧固螺栓，不得损坏；

（3）安装密封钢圈，坐好壳体，上紧螺母固定好壳体；

（4）液压泵站就位后链接380V电源,通电后手动打开循环泵，看电机是否反转，如果反转调相线；检查油箱和水箱，看油水是否满足要求，如不足及时补充；

（5）用管钳松开卡箍上的紧固螺栓，将卡箍打开；

（6）将旋转总成吊到钻台上，安放在座装架上。在钻杆下部接上相应尺寸的引锥，涂上润滑剂（如黄油或铅油），然后将其插入到座装架上的旋转总成中。卸下引锥，将该钻杆与井口上的下部钻具相连。将旋转总成和壳体的密封面清理干净，下放钻具将旋转总成座在壳体上。锁紧卡箍上紧固螺栓,链接旋转总成的管线。

3.2.2 现场调试

（1）首先接通电源，启动液压泵站，保证泵站能够正常运转。

（2）将带有胶芯总成的钻柱连接到井内钻柱，下放，使胶芯进入旋转防喷器壳体内，用卡箍锁紧旋转防喷器本体，并上好紧固螺栓。

（3）将2根冷却循环管线与总成上的进、出口快速接头连接，启动液压泵站，观察泵站各显示值，保证循环系统工作状态正常。

3.3 现场应用情况

2011年，该旋转防喷器在大庆油田采油八厂进行了多口井的现场应用，其中有3口液相欠平衡及6口氮气钻井。

2011年4月，在采油八厂的芳180-斜146井进行现场应用，该井属采油八厂的一口开发井，设计井深1504m。根据设计本井二开井段1454～1504m 4-6/8″in井眼，层位：姚一段到青二、三段，需采用氮气钻进。

钻井参数：ZJ30钻机，最高转速120r/min，钻压40～60kN，扭矩4.4～6.3kN·m，进尺47m，总钻时间3.07h，平均机械钻速15.31m/h。

4 结论

（1）室内试验中，在套压1.5MPa下，做180r/min高转速旋转试验，累计旋转超过60h，动密封及胶芯无渗漏现象，整套系统工作可靠。

(2)通过现场应用，该旋转防喷器能够满足ZJ30钻机低底座、高转速的要求。

欠平衡钻井技术可以有效地提高钻井机械钻速，缩短建井周期，节约钻井成本，同时欠平衡钻井对于保护和发现油气有着重要的作用[9-10]，因此该防喷器具有良好的应用前景。

随着“三低”油田开发井的增多，小尺寸、高转速的旋转防喷器的需求会显著增加，该旋转防喷器为的研发可大大降低生产成本，在油田大范围推广应用，将取得显著的经济效益。