DQ-III型旋转防喷器新大通径总成的设计与室内试验_董岩.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-12-25修回日期 2019-12-26 第一作者简介 董岩 （1989-） ， 男 （汉族） ， 黑龙江大庆人， 工程师， 现从事欠平衡钻井技术研究工作。 DQ-III型旋转防喷器新大通径总成的设计与室内试验 董岩*， 于成龙， 陈思博 （大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院， 黑龙江 大庆 163413） 摘要 阐述了旋转防喷器总成用途与作用， 它是欠平衡钻井中的重要核心部件， 是核心关键。介绍 了在现阶段将旋转防喷器总成中心管等部件重新设计， 在尺寸不变的情况下内径增加， 可以使新型 的5-1/2″的钻杆无碍通过， 并重新简化架构， 可以适应更多的井上情况， 经现场试验验证满足油田应 用条件。 关键词 欠平衡； 旋转防喷器； 钻杆； 动密封 中图分类号 TE921 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202010-0038-03 旋转防喷器是在井口起旋转密封作用的欠平衡钻 井专用设备。通过旋转防喷器中心管与胶芯抱紧密封 钻柱， 实现保护井口的目的。 近年来， 国内对5-1/2″钻杆的使用量逐渐增加， 在 一些复杂井、 重点井， 设计5-1/2″钻杆替代5″钻杆， 单 位长度钻杆重量更重， 能够有效提高复杂井控制能 力。近两年来， 吉林油田、 大庆油田均出现5-1/2″钻杆 用旋转防喷器使用需求。 现阶段井队使用的18斜坡5-1/2″钻杆母扣上有 耐磨带，正常新5-1/2″钻杆耐磨带外径在190.54.8～ 6.4mm之间， 这种钻杆已经进行了广泛使用。而现在 尚没有一种旋转防喷器总成既可以通过， 已经不能适 应现场工况。 为保证欠平衡井的正常推广， 现设计一种大通径 的5-1/2″旋转防喷器， 填补5-1/2″钻具无法使用欠平 衡的空白。 1大通径总成总体设计 本DQ-III型旋转防喷器新大通径总成是一种大 通径、 紧凑、 通用型旋转总成， 外部尺寸可以通过井口 （外径不大于440mm） ，内部可通过5-1/2″钻杆 （内径 最大200mm） ， 在有限的空间内实现固定、 旋转、 密 封、 降温等功能， 保证整体强度不变。 为保证现有旋转总成机构已趋于成熟， 其内径为 178mm， 外径440mm。若只靠简单缩小各部件尺 寸， 会使部分结构厚度极薄， 不能满足工作强度， 所以 需要重新设计一些结构， 满足工作需求。 2大通径总成结构组成与原理 （1） 组成结构。DQ-Ⅲ型旋转防喷器的210mm 旋转总成是安装于旋转防喷器壳体内， 旋转密封5-1/2″ 钻柱的关键部件。具体结构部件见图1。 图1DQ-Ⅲ型旋转防喷器的210mm旋转总成结构图 ①-上驱动总成； ②-中心管； ③-上动密封总成； ④-外筒； ⑤- 轴承； ⑥-下动密封总成； ⑦-下胶芯总成 （2） 工作原理。其中， ①、 ②、 ⑦组成旋转单元； ③～ ⑥组成固定单元。固定单元被旋转防喷器壳体抱紧， 38 2020年第10期西部探矿工程 处于固定状态。旋转单元通过胶芯的抱紧力及驱动器 的旋转驱动实现与钻柱的同步旋转。旋转单元依靠其 内部的扶正轴承及止推轴承实现与固定单元之间的相 对旋转。旋转单元依靠其内部的动密封及防尘密封实 现与固定单元之间的旋转密封。地面液压站提供一定 压力及流量的液压油在总成旋转与不旋转的间隙内循 环， 润滑轴承及动密封配合面， 带走旋转单元高速旋转 摩擦产生的热量。 3关键问题分析与技术研究 （1） 原轴承及摩擦套不适用于新总成。 （2） 冷却面积仅为原来的1/2， 易出现过热问题。 设计大通径中心管， 取消大部分各部件与中心管 连接固定的螺纹与台肩的嵌套式设计， 采用重叠压紧 设计， 在保证强度的情况下， 最大限度减少尺寸。设计 内径在最大钻杆进入时， 单边间隙不小于2.5mm， 保证 钻杆无障碍通过。最薄壁厚不小于10mm， 在外壁设计 1mm宽的抬肩， 使上下轴承在工作中不会接触损坏， 此 中心管经强度校核满足现场使用。图2为大通径总成 中心管简图。 图2总成中心管简图 （3） 轴承及摩擦套设计。轴承设计 保证寿命， 仍 选用满针滚动轴承， 优选NAV4852轴承 （见图3） ， 减少 一定尺寸； 设计轴承新内套， 进一步减少尺寸。 摩擦套设计 设计新型摩擦套， 具体结构见图4， 上 下摩擦套用过盈配合与增加摩阻固定代替螺纹连接方 式固定。取消用于上扣的牙阚设计， 避免在安装动密 封时牙阚边缘对其的损伤， 也增加摩擦套的强度。 图4摩擦套简图 （4） 高效冷却结构设计。总尺寸缩小导致散热能 力减小， 原设计的单一油路循环在新设计中存在过热、 总成寿命缩短的问题， 需要重新计算热能、 排量， 优化 散热结构。 高效冷却润滑结构设计热能分析 对运转过 程中总成中易发热的动密封及轴承进行了产热计算， 来设计及优选出最佳结构。 轴 承 产 热 量 qμ ∂2umi ∂h20 ，得 出 轴 承 产 热 h02.65R α0.54γpU 0.7R0.43L0.13 E′0.03W0.13 。 动密封产热量qkμ∂ 2v ∂r 2 p R0.37得出动密封产 热。 计算满足热量传送所需油路最小通径 总排量为 3.5m3/h， 压耗计算hfλ L d V2 2g 得出通道最小内 径。 高效冷却润滑结构设计油路润滑循环 在外 筒薄壁上设计5个长径比为32 ∶ 1的深孔， 作为循环通 道， 在保证外筒强度的前提下降低了动密封背压， 能同 时冷却上下动密封和整个轴承组。高效冷却润滑结构 设计水路循环。 上部防尘密封、 上部油水密封选用组合斯特封， 该 密封能够实现摩擦小、 发热少、 寿命长等特点， 并在上 动密封内部设计复杂的水路循环， 使其可以充分传导 摩擦套的热量， 增长摩擦套的使用寿命。 原5-1/2″总成水冷循环仅存在于动密封下方， 与 部分摩擦套接触， 上动密封通过金属传热散热， 冷却效 果差。现在动密封中心设计了8条6mm20mm孔， 直接与摩擦套发热中心接触， 经计算冷却效率为原来 的1.63倍。 图3NAV4852轴承简图 39 2020年第10期西部探矿工程 4室内试验 2019年设备组装完成后进行了室内试验， 实验主 要包括总成装配现有壳体实验， 旋转实验， 静压实验， 动压实验， 磨损实验。取得了良好的的实验效果。 图5为组装好的大通径总成， 图6为大通径总成实 验图。 壳体装配试验中总成在壳体中与其紧密配合， 在 后续的实验中， 未出现磨损、 密封不严等问题。 旋转试验中总成最快转速达到120r/min无异响。 静压试验中使用水介质加压。加压 5MPa 静置 10min无压力降低现象； 加压10MPa静置2h无压力降 低现象； 加压15MPa静置10h， 无明显压力降低现象， 压降不大于0.2MPa； 加压21MPa静置24h， 无明显压力 降低现象， 压降不大于0.5MPa。 5结论及建议 （1） 近年来， 在一些重点复杂的水平井， 设计5-1/2″ 钻杆替代5″钻杆使用， 单位长度钻杆重量更重， 能够有 效提高复杂井控制能力， 随着欠平衡服务的持续发展 与5-1/2″钻杆井的不断增加， 新大通径总成具有更大 的应用范围。 （2） 与普通5-1/2″旋转防喷器总成相比， 新大通径 总成可适应更多的井上情况， 在通径变大同时在使用 寿命方面也有所提升。普通旋转防喷器总成中动密封 关键部件与冷却结构在新大通径总成中因摩擦套采用 新结构设计增加了使用寿命， 工作更加稳定更具有可 靠性。 参考文献 [1]董岩，刘江涛，于成龙，等.一种新型主动密封式旋转防喷器的 研制[J].石油机械，2014，421022-25. [2]谢从辉.DQX-Ⅲ型旋转防喷器的研制与应用[J].石油机械， 20121043-45. [3]白晓捷，姜冠楠，于成龙，等.5-1∕2″钻杆用旋转总成的研制[J]. 中国石油和化工标准与质量，201211106. 图5大通径总成实物图 图6大通径总成地面实验 （上接第37页） 参考文献 [1]高文学，杨军，黄风雷.强冲击载荷下岩石本构关系研究[J].北 京理工大学学报，20002165-170. [2]蒋宏伟，刘永胜，翟应虎，等.旋冲钻井破岩力学模型的研究 [J].石油钻探技术，2006113-16. [3]田家林，付传红，庞小林，等.高频扭转振动对钻井过程破岩特 性的影响研究[J].应用力学学报，2016，335792-798，934. [4]李玮，高海舰，王新胜，等.基于离散元法的PDC钻头破岩过程 仿真研究[J].西部探矿工程，2017，29525-30. [5]王泳嘉，邢纪波.离散元法及其在矿山压力研究中的应用[J]. 阜新矿业学院学报，198641-12. [6]张瑞新，刘煜，郑群飞，孙健东，武海龙，刘文文.基于EDEM的 双齿辊破碎机破碎效率影响因素仿真分析[J].金属矿山， 20182154-159. [7]唐德威，李鹏，姜生元，侯绪研，邓宗全.基于离散元的模拟月 岩切削负载特性数值模拟及试验验证[J].机械工程学报， 2016，5215192-203. [8]王国强，郝万军，王继新，等.离散单元法及其在EDEM上的实 践[M].西北工业大学出版社，2010. [9]徐建飞.泥页岩新型防泥包PDC钻头设计及应用[J].石油机 械，2014，42812-16. [10]赵伏军，王宏宇，彭云，等.动静组合载荷破岩声发射能量与 破岩效果试验研究[J].岩石力学与工程学报，2012，317 1363-1368. 40