旋轉環形防噴器結構分析及應用

曹月臣

（大慶鉆探工程有限公司 鉆技二公司 ，吉林 松原138000）

旋轉防噴器是用于負壓作業（欠平衡作業）的井控裝置，它與其控制裝置配套使用，安裝在井口最上端，提供井筒環空與操作臺之間的封隔和有效的壓力控制，密封管柱；在所限定的井口壓力條件下允許管柱旋轉，實行帶壓鉆進和部分完井作業，并引導環空流體進入地面控制系統的設備，實現欠平衡作業［1－3］。

在作業過程中，為避免井中的液柱壓力過高以致將油氣層壓死或污染，常采取降低流體密度的措施，使液柱壓力略低于地層壓力，保持井底輕度溢流，這時井口必須安裝旋轉防噴器，利用旋轉防噴器封住井口環形空間，同時保持管柱的旋轉作業。旋轉防噴器也可用于特殊修井作業。

1 技術分析

1.1 結構組成

旋轉環形防噴器（PCWD）包括旋轉防噴器主機、液壓控制單元（液壓泵站）、司鉆控制臺、安裝連接附件4大主要部件，如圖1所示。

1） 旋轉環形防噴器主機（RSBOP）主要由上殼體、下殼體、上襯套、下襯套、球形密封膠芯、活塞總成、旋轉動密封、軸承等組成，如圖2所示。

圖1 旋轉萬能防噴器（PCWD）總成

圖2 旋轉萬能防噴器主機（RSBOP）

2） 液壓控制單元（液壓泵站）主要由儲能器、電機啟動接線箱、儀表盤、可編程序邏輯控制器接線箱、油箱等組成。

3） 司鉆控制盤 主要由顯示器、報警器、開關等組成。

4） 安裝連接部件 主要由井筒壓力傳感器、緩沖器、液壓連接軟管和電纜組成（如圖3所示）。

圖3 安裝連接部件

1.2 工作原理

旋轉防噴器的主要作用是密封住鉆柱與井口裝置的環形空間，使鉆井液能按預定的出口流出。在欠平衡鉆進或起下鉆的過程中，通過PCWD系統泵站的控制，使旋轉防噴器處于關閉狀態，球形膠芯收縮，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。泵站上的PLC將會自動地調節關閉壓力，使之比井眼傳感器測量的壓力至少高出設定的壓力。由于球形膠芯產生摩擦力，可以通過方鉆桿或鉆桿來傳動內部總成而不需要使用專門的驅動裝置。一旦壓力異常，立即轉換到靜態工況，可實現密封35MPa（5 000psi）壓力。

2 主要技術參數

最大井口靜壓力 35MPa（5 000psi）

最大井口動壓力 21MPa（3 000psi）

通徑尺寸 ?279.4mm（11英寸）

最大轉速 200r／min（在14MPa條件下）

100r／min（在21MPa條件下）

頂部連接279.4mm（11英寸）法蘭或雙頭螺栓

最大外徑 ?1 320.8mm（52英寸）

最大高度1 079.5mm（42.5英寸）（雙頭螺栓式）

質量 6.803kg（15 000lb）

電源 380V／50Hz或460V／60Hz

設計環境溫度 －20～＋60℃

防噴器井筒材料 抗H2S

設計標準 API 16A

第三者認證

DNV證書或ABS證書（根據用戶要求而定）

3 性能特點［4］

1） ?279.4mm（11英寸）通徑可使各種鉆頭及井下工具通過，而不需任何拆裝工作。

2） 密封膠芯可密封任何截面形狀的鉆柱（包括四方鉆桿）。

3） 不需要方鉆桿驅動器即可正常鉆進。

4） 該旋轉防噴器具有常規萬能防噴器的性能，可代替萬能防噴器使用。

5） 該旋轉防噴器可以和頂部驅動配合使用。

6） 密封膠芯可開口，在更換膠芯時可把鉆柱留在井中，大量節省了換膠芯時間。

7） PCWD為主動式旋轉防噴器。在鉆井過程中，它可以自動補充密封膠芯的橡膠量，從而保持良好的密封性能。

8） 液壓系統的壓力始終大于井筒壓力，以保證井筒中的鉆井液不會侵入液壓系統。

9） 液壓系統的壓力可以人為地調節，使設備達到最佳的密封及最小的膠芯磨損狀態。

10） 液壓系統的壓力可以自動調節使動密封兩側壓差最小，從而延長動密封的使用壽命。

4 現場應用

在大慶鉆探海外工程技術服務中，旋轉環形防噴器得到了很好的應用，順利實現欠平衡鉆井及完井，成功獲得高產油氣流。

4.1 啟動過程

1） 將主電路的開關扳到開位，啟動液壓泵站的M1、M2、M3和M4電動機。加熱器的開關扳至自動位置，該位置在MCC（電機中心控制盤）上的標識為AUTO。

2） 將MCC上的預置次序按紐按下，以確保油溫在運轉主泵和蓄能器之前達到正常狀態。在該狀態完成之前，指示燈不停閃動，當系統確定完成以后，指示燈便停止閃動。

3） 使控制閥在控制盤上處于開／關模式，此時RSBOP為打開狀態。

4） 在司鉆控制盤上按打開按鈕。

5） 主蓄能器瓶壓力將升至38.5MPa（5 500 psi），然后泵自動停止運轉。前導蓄能器瓶壓力將升至10.5MPa（1 500psi），泵自動停止運轉。主控制泵啟動開始循環，循環路線是油液從打開線路進入RSBOP，從關閉線路回油箱。按增壓按鈕設置打開壓力到7MPa（1 000psi），檢查有無泄漏，如果有泄漏，卸壓維修。

6） 將司鉆控制盤上的空檔／正常開關旋至空檔位，測試泵在系統空載下的運行情況。控制壓力在1.75MPa（250psi）以下。然后將開關旋至正常檔位，控制壓力升回至7MPa（1 000psi）。

7） 將一柱鉆桿下入井內，在司鉆控制臺上按下關閉按鈕，將壓力設置到8.4MPa（1 200psi），然后通過按增壓按鈕，檢查泵站和關閉管線是否泄漏，如果有泄漏，卸壓維修。

8） 將手動泵接到泵站上的井筒壓力測試口，升壓至21MPa（3 000psi）穩壓，將控制壓力升至29.4MPa（4 200psi），壓差始終保持在8.4 MPa（1 200psi）。

9） 通過按降壓按鈕來檢查控制壓力的降壓功能，將壓差降到5.6MPa（800psi），控制壓力將降到26.4MPa（3 800psi）。

10） 將手動試壓泵的壓力泄掉，控制壓力降到5.6MPa（800psi）。

11） 在司鉆控制臺上，按下靜態按鈕，泵站上的打開和關閉壓力表的表壓應增至38.5MPa（5 500psi），檢查打開和關閉管線是否泄漏，如有泄漏，卸壓維修。

12） 在司鉆控制臺上，按關閉按鈕，20s后再打開按鈕。

13） 從井筒壓力測試口卸下手動泵，同時給測試口安裝保護帽。

4.2 運轉操作

1） 按鉆井工程設計要求的鉆具結構組合下入井內。

2） 按關閉按鈕，使膠芯緊緊抱住鉆桿。

3） 調節壓差，壓差調節范圍為0.7～7.0MPa（100～1 000psi），根據現場實際情況，并考慮到膠芯的使用壽命，一般設定壓差為2.8～4.2MPa（400～600psi）較合適。

4） 正常鉆進，此時各崗位操作員及監督員不能離開自己的崗位，時刻監視司鉆控制臺上的顯示器、泵站上的顯示器和液動節流閥控制臺上的顯示器的各種數據變化，監視有關設備的工作情況。出現問題及時聯系、及時處理，出現較大問題時及時向現場負責人匯報。

5） 起下鉆時，RSBOP必須處于關閉狀態。控制起下鉆的速度，潤滑鉆桿，詳細記錄起下鉆的次數和根數，記錄鉆桿接頭數和實際經過膠芯的鉆桿總長度，定期檢查膠芯的密封情況和磨損情況。在發生任何一種情況時都要更換膠芯。

5 結語

旋轉萬能防噴器是欠平衡鉆井的關鍵設備，采用主動式旋轉密封設計，很好地解決了欠平衡鉆井作業和帶壓作業中存在的難題。其設計符合API相關標準，產品各項技術指標和使用性能在同類產品中均處于領先水平。經多年的現場使用驗證，其性能卓越、安全可靠。

［1］ 顧和元，蘇尚文，劉增凱，等.FHZ28-105型環形防噴器膠芯研制［J］.石油礦場機械，2012，41（12）：7-10.

［2］ 胡 霄，翟桂新，胡慧婷，等.補償式多用途環形防噴器的研制［J］.石油礦場機械，2013，42（3）：91-93.

［3］ 孟慶榮，鄭傳周，翟桂新，等.FZ54-35型雙閘板防噴器殼體優化設計［J］.石油礦場機械，2011，40（1）：63-66.

［4］ 黃 巍.大牛地氣田氮氣泡沫欠平衡水平鉆井工藝研究［D］.西安：西安科技大學，2010.