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关键词:盘根装置;密封;钻井技术;水龙头
随着钻井技术的发展, 出现了顶部驱动钻井装置、盘式刹车、电动与全液压钻机技术, 这些技术的发展逐步提高了钻机的自动化与智能化控制水平,对水龙头的技术水平也提出了新的要求。泥浆密封件是水龙头的关键部件[ 1] , 其性能的好坏影响到钻井速度。目前使用的盘根密封装置已有30 多a 的历史, 由于结构和原理上的缺陷, 不能满足高压喷射钻井和快速钻井的工艺要求。新型的盘根密封装置已由美国国民公司研制成功, 有待推广。
1 盘根装置密封结构及存在问题
1. 1 结构问题
图1 a 为机械密封盘根装置, 在更换盘根时必须拆下鹅颈管和上盖, 拆卸复杂且费时, 大大影响了钻进时间。该结构只在70 年代以前使用过。图1b为浮动冲管式盘根装置, 用螺纹通过上、下盘根盒与鹅颈管和中心管联接, 在更换盘根时只要将上、下盘根盒旋开即可。可见, 浮动冲管式盘根装置局部实现了模块化, 能够适应快速钻井的发展方向, 因此,该装置得到了广泛应用。
1. 2 密封问题
图2a 为图1a V 型机械密封结构原理, 它依靠盘根盒盖上的螺钉压力来压紧10 个V 型盘根, 同时依靠下面弹簧的弹力来补偿盘根的磨损。这种盘根装置的摩擦力很大, 造成能量损失较大, 冲管寿命也很短。很大的缺点是密封性能差, 经常漏泥浆, 常因检修水龙头而被迫停钻。
图2b 为图1b Y 型液压自封式密封结构原理,采用浮动冲管、Y 型液封盘根和快卸结构。当将上、下盘根盒向中间旋出时, 能够连同冲管一起取出, 很容易更换盘根或冲管, 不需拆卸鹅颈管和水龙头接头。冲管用螺母压在上盖支架法兰下面的鹅颈管上, 固定不转, 而盘根盒则随中心管一起旋转。耐油橡胶(或聚胺酯橡胶)制成的3 ～ 4 个Y 型密封圈用45 号钢制成的隔环分开, 这种密封圈具有液压自封作用, 即在泥浆液压作用下其唇部始终压紧冲管外壁, 在密封圈不断被磨损的情况下, 其唇部仍能靠液压涨开, 保证密封。由于盘根盒、冲管、螺纹等的同心性和圆柱度精度较高, 所以可保证磨损量低和耐高压。
目前, 我国生产的水龙头基本上都采用Y 型液压自封式密封结构。根据油田使用情况, 其密封性能和使用寿命与钻压有关系。一般钻井条件下, 泥浆压力为21 MPa , 冲管和盘根可以持续工作800 h 。当压力升高到35 MPa 时, 冲管和盘根只能满负荷工作100 h 。而且, 当泵压急速升高时, 通常只能持续50 h 。另外, 由于加工制造等方面的原因, 有可能造成盘根盒与冲管、冲管与隔环之间的同心度误差。由此而导致密封圈和冲管过度磨损, 从而增加停钻和更换次数, 影响钻进速度。从其工作原理来看, 所有的工作压力首先集中在一个密封圈上, 直到这个密封圈磨损后, 所有的压力又集中在下一个密封圈上, 如此依次作用, 待所有的密封圈都失效后进行更换。由此可见, 集中受压是密封圈快速损坏的又一个因素。
2 新型盘根密封装置发展方向
美国国民油井公司和Kalsi 公司联合设计了一种新型盘根密封装置———液压冲管系统,如图3。
据介绍, 该装置在压力达到52. 5 MPa 时,仍然能够正常运转且寿命长, 是一般盘根装置的5 倍。特点是集中受压,即每一个密封件承受均等压力。其作用原理是利用液压缸的作用把压力油压入密封件后面的小孔内以平衡泥浆对冲管的压力。实际上,液压力要大于泥浆压力, 并且有一小部分液压油可以渗透到泥浆一侧阻止泥浆进入盘根密封件内, 从而起到密封作用并可减小密封件磨损。在设计时让密封件漂浮在油上。目前该装置只应用于国民油井公司的 101.6 mm(4 英寸)和 127.0 mm(5 英寸)动力水龙头上, 经改进后可用于顶部驱动和普通水龙头上。其优点是能够承受高钻压, 密封性能好, 可以显著提高在大泵压下钻井的经济效益。
3 结论与建议
目前,石油钻机在规模上有两极化发展的趋势,即深井钻机大型化、轻便钻机小型化。深井钻机钻深能力已达15 000 m , 上限钩载达12 500 kN 。钻井泵单台上限功率1618 kW ,上限压力52.7 MPa 。随着顶部驱动钻井技术的成熟和广泛应用以及钻井泵压力的提高, 泥浆密封装置将面临更大的考验。研制我国的新型水龙头盘根密封装置应提到议事日程, 设计应遵循国际通行的规则和标准。
参考文献:
[ 1] 窦宏恩.对我国石油工程技术的发展建议[ J] .石油机械,2003, 31(特刊):124-126.
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