煤层气欠平衡钻井旋转控制头胶芯密封特性分析

旋转控制头胶芯的密封性能是影响煤层气欠平衡钻井施工效果的重要因素。根据煤层气钻井工况,对井口偏心工况、起钻和钻进工况下,旋转控制头胶芯和钻具间的接触压力进行了有限元模拟研究,并分析了胶芯不同结构参数对胶芯密封性能的影响,为煤层气钻井低压密封胶芯的优化设计和研制提供了依据。结果表明:胶芯与钻具间的接触压力随偏心距的增大而增大,且靠近偏心侧的接触压力较大;钻进工况下,钻具本体和接头部分的接触压力都明显小于起钻工况;接触压力随外锥角的减小而增大,随内锥角的减小而减小,但变化量较小;摩擦力随主密封段长度的增加呈线性增加,钻杆接头部分明显大于本体。现场应用实践验证了分析结果的正确性。

旋转控制头密封胶芯力学行为和失效分析

针对欠平衡钻井中旋转控制头的密封胶芯经常失效的问题,根据旋转控制头的工作原理以及胶芯的材料特点,分析胶芯在几种典型工作状态下的受力与变形规律,以及胶芯失效的形式和原因。结果表明:胶芯的主要失效形式为胶芯侧面拉压疲劳开裂、顶部剪切疲劳开裂、底部疲劳膨胀开裂,以及胶芯内锥面与内圆柱面交界处橡胶的脱落和胶芯内表面划伤、形成沟槽等;胶芯失效主要是由铁芯与橡胶连接部位的应力集中、起下钻中胶芯所受变应力的反复作用、胶芯与钻具间的摩擦力等方面引起的。提出在结构设计、材料选取、操作使用过程中合理地控制上述因素,以改善胶芯性能,提高其使用寿命和可靠性。

煤层气欠平衡钻井专用旋转控制头在郑试平4H井的应用

为了完善煤层气欠平衡钻井国产配套设备,缩短钻井周期,降低移运成本,设计并试制了煤层气钻井专用低压小型旋转控制头,并在沁水盆地郑庄区块郑试平4H井进行了现场试验。检验了旋转控制头与欠平衡钻井工艺的匹配性能,测试了旋转控制头的整体使用性能,证明了产品结构设计的合理性。该设备可有效密封井口环空压力,轴承组、动密封件以及润滑冷却系统在连续运转479h情况下无任何异常状况,顺利地将钻井液导入泥浆罐。理论与现场试验结果表明:旋转控制头的结构设计合理,冷却润滑系统可以有效保护动密封件及轴承组,胶芯寿命满足现场使用要求,可进一步推广应用。

旋转控制头密封装置研究

旋转动密封装置是旋转控制头轴承总成的关键部件,其性能好坏直接影响旋转控制头的使用寿命。在分析旋转控制头密封现状的基础上,针对目前旋转控制头密封装置存在的主要问题,设计出了一种能够满足不同工况条件下的新型旋转控制头密封装置,该密封能够实现随井底压力变化自动调整组合密封装置密封压力的要求,实现浮动密封,从而提高了旋转控制头密封装置的可靠性和使用寿命。

基于GA-BP算法的旋转控制头轴承温度预测

旋转控制头轴承组件要承受很大的动载荷,由于摩擦力的作用,使轴承发热和磨损非常严重,极易发生轴承温度过高而导致轴承失效。针对旋转控制头轴承温度影响因素多、精确计算困难、不易测量等特点,提出了一种基于遗传算法优化的神经网络(the optimized algorithm of BP neural network based on genetic algorithm,GA-BP)进行旋转控制头轴承温度预测的方法,利用某无外挂冷却润滑泵站式旋转控制头台架实验数据进行训练和测试,并与传统神经网络模型(BP)进行对比。结果表明,GA-BP预测模型实现了控制头轴承温度预测过程的自适应控制,预测得到的轴承温度与期望值之间的线性相关度达到0.991 48;通过95%置信区间以及平均、最大、最小绝对百分比误差的对比得到,GA-BP模型在逼近能力、收敛和泛化能力上都要优于BP预测模型。GA-BP预测模型预测精度高、稳定性好,对掌握轴承运行状态,优化旋转控制头冷却润滑方式和结构。提高旋转控制头的整体性能有重要指导意义.

基于灰色神经网络的旋转控制头深沟球轴承温度预测

由于井口、转盘、天车的中心偏差,旋转控制头深沟球轴承受到较大的侧向载荷,同时,由于摩擦扭矩的作用,深沟球轴承会产生大量的热,容易导致轴承温度过高而失效,降低旋转控制头现场生产安全性能。为了优选、及时更换润滑冷却介质,提高深沟球轴承使用寿命及旋转控制头整体工作性能,将深沟球轴承温度变化作为研究重点,以室内试验测得数据为样本,运用灰色神经网络方法,建立数学模型对深沟球轴承温度进行预测,并与BP神经网络预测结果作对比。结果表明:灰色神经网络模型预测精度高、稳定性好,且所需样本数据少,对深沟球轴承温度预测及旋转控制头冷却润滑系统设计具有重要的应用价值。

欠平衡钻井用高压旋转控制头的研制和应用

现国内各大油田使用的旋转控制头均是从国外引进 ,价格昂贵。国内原有的旋转控制头 (旋转防喷器 )是 6 0年代初和 80年代末设计的低压力级别产品 ,不能满足现代欠平衡钻井工艺的需要。针对这种状况 ,四川石油局钻采研究院机械设计中心研制开发了动密封压力 10 .5MPa,静密封压力 2 1MPa ,具有双胶芯密封结构的高压旋转控制头。经试验和现场使用证明 ,效果良好 ,完全能满足现代欠平衡钻井工艺的需要。

旋转控制头胶芯失效形式分析

在欠平衡钻井过程中,胶芯是旋转控制头核心密封元件,通过对Williams7100型旋转控制头胶芯失效形式进行分析,并提出了相应的对策,旨在推动胶芯的国产化进程。

旋转控制头在负压钻井中的应用

旋转控制头是负压钻井的一个关键装置，利用它和其它地面设备可实现边喷边钻。使用旋转控制头已成为一种降低钻井成本、提高油井产量的重要手段。本文介绍了旋转控制头的分类和密封方式。

煤层气欠平衡钻井专用旋转控制头方案设计

针对我国煤层气钻井缺乏专用配套工具及装备,煤层气欠平衡钻井技术应用受到限制等现状,开展了煤层气欠平衡钻井专用旋转控制头的研究。根据煤层气钻井的要求及现有石油钻井用旋转控制头的相关标准,对煤层气欠平衡钻井专用旋转控制头进行了方案设计并提出了研究中需要解决的几个关键问题,为产品设计及研发奠定了基础。

旋转控制头侧向力研究

在钻井过程中,方钻杆的侧向力作用常常导致旋转控制头损坏,造成事故。通过将井口至大钩的方钻杆简化为连续梁,将旋转控制头上下胶心和驱动器对方钻杆的约束简化为中间弹性支座,建立了相应的钻柱横振动力学模型。通过对模型的求解,找到了一种计算方钻杆转动对旋转控制头产生侧向力的合理方法,为分析计算不同钻井条件下旋转控制头的受力情况提供了理论依据。

旋转控制头台架试验研究

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。

浅谈旋转控制头的发展趋势及应用

介绍国外旋转控制头的发展现状 ,对比分析国外环形胶芯型和膨胀胶囊型旋转控制头的性能特点 ,分析不同类型旋转控制头的密封结构特点 ,介绍日益增长的旋转控制头的应用 ,指出旋转控制头的发展方向 。

一种新型煤层气旋转控制头旋转总成的温升影响因素分析

可靠有效的冷却润滑系统是旋转控制头安全、高效工作的保证。结合现有成熟技术,设计出一种集冷却润滑系统与旋转总成为一体的新型旋转控制头。为确保其旋转总成冷却润滑的要求,建立1/2实体三维数值模型,分析了密封井压、钻杆转速、井口偏心距对其温升的影响。结果表明:三影响因素均是旋转总成温升的主要因素,随三者的增大旋转总成的热平衡最高温升呈非线性增大,但在其运转所允许的温升范围内;三影响因素对旋转总成的动密封系统温升的影响最为明显,说明动密封系统是旋转总成的主要热源点;井口偏心距的增大较另外两种影响因素的增大,对旋转总成的热平衡最高温升值影响更大,进一步证实了旋转控制头安装过程中减少井口偏心距的重要性。

浅谈旋转控制头的应用及发展趋势

介绍了国内外旋转控制头 (RCH)的发展现状 ,对比分析了国外环形胶心型RCH和膨胀胶囊型RCH的性能特点以及不同类型RCH的密封结构特点。分别论述了RCH在天然气或空气钻井、边喷边钻、地热钻井、过平衡钻井和修井作业等领域的应用情况。指出RCH正朝着提高密封压力等级 ,拓宽应用范围 ,强化轴承润滑与冷却 ,以及便于操作和控制等方向发展。建议在RCH的国产化研究过程中 ,首先发展环形胶心密封型式的RCH 。

侧向力对旋转控制头轴承总成可靠性的影响

为了更高效地利用高压旋转控制头轴承总成等进口设备 ,以减少其维修时间和费用 ,根据现场工况及可靠性设计理论 ,借助于有限单元法 ,分析了井口偏斜对轴承寿命、轴承系统可靠性及内、外筒应力的影响。分析结果表明 ,由于井口偏斜产生的侧向力对轴承总成使用可靠性的影响很大。指出 ,防喷器中心线、方补心中心线和天车中心线三者的不对中将使旋转控制头轴承总成承受很大侧向力 ,三者的偏斜度不得大于 0 0 2m。

旋转控制头润滑冷却系统热力学分析

根据煤层气专用旋转控制头润滑冷却系统要求,结合现有成熟旋转控制头润滑冷却技术,设计出无外挂冷却润滑泵站式结构。为保证该结构满足旋转控制头密封系统、轴承组的润滑冷却要求,利用有限元分析软件和室内实验对旋转控制头润滑冷却系统进行热力学分析。结果表明:该润滑冷却系统满足设计要求,其中上扶正轴承温度最高,最高温度可达71.9℃,动密封组件最高温度达60℃。此外,偏心距、密封压力、转速对润滑冷却系统影响较大,系统温度与上述三个因素近似成线性变化。

煤层气空气钻井简易旋转控制头的研制与应用

针对煤层气空气钻井旋转控制头胶芯易损坏且需配置六方钻杆等缺点,研制了简易旋转控制头。现场应用表明,该装置可以使用原钻具和四方钻杆,密封件寿命较长,操作方便,可以提高效率,节约成本。

旋转控制头密封胶芯性能三维有限元分析与结构优化

为提升带压起下钻过程中旋转控制头胶芯密封性能,基于虚功原理得到动态密封过程的有限元控制方程,并进行橡胶单轴压缩试验确立胶芯变形过程中的Yeoh本构模型;运用ABAQUS试验平台建立胶芯三维有限元模型,通过模拟起下钻过程中胶芯动态密封过程,得出密封面上受力分布规律;研究胶芯内锥角、外锥角、内径等结构参数对密封性能的影响。结果表明:胶芯主密封面的接触压力大于其他部位,其中主密封面与内锥面拐点处接触压力最大;内锥角增大时内锥面接触压力变大,外锥角增大时密封面接触压力波动,内径增大时主密封面接触压力降低。通过正交试验对结构参数进行优化,得到的最优结构参数组合为内锥角24°、外锥角64°、胶芯内径79 mm,优化方案的接触压力峰值降低了0.51 MPa,Mises应力幅值降低了57.5%。现场应用结果表明,优化方案在满足胶芯密封要求前提下,疲劳寿命显著增长,验证有限元仿真分析的准确性。

旋转控制头胶芯性能的影响因素分析

为了研究旋转控制头胶芯配方及胶芯的使用和储存温度对其密封性能的影响,基于虚功原理应用橡胶单轴压缩试验确立了胶芯变形过程中Yeoh本构模型,利用ABAQUS软件建立了旋转控制头胶芯动态密封仿真模型,讨论了摩擦因数、材料配方及温度对旋转控制头胶芯密封性能的影响。分析结果表明:采用Yeoh本构模型能够较好地拟合胶芯材料的大变形现象;胶芯的密封性能随着摩擦因数的增大而增强,但摩擦因数过大会加速胶芯失效,推荐胶芯材料摩擦因数为0.40;低温储存和运输过程对旋转控制头胶芯的力学性能影响不大,但在使用前需做充分预热处理;高温环境下,胶芯材料的拉伸强度随温度的升高先降低后增加,在65℃左右降到最低。所得结果可为提高国产旋转控制头胶芯的性能提供参考。