胡旭光 劉貴義 李 庚 劉俊男

（1.中國(guó)石油井控應(yīng)急救援響應(yīng)中心，四川 廣漢 618300；2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500；3.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

部分老井在完井初期由于沒(méi)有油氣顯示或產(chǎn)量不高，只安裝了簡(jiǎn)易井口裝置且長(zhǎng)期處于關(guān)井狀態(tài)，井口閘閥銹蝕后，無(wú)法開(kāi)關(guān)，井內(nèi)壓力不明，甚至有些井口周圍被占做它用，如農(nóng)田、民房等，存在嚴(yán)重的井控風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患，需通過(guò)帶壓鉆孔獲取并泄掉井內(nèi)壓力后進(jìn)行封井［1-7］。同時(shí)，部分新鉆油氣井鉆遇高壓氣層后由于設(shè)備、工具等問(wèn)題導(dǎo)致井筒憋壓無(wú)法按正常程序處理，也需要帶壓鉆孔治理。由于存在部分井井內(nèi)壓力接近或超過(guò)原有35 MPa 帶壓鉆孔裝置最大工作壓力的情況，以秋林14井為例，該井在鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)溢流，處理溢流時(shí)頂驅(qū)液動(dòng)旋塞閥失效，立壓升高至47 MPa，需從鉆桿處開(kāi)孔實(shí)施壓井作業(yè)，通過(guò)帶壓鉆孔后更換頂驅(qū)液動(dòng)旋塞，但由于立壓高于帶壓鉆孔裝置最大工作壓力，國(guó)內(nèi)帶壓鉆孔裝置無(wú)法滿足要求，最后求助于國(guó)外X 公司進(jìn)行帶壓鉆孔作業(yè)。針對(duì)國(guó)內(nèi)帶壓鉆孔裝置性能不足的現(xiàn)狀，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，自主研發(fā)了70 MPa 帶壓鉆孔裝置，工作壓力大幅提升，能滿足高壓氣井帶壓鉆孔需要。

1 帶壓鉆孔技術(shù)簡(jiǎn)介

針對(duì)有壓力的采油（氣）樹(shù)井口裝置閘閥故障、無(wú)法正常開(kāi)關(guān)的情況，帶壓鉆孔能建立泄壓或循環(huán)通道，更換故障閘閥，作業(yè)過(guò)程中能實(shí)現(xiàn)“不停輸、不停產(chǎn)”［8-16］。目前主流帶壓鉆孔裝置為35 MPa液缸加壓式鉆孔機(jī)，通過(guò)主控閘閥與被鉆閘閥連接并密封（若鉆管柱，則需在主控閘閥前連接絲扣抱箍與管柱連接并密封），依次連接泄壓流程及帶壓鉆孔機(jī)并且試壓。操作過(guò)程為：首先打開(kāi)主控閘閥然后進(jìn)行鉆孔操作，帶壓鉆完孔后反向操作帶壓鉆孔機(jī)使鉆頭收回，關(guān)閉主控閘閥，拆除帶壓鉆孔機(jī)并安裝盲板，打開(kāi)主控閘閥通過(guò)泄壓流程泄壓（圖1）。該類帶壓鉆孔裝置工作壓力為35 MPa，能完成低壓井帶壓鉆孔，但無(wú)法滿足35 MPa 以上高壓井鉆孔需要，且加壓形式為液缸加壓，加壓速度不好控制，對(duì)鉆頭磨損較大。急需研制更高壓力等級(jí)的帶壓鉆孔裝置以滿足日益增長(zhǎng)的高壓井帶壓鉆孔需求。

圖1 帶壓鉆閘閥示意圖

2 70 MPa帶壓鉆孔裝置設(shè)計(jì)

所研制的70 MPa 帶壓鉆孔裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及參數(shù)包括：鉆孔直徑、鉆孔行程、鉆桿驅(qū)動(dòng)液馬達(dá)、進(jìn)給系統(tǒng)、鉆桿密封法蘭、密封抱箍（圖2）。裝置采用螺紋加壓方式，具有自鎖功能且進(jìn)給平穩(wěn)、速度快、穩(wěn)定性更佳，有效防止退刀及鉆頭震動(dòng)。帶壓鉆孔前端密封法蘭與鉆桿的動(dòng)密封采用多重“V”形夾布橡膠密封，鉆桿采用鍍鉻處理，增加表面光潔度的同時(shí)提高了鉆桿及密封件使用壽命，解決了鉆桿高壓動(dòng)密封問(wèn)題。

圖2 70 MPa帶壓鉆孔裝置示意圖及實(shí)物圖

2.1 主要參數(shù)設(shè)計(jì)

1）鉆孔直徑：根據(jù)川渝地區(qū)常規(guī)采油（氣）樹(shù)規(guī)格，其通徑為65 mm，預(yù)留容屑空間，設(shè)計(jì)鉆孔直徑為50 mm。

2）鉆孔行程：根據(jù)帶壓鉆孔工藝技術(shù)要求，鉆頭伸長(zhǎng)至最大位置時(shí)應(yīng)確保能夠鉆穿被鉆對(duì)象，則鉆孔機(jī)最小行程應(yīng)滿足：（被鉆閥門＋被鉆閥門閥板厚度）／2＋主控閥。目前川渝地區(qū)常用的采氣樹(shù)閥門通徑為65 mm，65—70采油（氣）樹(shù)閥門長(zhǎng)度約為560 mm，閥板厚度約為60 mm。帶壓鉆孔主控閥也設(shè)計(jì)為通徑65 mm、壓力等級(jí)為70 MPa，則鉆孔機(jī)行程應(yīng)至少為（560 mm+60 mm）／2＋560 mm，即870 mm。

以上行程未考慮不同井口之間的轉(zhuǎn)換，如65—70 型法蘭轉(zhuǎn)換成其它規(guī)格的法蘭，其厚度通常在60～100 mm 之間，且還應(yīng)考慮鉆孔機(jī)安裝后鉆頭位置剛好在主控閥門閥板面外側(cè)。綜合考慮上述因素，設(shè)計(jì)鉆孔機(jī)行程為1 100 mm。

2.2 鉆桿驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)優(yōu)選

鉆桿由液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)，查閱機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)可知［17-18］，最大鉆孔直徑50 mm 的立式鉆床參數(shù)為：最大進(jìn)給力為16 kN，最大扭矩為400 N·m，功率為3 kW，行程為250 mm，轉(zhuǎn)速為40～1 800 r／min；最大鉆孔直徑為50 mm 的搖臂鉆床參數(shù)為：最大進(jìn)給力為20 kN，最大扭矩為630 N·m，功率為4kW，行程為315 mm，轉(zhuǎn)速為22～1 800 r／min。

因此，根據(jù)最大扭矩選用驅(qū)動(dòng)鉆頭（鉆桿）的液馬達(dá)為1QJM02 — 0.4 的擺動(dòng)馬達(dá)，其參數(shù)取值為：最大扭矩為600 N·m、轉(zhuǎn)速為0～40 r／min、排量為406 mL／r、額定工作壓力為10 MPa、最高壓力為16 MPa。

2.3 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因鉆孔進(jìn)給速度較小，而通常液壓馬達(dá)的實(shí)際轉(zhuǎn)速較難通過(guò)流量控制，較難實(shí)現(xiàn)小進(jìn)給。采用液壓馬達(dá)減速后帶動(dòng)螺桿可實(shí)現(xiàn)小進(jìn)給及較大的進(jìn)給力?，F(xiàn)以進(jìn)給力作為第一參數(shù)確定，從上述描述中可知，最大所需的進(jìn)給力為20 kN。

1）減速比確定

初步選定鉆頭驅(qū)動(dòng)馬達(dá)為1QJM001—0.01 擺動(dòng)馬達(dá)，其參數(shù)取值為：最大扭矩T 為154 N·m、轉(zhuǎn)速為8～160 r／min、排量為104 mL／r、額定工作壓力P為10 MPa、最高壓力為16 MPa。初步選用矩形螺紋傳動(dòng)，螺桿最大外徑d為70 mm，最小外徑d1為56 mm，螺距P為14 mm，線數(shù)n為1，則：

軸向載荷計(jì)算公式為［19］：

式中，軸向載荷應(yīng)大于最大進(jìn)給力，F(xiàn)≥20 kN；螺紋扭矩T1＝T×i，i為減速比，無(wú)因次；螺紋中徑；螺紋升角＝4.05 ≤ρ′，其中λ≤4°30 ；當(dāng)量摩擦角其中f為摩擦系數(shù)，取0.015。

將以上參數(shù)代入式（1），得出i≥56，選定減速器輸出軸的齒輪齒數(shù)與螺桿軸齒輪的齒數(shù)比為2∶1，則減速比i≥28。

2）減速器選擇

根據(jù)減速器類型，行星齒輪及擺線針減速器的減速比大，外形尺寸小，因此選定擺線針減速器作為帶壓鉆孔裝置的減速機(jī)，擺線針減速機(jī)具有以下特點(diǎn)：①擺線針減速機(jī)具有高速比和高效率，其單級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)比可以到達(dá)87，雙級(jí)傳動(dòng)比可達(dá)7 569；②結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。與同功率、同速比的普通齒輪傳動(dòng)裝置相比，體積和重量可降低1／2～1／3；③運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音低。擺線針輪齒數(shù)較多，重疊系數(shù)大且能保持機(jī)件平衡，將振動(dòng)和噪聲降至最低；④使用壽命長(zhǎng)。鉆孔裝置總體結(jié)構(gòu)選擇法蘭式立裝雙軸型，傳動(dòng)接觸部分采用了滾動(dòng)摩擦，增加了使用壽命及傳動(dòng)效率。

3）螺桿強(qiáng)度校核

在最大軸向載荷一定的情況下，若計(jì)算出的螺紋中徑小于選定的矩形螺紋傳動(dòng)中徑，說(shuō)明該裝置能承受最大軸向載荷，即可認(rèn)為螺桿強(qiáng)度滿足要求，螺紋中徑可通過(guò)式（2）進(jìn)行求解［20］。

式中，對(duì)于整體式螺母系數(shù)Ψ取1.2；［p］為許用壓強(qiáng)，取7.5 MPa。

得到d2＝37.6 mm 小于等于63 mm，設(shè)計(jì)的螺桿尺寸滿足強(qiáng)度要求。

2.4 鉆桿密封法蘭設(shè)計(jì)

因川渝地區(qū)部分天然氣井含硫化氫，且有很大一部老井井內(nèi)壓力不明，對(duì)設(shè)備安全性能要求較高。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求對(duì)原有的帶壓鉆孔裝置密封法蘭進(jìn)行優(yōu)化。為提高帶壓鉆孔裝置抗硫性能，鉆孔裝置所有接觸井內(nèi)流體的部件均按照NACE MR-0175 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行材料選擇及工藝處理，以達(dá)到抗硫化氫要求。同時(shí)，對(duì)鉆孔裝置前端法蘭，取消原有焊接的連接方式，改成整體鍛件及螺紋連接相配合的方式，極大提高了法蘭密封性（圖3）。

圖3 鉆孔裝置前端法蘭連接方式圖

2.5 帶壓鉆孔密封抱箍設(shè)計(jì)

針對(duì)管柱類帶壓鉆孔密封難題，設(shè)計(jì)了與帶壓鉆孔裝置相配套的管道鉆孔密封抱箍（圖4）。密封管徑類型包括：Φ73.02 mm、Φ88.9 mm、Φ127 mm、Φ 177.8 mm、Φ244.48 mm，且可以根據(jù)管柱尺寸進(jìn)行定制。抱箍靜密封壓力為70 MPa，完成配套后帶壓鉆孔裝置不但可以對(duì)采氣（油）樹(shù)的閘閥帶壓鉆孔，還能在管柱上進(jìn)行帶壓鉆孔。

圖4 帶壓鉆孔密封抱箍圖

管柱帶壓鉆孔密封裝置采用弧面浮動(dòng)井壓助封的密封結(jié)構(gòu)，解決了管柱曲面高壓密封問(wèn)題。密封抱箍試壓連接見(jiàn)圖5，試驗(yàn)壓力為70 MPa，穩(wěn)壓30 min，無(wú)壓降，表明該密封抱箍能夠滿足70 MPa 帶壓鉆孔需要，解決了高壓氣井帶壓鉆管柱的關(guān)鍵技術(shù)難題。

圖5 密封抱箍試壓圖

3 應(yīng)用情況

該裝置自試驗(yàn)成功以來(lái)，2017—2019年期間在中國(guó)石油西南油氣田、長(zhǎng)慶油田等公司推廣應(yīng)用31井次，最高作業(yè)壓力達(dá)42.8 MPa，密封性能相比原有35 MPa 帶壓鉆孔裝置大幅提升，解決了高壓氣井帶壓鉆孔密封難題，為隱患井治理提供了安全作業(yè)條件，消除了安全隱患，確保了周邊人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全。

3.1 老井隱患治理

帶壓鉆孔裝置在老井治理方面應(yīng)用較多，應(yīng)用范圍包括川渝地區(qū)、長(zhǎng)慶地區(qū)，部分老井井口裝置嚴(yán)重變形導(dǎo)致井內(nèi)壓力無(wú)法正常泄壓，存在巨大的安全隱患。通過(guò)帶壓鉆孔裝置鉆開(kāi)井口裝置，獲取井內(nèi)壓力，并建立循環(huán)或泄壓通道，從而為后期老井的封堵創(chuàng)造條件。以中國(guó)石油西南油氣田公司X1井為例，該井一直處于關(guān)井狀態(tài)，井口裝置型號(hào)為KQ65-35，井口壓力表銹蝕嚴(yán)重，無(wú)法讀取套壓，且表層套管連接處接箍存在漏氣。井場(chǎng)緊鄰場(chǎng)鎮(zhèn)，周邊住戶、樓房密集，人員流動(dòng)頻繁復(fù)雜，存在巨大的安全隱患。通過(guò)帶壓鉆孔裝置鉆開(kāi)該井Φ273.05 mm表層套管，為后續(xù)封井作業(yè)建立了循環(huán)通道，解除了安全隱患。

3.2 生產(chǎn)井隱患治理

除用于老井治理外，帶壓鉆孔裝置已逐步向生產(chǎn)井隱患治理開(kāi)展應(yīng)用。以中國(guó)石油西南油氣田公司X2 井為例，該井完鉆井深為2 981.15 m，井內(nèi)氣體量H2S 達(dá)5 333 mg／L，壓力不明?，F(xiàn)場(chǎng)檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該井采油樹(shù)所有閘閥均已損壞無(wú)法打開(kāi)，4號(hào)閘閥連接法蘭嚴(yán)重?fù)p壞，井口存在H2S 氣體泄漏，存在巨大的安全隱患。采用70 MPa 帶壓鉆孔裝置鉆穿2號(hào)、5號(hào)套管閘閥后，形成泄壓及壓井通道，為后續(xù)試修作業(yè)創(chuàng)造了條件，鉆穿后，實(shí)測(cè)井口壓力高達(dá)42.8 MPa。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)帶壓鉆孔裝置關(guān)鍵參數(shù)及部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制出了70 MPa 帶壓鉆孔裝置，其進(jìn)給采用螺紋加壓方式，大大提高了帶壓鉆孔穩(wěn)定性、鉆孔效率及鉆頭使用壽命。

2）管柱帶壓鉆孔密封裝置采用弧面浮動(dòng)井壓助封的密封結(jié)構(gòu)，解決了管柱曲面高壓密封問(wèn)題；

3）鉆桿采用鍍鉻處理，增加小鉆桿表面光潔度，提高了鉆桿及密封件使用壽命，解決了鉆進(jìn)時(shí)高壓動(dòng)密封問(wèn)題。

4）研制的70 MPa帶壓鉆孔裝置在川渝、長(zhǎng)慶地區(qū)推廣應(yīng)用31 井次，最高作業(yè)壓力達(dá)42.8 MPa。應(yīng)用結(jié)果表明該裝置能滿足高壓氣井帶壓鉆孔需要，極大提升了國(guó)內(nèi)帶壓鉆孔技術(shù)服務(wù)能力。