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将井筒密封的主动权牢牢抓在自己手里(下)

将井筒密封的主动权牢牢抓在自己手里(下)

AFGlobal公司推出主动控制装置(ACD),能够补偿密封件的磨损,为深水钻井平台提供了更加精密有效的维护方法。

编译丨TOM

业内对井筒密封技术的根本性反思,推动深水控压钻井(MPD)系统实现了跨越式的变革。本文提出了一种主动监测与控制密封状态的方法,避免了使用维修率高的部件。而且,该方法可以获得基于状态维护(CBM)的磨损数据,并延长密封元件的使用寿命。这两者都是提高MPD系统可用性以及降低深水作业维护与运营成本的关键。

系统设计与应用

ACD作为MPD专用工具的一部分,集成于钻井立管中。在非MPD作业期间,缩回锁定爪,使立管的通径不受影响。在非MPD作业期间,ACD不需要安装防护衬套。

在MPD作业期间,密封衬套元件需连接到密封衬套组件中。运行工具会在元件处于松弛状态(钻杆工具接头穿过元件)的情况下起作用。延伸的下锁定爪为组件提供着陆台肩。一旦着陆,延伸的上锁定爪就会将密封衬套组件锁定就位。

主动、直接液压的闭环控制系统为ACD提供动力与监控。主动控制系统可独立调整每个密封元件,使闭合压力得到优化。闭环结构降低了动力液污染的风险,并能够选择最优的动力液类型。直接液压设计将所有控制阀都置于井口,并配有监控控制参数的仪表。

主动控制系统可控制井筒密封。向环形封隔器的关闭腔内注入液压动力液,关闭密封衬套上的封隔器。然后,封隔器会将密封元件向内推入,使之与钻柱接触,形成井筒密封,如下图所示。

将井筒密封的主动权牢牢抓在自己手里(下)

润滑系统将钻井泥浆从活动池注入至密封衬套元件之间的润滑腔。注入的泥浆可以润滑与冷却元件的密封面。在作业期间,润滑油压保持在井筒压力之上,这种情况称为腔室的正压差。压力可确保任何穿过下部密封件的泄漏都会进入油井,而不是流向钻井平台。传统的被动RCD系统没有该功能。

密封衬套元件由聚合物蜂窝密封嵌件组成,与聚氨酯缓冲材料共同模制。密封嵌件在钻柱旋转期间提供耐磨性,而缓冲材料用来支撑密封嵌件,并且当密封嵌件磨损后,它还可用作为辅助密封材料。

状态监测

当组件处于水下作业时,主动控制系统凭借其独有的密封状态监测功能,能够指示出井筒的密封状态。控制ACD的外部装置可以提供数据源,以量化密封的磨损状况。

密封衬套元件的嵌件与缓冲材料各自具有独特的材料特性与功能。这两种材料合在一起,需要闭合压力来形成密封。当嵌件磨损时,它对闭合压力的贡献减小,会导致闭合压力发生变化。由此产生的压力变化可表明磨损状态,并提醒井队人员不久将需要更换元件。从而可以提前安排维护计划,以优化钻机作业。

全尺寸测试

在进行首次海上应用之前,为了使ACD符合现场作业条件,AFGlobal公司专门建造了一个全尺寸的测试设施,可模拟现场条件进行测试,以降低新技术的应用风险,并减少调试设备所消耗的钻机时间。AFGlobal试验台可同时模拟出高达310转/分钟的钻柱转速,高达2英尺/秒的钻柱往复运动速度,以及高达2000psi的井筒压力。该试验台使用作业钻杆工具接头,并支持水、油与合成基钻井液。该试验台的性能远远超过了API规范16RCD条例中规定的测试要求。

2018年,ACD进行了优化测试与API 16RCD标志认定测试。优化测试包含了模拟深水钻井平台钻井作业的各种测试。

设定160转/分钟的钻柱转速与250psi的井口压力,来进行钻进模拟测试,以确定密封元件的使用寿命。该测试持续了118小时的旋转时间,其中还包括236次工具接头的通过,而且是旋转通过该系统,相当于10620英尺的Range III型钻杆。

在整个测试过程中,井筒压力都是可控的,这表明ACD实现了密封井筒的主要目标。

最后18小时的试验数据如下图所示。在前116小时,维持井筒压力与润滑油压所需的闭合压力的变化幅度很小。

将井筒密封的主动权牢牢抓在自己手里(下)

旋转116小时后,观察密封衬套的磨损指示器。此时,润滑油压降低,封隔器上下闭合压力保持不变。润滑压力的这种突然变化表明密封衬套嵌件已经磨损,只有缓冲材料在起作用。

为了响应磨损提示,在接下来的2小时旋转期间,封隔器上部闭合压力显著增加了20%,并重新建立了润滑油压。这证明了ACD独特的密封能力,即使是在元件磨损时亦是如此。

测试后对密封衬套组件进行了检查。正如所料,检查发现上部密封嵌件磨损,而下部密封嵌件完好无损。下部密封衬套测量值表明,密封嵌件大约残留有50%的壁厚。当下部密封衬套的聚合物嵌件完整时,该系统可保持井筒压力不变,闭合压力不变,如下图所示。

将井筒密封的主动权牢牢抓在自己手里(下)

该发现给实际作业带来的优势在于,钻机可以通过润滑油压的降低或闭合压力的增加,来监测上部密封衬套聚合物嵌件。当监测到上部密封衬套嵌件发生磨损后,钻机能够在保持压力的情况下继续工作一段时间,直到下部密封元件需要更换为止。

提高深水控压钻井技术

ACD新技术通过主动监测与控制井筒的密封状态,来补偿密封元件的磨损。该功能为深水钻井平台提供了更加复杂、有效的维护手段。大量的全尺寸测试与API标志认证表明,ACD在延长密封元件寿命方面取得了重大进展,使CBM能够提高MPD系统的可用性,并降低深水作业的维护与运营成本。在这些富有挑战性的钻井环境中,主动式MPD井筒密封监测与控制技术提高了钻井平台的经济性、作业能力以及安全性。

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