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将井筒密封的主动权牢牢抓在自己手里(上)

将井筒密封的主动权牢牢抓在自己手里(上)

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。

主动的状态监测与控制

AFGlobal公司的主动控制装置(ACD)是业内首个主动的、非旋转的MPD井筒密封技术。ACD利用外部控制的密封元件,解决了使用旋转防喷器(RCD)技术所带来的作业与维护挑战。ACD密封元件不是被动的、内部驱动的密封元件,而是通过液压控制,以主动补偿不断变化的密封状态。当井口压力很高时,该功能可确保作业(例如接立柱)期间井筒密封的完整性,同时当井筒压力较低时,在连续钻进期间可延长密封元件的使用寿命。

对于成本高昂的深水作业来说,ACD密封状态监测具有重要意义。利用该技术,可实施积极主动的MPD维护策略。如果没有密封状态的指示,钻井平台可能会更频繁地更换密封装置,从而造成额外的成本并浪费了钻井时间。主动监测与控制技术可为现场检测和识别密封元件的状态,提供设备与参数,消除了密封元件状态的不确定性。利用密封状态监测技术,可实现更复杂的维护策略,例如基于状态的维护(CBM),使钻机仅在必要时才更换元件,从而提高钻机效率,降低意外故障的风险。

RCD遭遇的深水挑战

寻根溯源,传统RCD技术脱胎于陆上应用。也许是因为水土不服,RCD应用于深水平台时,却伴随着诸多挑战:作业不确定性、钻机时效与维护成本。若要克服这些固有的挑战,就需要对MPD井筒密封系统进行大刀阔斧的改革。

常用RCD的成形密封元件附接在轴承组件上,其密封效果取决于元件的形状与材料性能。当钻杆穿过元件时,密封元件内径上的材料会被磨损。工具接头的通过则会拉伸密封元件,加快了磨损速度。管柱上的尖锐边缘也会切断密封元件,导致其分裂、失效。逐渐地,就会形成漏失通道,导致密封失效。

RCD密封元件附接于随管柱旋转的轴承组件上,可减少钻杆运动带来的影响。轴承组件必须具有较低的启动扭矩与摩擦系数,以便密封元件能与管柱一起旋转。为此,需要定期进行轴承维护,需要专业的维修专家来检查、维修轴承组件,增加了RCD的作业成本。

在深水作业中,较大直径的管柱需要选配较大直径的轴承组件。轴承越大,其寄生扭矩与旋转密封半径就越大。更高的启动扭矩会增加密封元件无法跟随管柱旋转的可能性,从而会导致过早失效。更大的旋转密封半径会增加表面速度,从而增加磨损率。旋转密封失效可能会增加故障风险。

由于密封元件的结构过于简单性,没有办法监测其状态,也没有参数可以调整,来提高密封质量。因此,密封剩余寿命的不确定性就成了问题。密封元件可能在没有警告的情况下发生故障。由于无法进行干预,钻机必须停止钻井作业,更换密封元件。

为预防意外故障,需要在任何方便的时候,通过更换密封组件对RCD进行预防性维护。这种方法可以防止一些(但不是全部)意外的密封失效。

此外,在非MPD作业期间,许多RCD需要下入保护性抗磨衬套,以防止损坏RCD壳体的内部密封面。然而,这种做法消耗了额外的钻机时间,降低了立管的可用内径。

深水密封解决方案

ACD解决了深水被动RCD的固有缺陷。它采用双重非旋转的API 16RCD密封衬套元件,每个元件都由API 16A环形封隔器组件进行外部驱动。该设备无需使用轴承组件,大幅降低了运行成本,如下图所示。

将井筒密封的主动权牢牢抓在自己手里(上)

作业中,通过调节环形封隔器的闭合压力,来控制ACD密封衬套元件。可精确控制的变量包括:封隔器闭合压力与润滑油压。基于钻井参数,主动控制系统可施加最优闭合压力。当密封材料磨损时,主动控制系统可维持规定的闭合压力,确保密封件全寿命期间的井眼密封。

何时应该改变上述变量,这就需要明确的变化指示。状态监测系统可向控制系统提供数据。在井筒压力损失之前,当密封衬套组件需要更换时,状态监测系统会发出警报。

只有在必要的时候,该系统才会提醒井队人员进行维护,这种基于密封状态的维护可减少不必要的人为干预,延长钻进时间。全面的严格测试表明,ACD密封元件的使用寿命比传统RCD元件延长了近40%。

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