F18-21整體式防噴器組的研制

張　川　宋振華　鄭　泳　劉　鳴　唐秋林　袁　影（中國(guó)石油寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司廣漢鉆采設(shè)備廠(chǎng)，四川廣漢　618300）

F18-21整體式防噴器組的研制

張川宋振華鄭泳劉鳴唐秋林袁影
（中國(guó)石油寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司廣漢鉆采設(shè)備廠(chǎng)，四川廣漢618300）

隨著鉆井、修井工藝對(duì)防噴器組總體高度、體積大小的要求越來(lái)越苛刻，為了更好地滿(mǎn)足特殊鉆井的需求，研制了F18-21整體式防噴器組。通過(guò)有限元分析，一次鑄鋼成型的防噴器殼體滿(mǎn)足《井口裝置和采油樹(shù)設(shè)備規(guī)范》；通過(guò)各項(xiàng)性能試驗(yàn)，其殼體強(qiáng)度、液控油缸強(qiáng)度、環(huán)形膠芯密封性能、閘板膠芯密封性能、主通徑都可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需要?，F(xiàn)場(chǎng)裝配結(jié)果表明，該整體式防噴器組較常規(guī)防噴器組總體高度降低500 mm、總重量減輕600 kg、密封泄漏點(diǎn)減少2處，具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、省時(shí)省力的特點(diǎn)。

防噴器；整體式；鉆修井

隨著深井、超深井、高壓油氣井的增加及平衡鉆井工藝的廣泛采用，特別是在發(fā)現(xiàn)、解放、保護(hù)油氣層的欠平衡鉆井中，井控設(shè)備作為及時(shí)發(fā)現(xiàn)和控制溢流，防止井噴，避免油氣資源浪費(fèi)的關(guān)鍵設(shè)備，受到越來(lái)越高的重視和廣泛應(yīng)用［1］。常規(guī)防噴器組由環(huán)形防噴器、閘板防噴器、占位四通三大元件組成，其中環(huán)形防噴器、閘板防噴器應(yīng)具備有效封閉井口裝置、防止鉆井時(shí)井噴以及處理其他復(fù)雜情況等功能，特別適用于密封各種形狀和不同尺寸的管柱，也可全封閉井口；占位四通是構(gòu)成防噴器組合的重要元件，通過(guò)占位四通的側(cè)口可安裝節(jié)流管匯、壓井管匯，也可進(jìn)行壓井、節(jié)流循環(huán)、擠注水泥及釋放井內(nèi)壓力［2］。三大元件的簡(jiǎn)單疊加構(gòu)成了常規(guī)防噴器組，具有體積大、重量大、高度高、生產(chǎn)成本高、密封泄漏點(diǎn)多、鉆井安裝前后費(fèi)時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)。

隨著鉆井工藝對(duì)井控設(shè)備的要求越來(lái)越高，鉆井、修井工藝對(duì)防噴器組總體高度、體積大小的要求也越來(lái)越苛刻。為了更好地滿(mǎn)足特殊鉆井的需求，2013年7月7日，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司廣漢鉆采設(shè)備廠(chǎng)試制了國(guó)內(nèi)首套適合車(chē)載鉆井、修井使用的F18-21整體式防噴器組（通徑為?179.4 mm、壓力級(jí)別為20.7 MPa）。

1　整體式防噴器組的結(jié)構(gòu)及工作原理

F18-21整體式防噴器組的結(jié)構(gòu)主要由頂蓋、膠芯、擋泥環(huán)、大活塞、防噴器殼體、液缸、缸蓋、鎖緊軸、手動(dòng)控制總成、活塞桿、小活塞、側(cè)門(mén)、閘板總成、鉸鏈總成組成；液壓系統(tǒng)的工作壓力是10.5 MPa，最大液壓操作極限是20.7 MPa；采用API Spec 6A法蘭（上、下均為栽絲結(jié)構(gòu)）與其他井口設(shè)備連接，關(guān)閉及打開(kāi)膠芯（環(huán)形膠芯及閘板）均采用液壓操作［3］。

F18-21可利用液壓來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉膠芯。當(dāng)大活塞在液缸關(guān)閉腔的油壓推動(dòng)下向上運(yùn)動(dòng)并推擠膠芯，膠芯向上向中心收縮，膠芯間的硫化橡膠被擠向井口中心，最終實(shí)現(xiàn)了管柱密封或井口全封閉；當(dāng)大活塞在油壓推動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，膠芯依靠自身彈力復(fù)位并且處于自由狀態(tài)，井口完全打開(kāi)，等同于環(huán)形防噴器的作用。

F18-21可利用液壓來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉閘板總成。當(dāng)液壓油進(jìn)入液缸的關(guān)閉腔，推動(dòng)小活塞，帶動(dòng)活塞桿，進(jìn)而帶動(dòng)閘板總成向井口中心運(yùn)動(dòng)，直至井口關(guān)閉（井口內(nèi)無(wú)鉆柱，閘板腔室裝配全封閘板）或抱住鉆柱（井口內(nèi)有鉆柱，閘板腔室裝配半封閘板），然后旋轉(zhuǎn)手動(dòng)控制總成推動(dòng)鎖緊軸向井口中心運(yùn)動(dòng)直至鎖緊軸貼合活塞桿，最終實(shí)現(xiàn)關(guān)井。反之，旋轉(zhuǎn)手動(dòng)控制總成帶動(dòng)鎖緊軸遠(yuǎn)離活塞桿至完全歸位，此時(shí)液壓油進(jìn)入液缸的開(kāi)啟腔，推動(dòng)小活塞，帶動(dòng)活塞桿，進(jìn)而帶動(dòng)閘板總成遠(yuǎn)離井口中心至完全歸位，最終實(shí)現(xiàn)開(kāi)井，等同于閘板防噴器的作用。

F18-21還可在高壓油氣井鉆井過(guò)程中使用，側(cè)口連接相應(yīng)的閥門(mén)和管線(xiàn)進(jìn)行防噴和節(jié)流壓井等作業(yè)，同時(shí)也可以起到連接井口的作用，該特征等同于占位四通。

2　整體式防噴器組的特點(diǎn)

（1） 整體式防噴器組的鑄件殼體采用一次鑄鋼成型，整體性好、強(qiáng)度高、設(shè)計(jì)自由度大、鑄鋼壓板節(jié)點(diǎn)適用性良好。

（2）鑄件殼體粗加工后，進(jìn)行超聲波探傷檢測(cè)合格；然后采用數(shù)控機(jī)床等高精度加工設(shè)備，保證零部件密封表面和配合表面的表面粗糙度和尺寸精度，從而保證防噴器裝配后的整體密封性能。

（3）整體式防噴器組采用單獨(dú)本體，較常規(guī)防噴器組的密封泄漏點(diǎn)減少了2處，而且在安裝過(guò)程中只需一次性安裝，減少作業(yè)程序，節(jié)約鉆修井作業(yè)時(shí)間［4］。

（4）F18-21殼體設(shè)計(jì)高度為1 180 mm，較常規(guī)防噴器組的總體高度至少降低了500 mm，大大降低了安裝高度，更好地滿(mǎn)足了鉆修井的工藝要求。

（5）F18-21殼體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，較常規(guī)防噴器組的本體總重量至少減少了600 kg，材料成本和生產(chǎn)成本大大降低。

3　殼體結(jié)構(gòu)的有限元分析

采用Solidworks建模軟件及Cosmos分析軟件對(duì)整體式防噴器組的殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析計(jì)算及校核。整體式防噴器殼體的三維模型見(jiàn)圖1。

圖1　整體式防噴器殼體的三維模型

殼體材料采用優(yōu)質(zhì)合金鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理（硬度207～237 HB）后其力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　殼體材料性能參數(shù)

對(duì)殼體在靜水壓力和額定工作壓力兩種狀態(tài)下進(jìn)行分析計(jì)算及校核。在靜水壓力41.5 MPa狀態(tài)下：殼體的鉆井四通兩側(cè)口處最大應(yīng)力為134.9 MPa，見(jiàn)圖2。根據(jù)ASME規(guī)范應(yīng)力分類(lèi)的理論可知，閥體受內(nèi)壓時(shí)，最大應(yīng)力處有展開(kāi)趨勢(shì)，其最大應(yīng)力點(diǎn)的等效應(yīng)力是由一次薄膜應(yīng)力σm和一次彎曲應(yīng)力σw疊加而成，即σm+σw=134.9 MPa。靜水壓力下的強(qiáng)度條件為σm+σw≤1.35σs（σs為屈服強(qiáng)度，1.35σs=558.9 MPa），符合API規(guī)范［5-7］。

在額定工作壓力21 MPa狀態(tài)下：殼體的鉆井四通兩端面外圓處最大應(yīng)力為119.4 MPa，見(jiàn)圖3。額定工作壓力下的強(qiáng)度條件為σm+σw≤σs，σs=517 MPa，符合API規(guī)范［5-7］。

4　性能試驗(yàn)

為了使研制的F18-21整體式防噴器組滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)鉆井、修井的使用需要，對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度性能試驗(yàn)、密封性能試驗(yàn)及通徑試驗(yàn)。

圖2　殼體在41.5 MPa靜水壓力下的應(yīng)力云圖

圖3　殼體在21 MPa額定工作壓力下的應(yīng)力云圖

（1）強(qiáng)度性能試驗(yàn)。為確保防噴器殼體及液控油缸在工作過(guò)程中不出現(xiàn)損壞、爆裂等事故，故殼體強(qiáng)度試驗(yàn)的壓力值為防噴器額定工作壓力的2倍，即41.5 MPa；液控油缸強(qiáng)度試驗(yàn)的壓力值為油缸額定工作壓力的2倍，即21 MPa［3］。試驗(yàn)過(guò)程中，側(cè)門(mén)與殼體間密封無(wú)泄漏、液控油缸總成無(wú)泄漏；試驗(yàn)完成后，檢測(cè)結(jié)果顯示殼體與液控油缸均無(wú)裂紋、損傷現(xiàn)象，說(shuō)明其強(qiáng)度滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需要。

（2）密封性能試驗(yàn)。為確保防噴器在工作過(guò)程中密封性能可靠、關(guān)鍵部位不出現(xiàn)泄漏，故密封性能需要按照規(guī)范［3］進(jìn)行低壓試驗(yàn)與高壓試驗(yàn)，環(huán)形膠芯封零試驗(yàn)的壓力值分別為2 MPa與10.5 MPa；環(huán)形膠芯內(nèi)徑?73.0 mm管柱的密封試驗(yàn)壓力值分別為2 MPa與21 MPa；閘板膠芯?88.9 mm管柱的密封試驗(yàn)壓力值分別為2 MPa與21 MPa。試驗(yàn)過(guò)程中，環(huán)形膠芯密封無(wú)泄漏、閘板膠芯密封無(wú)泄漏、側(cè)門(mén)與殼體間密封無(wú)泄漏、液缸總成密封無(wú)泄漏；試驗(yàn)完成后，檢測(cè)結(jié)果顯示殼體、環(huán)形膠芯及閘板膠芯均無(wú)裂紋、損傷現(xiàn)象，說(shuō)明其密封性能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需要。

（3）通徑試驗(yàn)。為了確保防噴器在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)不出現(xiàn)卡鉆等安全事故，故通徑試驗(yàn)務(wù)必在防噴器環(huán)形膠芯處于自由狀態(tài)、閘板處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果顯示鉆具能順利通過(guò)防噴器的主通徑。

5　結(jié)論

（1）F18-21整體式防噴器組比常規(guī)防噴器組總高度降低500 mm、總重量減輕600 kg，具有結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省安裝時(shí)間、降低生產(chǎn)成本的優(yōu)點(diǎn)。

（2）整體式防噴器組滿(mǎn)足車(chē)載鉆井、修井的現(xiàn)場(chǎng)需求，通過(guò)了強(qiáng)度試驗(yàn)、密封試驗(yàn)與通徑試驗(yàn)，工作性能安全可靠。

（3）國(guó)內(nèi)整體式防噴器組的研究還需進(jìn)一步完善，研究承壓35 MPa以上的殼體鑄造工藝，以彌補(bǔ)高壓作業(yè)下鑄件殼體可能出現(xiàn)裂紋、缺陷的問(wèn)題。

［1］鄭泳，肖力彤，崔凱，等.Cameron式2FZ35-35型雙閘板防噴器研制［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（10）：80-82.

［2］蘇尚文，許宏奇.我國(guó)防噴器技術(shù)進(jìn)展及發(fā)展方向［J］.石油機(jī)械，2001，29（S0）：101-103，107.

［3］API Spec 16A-2004，鉆通設(shè)備規(guī)范［S］.

［4］王志遠(yuǎn)，趙勝英，趙利，等.防噴器領(lǐng)域的最新進(jìn)展［J］.石油機(jī)械，2005，33（3）：71-72.

［5］ASME BPVC Ⅷ-2010, ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范［S］.

［6］任克忍，盧韻皎，張永澤，等.雙閘板防噴器主殼體的有限元強(qiáng)度分析［J］ .石油礦場(chǎng)機(jī)械，2005，34（1）：50-53.

［7］API Spec 6A-2010，井口裝置和采油樹(shù)設(shè)備規(guī)范［S］.

（修改稿收到日期 2015-02-09）

〔編輯李春燕〕

西南油氣田平落壩氣田產(chǎn)氣逾55億m3

截至2015年3月11日，西南油氣田公司平落壩氣田累計(jì)生產(chǎn)天然氣55.6億 m3，有效緩解了川西氣區(qū)日益凸顯的天然氣供需矛盾，為川西地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)。

平落壩氣田于1991年10月投產(chǎn)，目前共有28口生產(chǎn)井，月產(chǎn)天然氣1000萬(wàn)m3，所產(chǎn)天然氣進(jìn)入平邛線(xiàn)，為邛崍、崇州、大邑等縣市提供民用和商用CNG（壓縮天然氣）。 西南油氣田公司為解決開(kāi)發(fā)生產(chǎn)中的突出問(wèn)題，確保氣井穩(wěn)定生產(chǎn)，持續(xù)開(kāi)展整體治水和實(shí)施車(chē)載式增壓機(jī)氣舉、泡沫排水采氣等工藝措施挖潛，優(yōu)化排水工藝和調(diào)整地面系統(tǒng)，提高低滲區(qū)采氣效率，全力控制遞減。同時(shí)，嚴(yán)格按照安全生產(chǎn)相關(guān)管理制度和要求，全力做好安全環(huán)保工作，確保氣田各井站及輸氣管線(xiàn)安全平穩(wěn)運(yùn)行。

(供稿孫雷)

Development of F18-21 integral blowout preventer stack

ZHANG Chuan, SONG Zhenhua, ZHENG Yong, LIU Ming, TANG Qiulin, YUAN Ying
（Guanghan Drilling Equipment Factory, CNPC Baoji Petroleum Machinery Co. Ltd., Guanghan 618300, China）

In order to meet the increasingly demanding requirements for the total height and volume of blowout preventer (BOP) stack from drilling and workover technologies, particularly the special drilling requirement, the F18-21 integral BOP stack has been developed. Finite element analysis shows that the BOP shell of one-step cast meets the Equipment Specifications for Wellhead Apparatus and Christmas Tree. Various functional tests show that its shell strength, hydraulic-controlled cylinder strength, sealing property of annular rubber core, sealing property of valve plate rubber core and main path diameter all meet field application requirements. The field assemblage result shows that, compared with the conventional BOP stack, this integral BOP stack is about 500 mm shorter at height, 600 kg light at weight, and 2 places less in sealing leaking points. It is characterized by compact configuration, reliable functions and time-saving and power-saving.

blowout preventer; integral; drilling and workover

TE931.1

B

1000 – 7393（ 2015 ） 02 – 0124 – 03

10.13639/j.odpt.2015.02.033

張川，1971年生。西南石油大學(xué)機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)在讀博士，現(xiàn)從事石油鉆采設(shè)備的科研與管理工作，高級(jí)工程師。電話(huà)：0838-6099089。E-mall：zhangchuang166@sina.com。

引用格式：張川，宋振華，鄭泳，等.F18-21整體式防噴器組的研制［J］. 石油鉆采工藝，2015，37（2）：124-126.