旋塞與頂驅(qū)考克分析研究

張亮

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院欠平衡鉆井技術(shù)研究所，黑龍江大慶163413）

1 概述

方鉆桿旋塞是鉆柱循環(huán)系統(tǒng)中的手動(dòng)控制閥，起到切斷鉆柱內(nèi)部通道，實(shí)現(xiàn)高壓（35/70/105MPa）密封防止井涌或井噴發(fā)生的作用。方鉆桿旋塞閥分為方鉆桿上旋塞閥和方鉆桿下旋塞閥。方鉆桿上旋塞閥為左旋連接;方鉆桿下旋塞閥為右旋連接。方鉆桿上旋塞閥接于水龍頭下端與方鉆桿上端之間。方鉆桿下旋塞閥接于方鉆桿下端與鉆桿保護(hù)接頭的上端之間[1]。頂驅(qū)考克是頂驅(qū)主機(jī)循環(huán)系統(tǒng)中的手動(dòng)和自動(dòng)控制閥，其壓力等級(jí)和基本作用與方鉆桿旋塞一致。頂驅(qū)考克分為上、下考克，上下考克連接在一起，置于頂驅(qū)主軸和頂驅(qū)保護(hù)接頭之間。

2 方鉆桿旋塞結(jié)構(gòu)特點(diǎn)介紹

通過(guò)調(diào)研，國(guó)內(nèi)絕大部分方鉆桿旋塞采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)。主要由閥本體、上下閥座、旋鈕、閥球、擋圈、彈簧等組成，旋塞閥本體采用整體式結(jié)構(gòu)，側(cè)面開(kāi)有旋鈕孔。該結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn)[2]：

圖1 方鉆桿旋塞典型結(jié)構(gòu)

（1）核心機(jī)構(gòu)采用常規(guī)球閥式結(jié)構(gòu)，旋鈕與球采用鑲嵌式拼盤(pán)鍵連接結(jié)構(gòu)；

（2）球閥與閥座之間采用金屬密封，通過(guò)配合研磨實(shí)現(xiàn)球面嚙合；

（3）內(nèi)球座安裝波形彈簧，實(shí)現(xiàn)彈簧預(yù)緊力輔助密封；

（4）可以實(shí)現(xiàn)最大0.5MPa背壓下手動(dòng)的帶壓打開(kāi)，最大2MPa背壓下遙控打開(kāi)。井涌或有排量時(shí)可以正常關(guān)閉。

由于旋塞閥工作環(huán)境特殊，還要求旋塞閥體具有以下特點(diǎn)：

（1）由于球與閥座之間采用金屬對(duì)金屬的密封，從頂部來(lái)的壓力在下閥座與浮球之間形成密封，從井下來(lái)的壓力在上閥座與浮球之間以及下閥座與浮球之間形成密封，利用多重密封保證密封的可靠性。

（2）可在閥上部增加壓力，自動(dòng)平衡較高的油氣井壓力，使閥能在額定工作壓力下順利打開(kāi)。

（3）為了防止轉(zhuǎn)動(dòng)手柄時(shí)使浮球轉(zhuǎn)過(guò)了90°，該閥需設(shè)置手柄正向旋轉(zhuǎn)停止點(diǎn)，才能保證閥在關(guān)閉時(shí)能完全關(guān)閉，開(kāi)啟時(shí)能完全打開(kāi)，使閥有一個(gè)平滑順暢的流道。

（4）方鉆桿旋塞的通孔應(yīng)盡量和方鉆桿水眼相同，旋塞的工作壓力必須大于防噴器的工作壓力。

（5）方鉆桿旋塞需要專(zhuān)用的扳手來(lái)操作，此扳手應(yīng)保存在容易取放的地方，以保證在發(fā)生突發(fā)事件時(shí)能夠快速地關(guān)閉旋塞，保證工作的安全。

3 頂驅(qū)考克結(jié)構(gòu)特點(diǎn)介紹

頂驅(qū)考克是頂驅(qū)主循環(huán)承載系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)部件。頂驅(qū)考克可實(shí)現(xiàn)鉆具內(nèi)快速（司鉆操作旋鈕后1～2s內(nèi)完成）截止防噴，鉗工手動(dòng)截止防噴、接單跟防濺等功能。圖2是頂驅(qū)主循環(huán)承載系統(tǒng)的三維模型[3]。

圖2 頂驅(qū)考克在頂驅(qū)主循環(huán)承載系統(tǒng)的位置關(guān)系圖

圖2中：

（1）主軸——是頂驅(qū)向下傳遞鉆井扭矩的核心部件；

（2）防松法蘭——是使用頂驅(qū)卸扣時(shí)，防止頂驅(qū)內(nèi)部螺紋松扣的輔助裝置；

（3）分體式上考克、下考克——上下考克完全一致，采用雙旋鈕機(jī)構(gòu)；

（4）一體式上考克、下考克——雙球四旋鈕，對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu)，可顛倒使用；

（5）遙控機(jī)構(gòu)——液壓機(jī)械動(dòng)力代替人力使旋鈕旋轉(zhuǎn)90°；

（6）保護(hù)接頭——直接與下部鉆桿母扣連接；

（7）背鉗、背梁——實(shí)現(xiàn)對(duì)下部鉆桿母扣的上卸扣，功能類(lèi)似于液壓大鉗。

4 頂驅(qū)考克與方鉆桿旋塞區(qū)別

頂驅(qū)考克與方鉆桿旋塞工作性能一致，壽命通常為連續(xù)使用半年以上。頂驅(qū)考克與方鉆桿旋塞比較有以下區(qū)別：

（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)區(qū)別：

①頂驅(qū)考克為了實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和遙控雙驅(qū)動(dòng)功能，其旋鈕單元為雙向驅(qū)動(dòng)。而方鉆桿旋塞為單旋鈕，二者旋鈕單元零件的機(jī)械結(jié)構(gòu)不同。

②頂驅(qū)考克與考克之間需安裝防松法蘭，防松法蘭安裝條件為考克的外徑尺寸公差在0～0.1mm以?xún)?nèi)，同軸精度達(dá)到0.05mm以?xún)?nèi)。而方鉆桿旋塞不涉及到安裝防松法蘭的問(wèn)題，因此對(duì)外徑尺寸無(wú)特殊要求。

（2）工作便捷性區(qū)別：

①頂驅(qū)遙控考克完全由司鉆控制，司鉆操作旋鈕后，1～2s內(nèi)即可完成關(guān)閉或打開(kāi)操作1次。鉆井隊(duì)通常使用遙控考克進(jìn)行接單跟防濺，操作便捷，省時(shí)省力。

②頂驅(qū)考克拆卸操作復(fù)雜，需要依次卸開(kāi)背梁銷(xiāo)軸、背鉗銷(xiāo)軸、使背鉗向后傾斜、拆防松法蘭A、使用B型鉗卸保護(hù)接頭、拆防松法蘭B、使用B型鉗卸下考克、拆遙控機(jī)構(gòu)、拆防松法蘭C、使用B型鉗卸上考克。完成上述操作通常需要1h以上。因此頂驅(qū)考克需要頂驅(qū)驅(qū)檢修維護(hù)，提前發(fā)現(xiàn)故障，盡量在非生產(chǎn)時(shí)間進(jìn)行更換。

5 總結(jié)

（1）頂驅(qū)考克為手動(dòng)、遙控雙驅(qū)雙向驅(qū)動(dòng)，而方鉆桿旋塞為單向。

（2）頂驅(qū)考克對(duì)外徑尺寸有著嚴(yán)格要求，而方鉆桿旋塞沒(méi)有特殊要求。

（3）在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，司鉆可單獨(dú)操作遙控考克進(jìn)行鉆進(jìn)工作，方便快捷，但頂驅(qū)考克安裝拆卸過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，需要定期保養(yǎng)維修。方鉆桿旋塞需人工操作但拆卸更換保養(yǎng)較為容易。

[1]聶海濱，于興盛，岳蘇，羅西超.旋塞閥密封失效機(jī)理分析與改進(jìn)[J].北京石油機(jī)械廠，2010，39（4）:53-56.

[2]朱衛(wèi)新，羅勇，陳彬，唐一元等.方鉆桿旋塞閥工藝改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009,38（3）:85-87.

[3]北京石油機(jī)械廠.頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置操作手冊(cè)[Z].2005:7-36.