爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器的研制

佘曉梅， 張 川， 唐秋林， 劉 鳴， 肖力彤， 林 勇， 吳海濤， 楊登樹(shù)， 陳 濤， 鄭 泳

(寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司廣漢鉆采設(shè)備廠)

環(huán)形防噴器主要用于鉆井、試油、完井、修井等作業(yè)過(guò)程中控制井口壓力，有效地防止井噴事故發(fā)生，實(shí)現(xiàn)安全施工。它能將全封和半封兩種功能合為一體，是油田常用的關(guān)鍵井控設(shè)備[1]。目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有環(huán)形防噴器主要有Shaffer結(jié)構(gòu)和Hydril結(jié)構(gòu)防噴器兩種，由于結(jié)構(gòu)形式的局限，導(dǎo)致封零可靠性不高，使用壽命短、維護(hù)保養(yǎng)困難，已無(wú)法完全滿足各大油氣田的使用需求。寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司廣漢鉆采設(shè)備廠于2017年6月成功研制了國(guó)內(nèi)首套爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器。

一、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器主要由殼體、頂蓋、擋泥環(huán)、爪塊總成、安全泄壓裝置、膠芯及活塞7大部分組成，如圖1所示。爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器在頂蓋合理位置上設(shè)置安全泄壓裝置，當(dāng)擋泥環(huán)密封或頂蓋密封失效時(shí)，該裝置可以卸載竄至爪塊總成處的井壓或油壓，有效避免二次傷害；活塞扶正距離達(dá)573 mm，運(yùn)行更平穩(wěn)，活塞密封扶正效果好，可有效解決油缸易拉傷、壽命短的問(wèn)題；采用球形膠芯，封零效果好，泄壓后能快速恢復(fù)通徑，滿足鉆井要求；殼體和頂蓋之間的連接采用爪塊式結(jié)構(gòu)，便于快速拆裝和更換膠芯。

圖1 爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器示意圖

1安全泄壓裝置 2頂蓋 3球形膠芯 4爪塊總成 5擋泥環(huán) 6活塞 7殼體A-開(kāi)啟腔B-關(guān)閉腔

爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器利用遠(yuǎn)控臺(tái)提供的液壓油推動(dòng)活塞，從而帶動(dòng)膠芯向上或向下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)關(guān)閉或打開(kāi)井口的功能。當(dāng)防噴器關(guān)閉時(shí)，液壓油進(jìn)入關(guān)閉腔B，推動(dòng)活塞使膠芯上行，在半球型頂蓋的限制作用下，膠芯向心收縮，擠出橡膠，實(shí)現(xiàn)密封管柱或全封功能；當(dāng)防噴器打開(kāi)時(shí)，液壓油進(jìn)入開(kāi)啟腔A，推動(dòng)活塞下行，活塞對(duì)膠芯的擠壓力消除，膠芯在自重和橡膠彈力作用下復(fù)原，實(shí)現(xiàn)全開(kāi)功能。

二、 主要技術(shù)參數(shù)

按照API Spec 16A對(duì)承壓件殼體材料的選用要求，選用30CrMo合金鋼，調(diào)質(zhì)處理硬度為197～235 HB[2]；本項(xiàng)目確定的公稱通徑為?346.1 mm，額定工作壓力為35 MPa，其主要參數(shù)：額定工作壓力34.5 MPa ；油缸工作壓力≤10.5 MPa；公稱通徑?346.1 mm；可封管柱?73 mm～?127 mm；法蘭連接型式6BX 35-35 BX160。 適用工作介質(zhì)：原油、鉆井液、天然氣。

液壓工作系統(tǒng)的正常工作壓力是10.5 MPa，極限工作壓力是21 MPa。采用API Spec6A法蘭與其它井口設(shè)備連接，關(guān)閉及打開(kāi)膠芯均采用液壓操作[3]。

三、關(guān)鍵零件有限元分析驗(yàn)證

殼體、頂蓋、活塞的材料均為優(yōu)質(zhì)合金鋼30CrMo，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，其力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 30CrMo 材料性能參數(shù)

1. 環(huán)形防噴器殼體強(qiáng)度分析

當(dāng)防噴器承受工作壓力時(shí)，殼體直接承受壓力。按照實(shí)際工作狀況，采用Solidworks及Cosmos 分析軟件對(duì)殼體進(jìn)行約束和加載，分析其變形圖及應(yīng)力最大點(diǎn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和安全性。

對(duì)殼體在靜水壓試驗(yàn)狀態(tài)下及額定工作狀態(tài)下分別做分析計(jì)算及校核。

1.1 靜水壓試驗(yàn)狀態(tài)下

對(duì)殼體模型進(jìn)行有限網(wǎng)格劃分，共劃分102 258個(gè)元素、24 904個(gè)節(jié)點(diǎn)。在試驗(yàn)狀態(tài)下，殼體主要受內(nèi)壓，方向垂直于內(nèi)腔表面，見(jiàn)圖2。

圖2 殼體模型網(wǎng)格劃分

殼體的下部鋼圈槽底部最大應(yīng)力為609.7 MPa，如圖3。按照ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅷ卷第2分冊(cè)附錄4中ASME規(guī)范應(yīng)力分類的理論，殼體受內(nèi)壓時(shí)，該處有展開(kāi)的趨勢(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。而對(duì)水壓試驗(yàn)的容器，試驗(yàn)應(yīng)力條件為σm+σw≤1.43σs；計(jì)算值σm+σw=609.7 MPa<1.43σs(739.3 MPa)。符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 殼體在靜水壓力下的應(yīng)力云圖

圖4 殼體在額定工作壓力下的應(yīng)力云圖

1.2 額定工作狀態(tài)下

殼體的下部鋼圈槽底部最大應(yīng)力為406.5 MPa，如圖4。按照ASME 鍋爐和壓力容器規(guī)范第Ⅷ卷第2分冊(cè)附錄4的規(guī)定，額定工作壓力下的強(qiáng)度條件為σm+σw≤σs；計(jì)算值σm+σw=406.5 MPa<σs(517 MPa)。符合設(shè)計(jì)要求。

2.活塞強(qiáng)度分析

對(duì)活塞采用Solidworks及Cosmos分析軟件進(jìn)行有限元分析計(jì)算及校核。分析其變形圖及應(yīng)力最大點(diǎn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和安全性。對(duì)活塞在油缸強(qiáng)度試驗(yàn)狀態(tài)下進(jìn)行分析計(jì)算及校核。

活塞打開(kāi)時(shí)，油壓作用在活塞上環(huán)面和環(huán)形臺(tái)階上端面，活塞關(guān)閉時(shí)，油壓作用在活塞下環(huán)面和環(huán)形臺(tái)階下端面。通過(guò)有限元分析，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力出現(xiàn)在活塞關(guān)閉時(shí)的密封圈槽底處，為713.8 MPa，如圖5。試驗(yàn)應(yīng)力的強(qiáng)度條件為σm+σw≤1.53σs；計(jì)算值σm+σw=713.8 MPa<1.53σs(791.0 MPa)，符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 活塞在關(guān)閉腔應(yīng)力云圖

四、研制過(guò)程中的問(wèn)題及解決方案

1. 封隔管柱試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)不能密封35 MPa井筒壓力

封隔管柱試驗(yàn)時(shí)，油缸初始關(guān)閉壓力為10.5 MPa，井筒壓力為35 MPa。試驗(yàn)中防噴器井筒壓力值開(kāi)始不斷降低，最終穩(wěn)定在31.5 MPa左右，井筒壓力值如圖6所示，不能達(dá)到額定工作壓力35 MPa。若提高油缸關(guān)閉腔壓力，則可提高密封井筒的壓力，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，只有當(dāng)油缸關(guān)閉腔壓力提升至14 MPa以上，才可有效密封35 MPa井筒壓力。

圖6 油缸工作壓力10.5 MPa時(shí)井筒壓力值曲線圖

根據(jù)API Spec 16A規(guī)定，該環(huán)形防噴器額定工作壓力值為35 MPa，推薦液缸壓力值≤10.5 MPa，因此需提出相應(yīng)解決方案。

2. 原因分析

首先對(duì)活塞進(jìn)行受力分析，由于活塞自重和膠芯反作用力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液壓作用力，即可忽略不計(jì)，試驗(yàn)中活塞受力情況如圖7所示。

爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器的初始結(jié)構(gòu)中D1=1030.5 mm，D2=770 mm，d1=600 mm，根據(jù)環(huán)形防噴器的工作原理，防噴器要實(shí)現(xiàn)關(guān)閉功能，活塞需要向上推動(dòng)膠芯，使其產(chǎn)生彈性變形才能實(shí)現(xiàn)密封。因此，當(dāng)液缸壓力為10.5 MPa時(shí)，防噴器所能密封的井壓值：

這與圖6中的穩(wěn)定井壓值31.5 MPa相吻合。

圖7 爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器活塞受力情況示意圖

為研究活塞受力情況，定義油缸壓力作用面積與井壓作用面積的比值為防噴器關(guān)閉壓力比St，由圖7可得St表達(dá)式為：

即該防噴器關(guān)閉壓力比St原=3.014。

根據(jù)以上分析，要使該爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器滿足封隔管柱試驗(yàn)，需重新計(jì)算、調(diào)整防噴器內(nèi)部部件的結(jié)構(gòu)，使其活塞能提供足夠的關(guān)閉壓力。

3. 整改措施及驗(yàn)證方案

常規(guī)球形膠芯環(huán)形防噴器的關(guān)閉壓力比St常=3.815，爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器整改后的關(guān)閉壓力比St新=3.982，即St新>St常，因此，該爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器能夠提供更加可靠的關(guān)閉壓力，同時(shí)，對(duì)整改后的活塞、殼體進(jìn)行有限分析，分析結(jié)論為符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過(guò)整改后的防噴器進(jìn)行管柱密封試驗(yàn)，液缸壓力值10.5 MPa，密封井壓值35 MPa，壓降≤3.45 MPa，滿足API 16A設(shè)計(jì)要求。

為保證新型結(jié)構(gòu)的殼體和活塞有足夠的強(qiáng)度，采用了Ansys軟件對(duì)其進(jìn)行有限元分析，對(duì)局部形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)更為合理。

4.試驗(yàn)情況及結(jié)構(gòu)比較

試驗(yàn)表明，爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器具有密封穩(wěn)定、開(kāi)關(guān)平穩(wěn)不易拉缸、使用壽命長(zhǎng)、拆裝方便等特點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有環(huán)形防噴器主要有球形膠芯環(huán)形防噴器和錐形膠芯環(huán)形防噴器兩種，經(jīng)分析對(duì)比可以得出以下結(jié)論：

(1)爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器與傳統(tǒng)球形膠芯環(huán)形防噴器相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：①卡塊式連接方式，便于拆裝和更換膠芯；②開(kāi)關(guān)所需油量小，開(kāi)關(guān)更為迅速；③防噴器開(kāi)關(guān)平穩(wěn)，活塞扶正效果好，上下運(yùn)動(dòng)時(shí)不易出現(xiàn)偏磨或拉缸現(xiàn)象。

(2)爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器與傳統(tǒng)錐形膠芯環(huán)形防噴器相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：①球形膠芯摩擦力小，儲(chǔ)膠量大，膠芯壓縮后封零效果好，且能迅速恢復(fù)通徑；②頂蓋合適位置設(shè)計(jì)有安全泄壓裝置，避免油壓或井壓竄漏時(shí)，爪盤支護(hù)螺釘飛出造成二次事故。

五、 結(jié)論

(1)爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器通過(guò)了強(qiáng)度試驗(yàn)、密封試驗(yàn)和通徑試驗(yàn)，工作性能安全可靠，滿足油氣田現(xiàn)場(chǎng)井控需求。

(2)對(duì)于環(huán)形防噴器的研制，需合理調(diào)整殼體與活塞的配合尺寸，即在滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)的前提下，使其能夠提供合理的防噴器關(guān)閉壓力比。

(3)在研制爪塊式環(huán)形防噴器時(shí)，應(yīng)在頂蓋合理位置上設(shè)置安全泄壓裝置，避免因擋泥環(huán)密封失效時(shí)井壓或油壓竄至爪塊總成處打飛爪塊螺釘造成二次事故。