閘板防噴器增力缸式楔塊液壓鎖緊機(jī)構(gòu)的研制

廖偉恒 李子良 范俊 張軍鋒

【摘? 要】國內(nèi)使用的楔塊式液壓鎖緊閘板防噴器經(jīng)常出現(xiàn)不能解鎖的情況。為此，論文研制了增力缸式楔塊液壓鎖緊機(jī)構(gòu)，成功解決了這一問題，從而確保了井控安全，減輕了井隊現(xiàn)場操作工人的勞動強(qiáng)度，提高了井場作業(yè)的工作效率。

【Abstract】The wedge-type hydraulic locking ram-type blowout preventer used in China is often unable to be unlocked. For this reason， the paper develops a wedge-type hydraulic locking device with booster cylinder， which successfully solved this problem， thus ensuring the safety of well control， reducing the labor intensity of on-site operators in the drilling team， and improving the work efficiency of the well site operation.

【關(guān)鍵詞】增力缸;楔塊;液壓鎖緊機(jī)構(gòu);防噴器

【Keywords】booster cylinder; wedge; hydraulic locking device; blowout preventer

【中圖分類號】TE921? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）03-0164-02

1 引言

閘板防噴器是井控裝置的關(guān)鍵部件，主要用于鉆井、修井、試油等過程中控制井口壓力，有效防止井噴事故發(fā)生，實現(xiàn)安全施工[1]。閘板防噴器的鎖緊形式分為手動鎖緊和液壓鎖緊兩種。由于液壓鎖緊閘板防噴器的自動化程度高、工作可靠[2]，近年來被油田用戶廣泛使用，特別是海洋水面和水下鉆井均采用液壓鎖緊閘板防噴器。國內(nèi)油田使用的液壓鎖緊閘板防噴器多為楔塊式，在使用過程中，經(jīng)常需要長時間關(guān)閉防噴器閘板總成，閘板總成的前密封橡膠件就會因防噴器長時間關(guān)閉，將其壓縮后的反作用力通過防噴器閘板軸的斜面反作用在楔形活塞的斜面上，井壓越高，井壓對閘板總成的作用力越大，使得兩斜面間的正壓力越大，兩斜面相對運動時摩擦力也越大，最終可能會出現(xiàn)楔形活塞難以解鎖，閘板總成無法打開的情況。為解決此類問題，滿足現(xiàn)場使用要求，保障井控安全，經(jīng)過多次研究探索，研制了增力缸式楔塊液壓鎖緊機(jī)構(gòu)。

2 閘板防噴器楔塊式液壓鎖緊機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀

美國CAMERON公司是全世界最知名的防噴器制造商，該公司的液壓鎖緊閘板防噴器采用楔塊式結(jié)構(gòu)，利用斜面自鎖完成防噴器的鎖緊。鎖緊機(jī)構(gòu)主要由楔形活塞、鎖緊液缸、閘板軸、鎖緊活塞等零件組成，其缺點為解鎖需要單獨油路，控制系統(tǒng)需要增加一條管線才能滿足使用要求。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)楔塊式液壓鎖緊閘板防噴器大都仿照美國CAMERON公司的斜面鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行研制，并在其基礎(chǔ)上增加了順序閥，使防噴器解鎖和閘板打開為同一油路，但在閘板長期關(guān)閉后，仍經(jīng)常出現(xiàn)不能解鎖的情況。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在分析研究國內(nèi)外閘板防噴器楔塊式液壓鎖緊機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點后，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新。改進(jìn)后的楔塊式液壓鎖緊機(jī)構(gòu)主要由解鎖增力缸、增力缸活塞、增力缸缸蓋、楔形活塞、鎖緊液缸、鎖緊活塞、解鎖缸蓋、鎖緊缸蓋、順序閥組成（見圖1）。由于解鎖增力缸的設(shè)置，大大降低了解鎖壓力和手動解鎖的可靠性，提高了防噴器的可靠性。

1解鎖缸蓋;2解鎖增力缸;3增力缸活塞;

4增力缸缸蓋;5楔形活塞;6鎖緊液缸;

7鎖緊活塞;8鎖緊缸蓋;9順序閥

3.2 工作原理

①關(guān)閉閘板并鎖緊，鎖緊位置如圖2a所示。液控系統(tǒng)高壓油進(jìn)入左右油缸閘板關(guān)閉腔時，推動活塞帶動左右閘板總成沿殼體閘板腔分別向井口中心移動，實現(xiàn)封井。同時，高壓油進(jìn)入左右鎖緊液缸鎖緊腔，推動楔形活塞，使楔形活塞的楔面與閘板軸端的楔面靠緊，實現(xiàn)自動鎖緊閘板，這時可卸掉來自液控系統(tǒng)的高壓油。

②解鎖并打開閘板，解鎖位置如圖2b所示。液控系統(tǒng)高壓油首先進(jìn)入左右鎖緊液缸的解鎖腔及解鎖增力缸，推動楔形活塞，使楔形活塞的楔面與閘板軸端的楔面脫開，當(dāng)將要到達(dá)完全解鎖位置時，楔形活塞開始壓縮設(shè)置于解鎖位置的單向閥的閥桿，直到完全壓縮并完全打開單向閥（亦即楔形活塞到達(dá)完全解鎖位置），使高壓油進(jìn)入油缸的閘板開啟腔，推動活塞帶動左右閘板總成向離開井口中心方向運動，打開井口。

a.鎖緊位置? ? ? ? ? ? ? ? ?b.解鎖位置

1解鎖缸蓋;2解鎖增力缸;3增力缸缸蓋;4楔形活塞;

5鎖緊液缸;6鎖緊缸蓋;7順序閥;8鎖緊活塞;

9閘板軸;10增力缸活塞

4 改進(jìn)創(chuàng)新

增力液缸通過增力缸蓋與鎖緊液缸解鎖端串聯(lián)，增力液缸直徑與鎖緊液缸解鎖端直徑相同，在相同的解鎖液控壓力下，解鎖力提高一倍。同時，在增力活塞運動過程中，可對楔形活塞產(chǎn)生沖擊力，降低解鎖難度。

5 工廠試驗

為了進(jìn)一步驗證帶增力缸的楔塊式液壓鎖緊機(jī)構(gòu)的可靠性，河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司按照API SPEC 16A—2017 Specification for Drill-through Equipment規(guī)范中4.7.3.3的要求[3]，對FZ35-70帶增力缸楔塊式液壓鎖緊閘板防噴器進(jìn)行了疲勞試驗。每開關(guān)7次進(jìn)行1次壓力試驗，包括低壓1.4～2.1MPa和高壓70MPa試驗[4]。共完成546次開關(guān)和78個壓力循環(huán)，在每第7次壓力循環(huán)后，卸掉液壓進(jìn)行鎖緊密封試驗。

試驗過程中防噴器鎖緊和解鎖靈活，解鎖液控壓力為5～6MPa。試驗結(jié)束后對液壓鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行拆解，各零件均完好。

6 現(xiàn)場應(yīng)用

從2018年開始，已有50余臺帶增壓缸楔塊式液壓鎖緊閘板防噴器發(fā)往現(xiàn)場使用，分別經(jīng)受了海洋水面環(huán)境、沙漠環(huán)境、奇景環(huán)境等惡劣工況的考驗。截至目前，防噴器未出現(xiàn)不能解鎖的情況。

7 結(jié)論

①增力液缸通過增力缸蓋與鎖緊液缸解鎖端串聯(lián)，在相同的解鎖液控壓力下，解鎖力提高了一倍。同時，在增力活塞運動過程中，可對楔形活塞產(chǎn)生沖擊力，降低解鎖的難度。

②生產(chǎn)出的樣機(jī)完成疲勞試驗，試驗結(jié)果符合API SPEC 16A—2017 Specification for Drill-through Equipment規(guī)范的要求。

③經(jīng)各種工況使用，帶增壓缸楔塊式液壓鎖緊機(jī)構(gòu)性能優(yōu)越，可滿足使用要求。

【參考文獻(xiàn)】

【1】劉清友，陳紹偉，艾買提江，等.閘板防噴器液壓鎖緊裝置現(xiàn)狀研究[J].石油礦場機(jī)械，2007，36（10）：1-4.

【2】朱海燕，劉清友，肖曉華，等.閘板防噴器液壓鎖緊裝置現(xiàn)狀及發(fā)展研究[J].石油鉆探技術(shù)，2008，36（4）：83-86.

【3】API SPEC 16A—2017 Specification for Drill-through Equipment[S].

【4】孟慶榮，李俊，杜平，等.閘板防噴器液壓鎖緊裝置的改進(jìn)[J].石油礦場機(jī)械，2011，40（11）：51-53.