FZ54－70型單閘板防噴器低高溫試驗(yàn)裝置研制

王紅杰，屈志明，劉寶秋，吳占偉，申凌云

（河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘062552）①

FZ54－70型單閘板防噴器是為了滿足新疆塔里木油田用戶的需要而設(shè)計(jì)的一種大通徑高壓力的新型防噴器。根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)要求，需要對(duì)這種防噴器裝置進(jìn)行各種操作性型式試驗(yàn)及低溫和高溫環(huán)境的適應(yīng)性試驗(yàn)［1－3］。通過對(duì) FZ54－70型單閘板防噴器的結(jié)構(gòu)型式、外形尺寸的分析，設(shè)計(jì)制造了專用的低高溫試驗(yàn)裝置［4］，為防噴器等井控裝備在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度變化下的適應(yīng)性提供了依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

1.1 低高溫實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)選型

防噴器等井控裝備進(jìn)行低高溫試驗(yàn)的第1步就是對(duì)防噴器整機(jī)進(jìn)行加熱升溫。防噴器升溫過程一般設(shè)定在2～5 h，時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)造成資源的浪費(fèi)，亦會(huì)對(duì)防噴器的密封膠件造成損害。TP/W690步入式低高溫實(shí)驗(yàn)室（如圖1）為試驗(yàn)的進(jìn)行奠定了第1步，其工作環(huán)境溫度－55～＋130℃，試驗(yàn)介質(zhì)最高溫度可達(dá)260℃，可為防噴器低高溫試驗(yàn)提供低溫、恒溫、高溫等程序變化的多種試驗(yàn)環(huán)境［5］。

圖1 低高溫實(shí)驗(yàn)室

1.2 加熱管的設(shè)計(jì)和計(jì)算

通過導(dǎo)熱公式計(jì)算［6］，并經(jīng)過一系列模擬試驗(yàn)，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，最終確定了加熱棒類型：將大功率加熱棒直接貼服于耐壓管壁進(jìn)行加熱。加熱絲材料為Cr20Ni80，熔點(diǎn)1 400℃，每根加熱棒的功率為3 500 W。設(shè)計(jì)的FZ54－70型單閘板防噴器需要用10根加熱棒進(jìn)行試驗(yàn)加熱，每5根為1組共用1相電源。為避免在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)加熱棒燒斷或是短路故障情況的發(fā)生，對(duì)10根加熱棒加熱線路都全部安裝了斷路器進(jìn)行保護(hù)。斷路器能自動(dòng)切斷有故障的工作電源，而不影響整體試驗(yàn)進(jìn)程。既保證了試驗(yàn)裝備的安全可靠性，也為下一步的檢查維修創(chuàng)造了條件［7］。

系統(tǒng)升至設(shè)定溫度所需總熱量為

式中：c為材料比熱容；m為待加熱物體的質(zhì)量；△t為溫升；ρ為密度；V為體積；下標(biāo)o、b、g分別表示導(dǎo)熱油、防噴器、鋼材。

其中：co＝1.809×106J/（kg·℃）；cg＝4.50×105J/（kg·℃）；ρo＝9.03×103kg/m3；Vo＝4.9×10－1m3；mb＝1.582×104kg；△t＝73 ℃。由式（1）～（5）計(jì)算可得Q＝548 441 800.44 J。

加熱功率為

式中：P為加熱功率；Q′為吸收熱量；t為加熱時(shí)長(zhǎng)。

假設(shè)所需加熱時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)5 h，計(jì)算可得P＝32 135 W。設(shè)計(jì)使用了10根加熱棒，則每根加熱棒的加熱功率為3 200 W，考慮實(shí)際損耗，確定每根加熱棒功率為3 500 W。

1.3 試壓底座及耐壓套管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)選定的2種加熱棒的結(jié)構(gòu)尺寸，確定選用42Cr Mo材質(zhì)的加熱套管，并通過試驗(yàn)進(jìn)一步確定了加熱套管的長(zhǎng)度、深度、壁厚以及安裝方式，如圖2所示?？紤]加熱棒性能受到耐熱管空間等條件的限制，亦考慮防噴器底法蘭和耐壓套管在高壓高溫環(huán)境下金屬強(qiáng)度等問題，最終決定在底法蘭上開10個(gè)加熱孔和1個(gè)測(cè)溫孔，并且防噴器底法蘭的厚度尺寸由GB/T22513標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.241 m增加到0.27 m。耐壓套管的結(jié)構(gòu)經(jīng)過多次試驗(yàn)，最后確定圖2中的B方案。圖3即為拉桿式結(jié)構(gòu)的加熱棒。

圖2 加熱套管方案對(duì)比

圖3 加熱棒與拉桿組合

A、B方案對(duì)比：

1） A方案中耐壓套管壁厚為0.008 m，B方案中管壁增加至0.012 m。

2） 耐壓套管總長(zhǎng)度為0.765 m，內(nèi)孔為0.032 m。A方案中耐壓套管的內(nèi)孔加工涉及到了深孔加工，常規(guī)加工無法實(shí)現(xiàn)，增加了加工難度；B方案中套管的加工可以選擇兩端對(duì)頂加工的方法，避開了深孔加工，減小了套管的加工難度。

3） A、B兩種方案經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，A方案中的密封墊位置在試驗(yàn)過程中由于井壓的作用經(jīng)常發(fā)生泄漏，需要拆換處理，在試驗(yàn)過程中增加了很多不必要的工作量，而B方案采用拉桿式結(jié)構(gòu)，密封穩(wěn)定性好，試驗(yàn)過程中基本沒有泄漏的情況發(fā)生。

最終加工完成后的FZ54－70型單閘板防噴器試壓底座、耐壓套管及加熱管裝配效果如圖4所示。

2 試驗(yàn)過程

為進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和試驗(yàn)裝置的可靠性，按照API Spec 16A規(guī)范附錄D的要求［2］，對(duì)FZ54－70型單閘板防噴器進(jìn)行了低高溫試驗(yàn)。

FZ54－70型單閘板防噴器橡膠件的設(shè)計(jì)溫度等級(jí)為BB級(jí)，即－18～93℃。根據(jù)試驗(yàn)程序，分別對(duì)防噴器進(jìn)行了－18℃和93℃下的壓力密封試驗(yàn)。－18℃溫度下，每開關(guān)閘板7次進(jìn)行1次壓力試驗(yàn)，包括1.4～2.1 MPa（200～300 psi）和額定工作壓力70 MPa（10 000 psi）的密封試驗(yàn)，共進(jìn)行了3組壓力循環(huán)，開關(guān)21次，低高壓各穩(wěn)壓3 min。在整個(gè)穩(wěn)壓期間，壓力變化小于試驗(yàn)壓力的5%［2］，密封試驗(yàn)合格。93℃溫度下，防噴器在1.4～2.1 MPa（200～300 psi）和額定工作壓力70 MPa（10 000 psi）下，分別穩(wěn)壓3 min和60 min。在整個(gè)穩(wěn)壓期間，壓力變化小于試驗(yàn)壓力的5%［2］，密封試驗(yàn)合格，達(dá)到了API Spec 16A所規(guī)定的試驗(yàn)要求。低高溫密封試驗(yàn)曲線如圖5～6所示。

圖5 防噴器－18℃低溫密封試驗(yàn)曲線

圖6 防噴器93℃高溫密封試驗(yàn)曲線

為了驗(yàn)證低高溫試驗(yàn)裝置［8］的穩(wěn)定性、持續(xù)性，以及防噴器膠件的使用性能，在已完成了API Spec 16A規(guī)范附錄D所規(guī)定的試驗(yàn)要求外，對(duì)FZ54－70型單閘板防噴器又進(jìn)行了6 h、93℃和1 h、121℃的高溫試驗(yàn)，密封試驗(yàn)合格。試驗(yàn)裝置在長(zhǎng)時(shí)間的使用下，沒有發(fā)生泄漏或其他故障。

試驗(yàn)結(jié)果表明，上述結(jié)構(gòu)的低高溫試驗(yàn)裝置安裝方便，性能可靠［9］。

3 結(jié)論

1） 低高溫試驗(yàn)裝置所用的加熱管選用合理。升溫過程中，加熱管的穩(wěn)定性良好，既未造成能源的浪費(fèi)，又安全可靠。

2） 試驗(yàn)證明：拉桿式耐壓套管裝置簡(jiǎn)單實(shí)用，安裝方便，性能穩(wěn)定可靠，為FZ54－70型單閘板防噴器低高溫試驗(yàn)的成功提供了必不可少的前提條件。拉桿式耐壓套管裝置亦可以在其他類型防噴器的低高溫試驗(yàn)中推廣應(yīng)用。

3） 在油氣鉆井和開采過程中，防噴器等裝備是與安全生產(chǎn)直接相關(guān)的重要設(shè)備，對(duì)其制造、檢測(cè)有很高的要求。我國地緣遼闊，地區(qū)氣候和地質(zhì)結(jié)構(gòu)差異較大，環(huán)境溫度和地下流體溫度差異也較大，F(xiàn)Z54－70型單閘板防噴器低高溫試驗(yàn)的完成，為防噴器在現(xiàn)場(chǎng)使用過程中能否應(yīng)對(duì)惡劣極端的環(huán)境溫度變化提供了保障，能夠避免安全事故的發(fā)生。

［1］ API Spec 6A—2010，井口裝置和采油樹設(shè)備規(guī)范［S］.20版.

［2］ ANSI/API 16A，鉆通設(shè)備規(guī)范［S］.3版.2004.

［3］ 王珊珊，黃永華.－196～＋100℃高低溫?cái)z像裝置低溫性能實(shí)驗(yàn)研究［J］.低溫工程，2012，187（3）：5－6.

［4］ 顧和元，侯國慶，郭雪，等.水下防噴器組控制系統(tǒng)深水模擬試驗(yàn)裝置研制［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（4）：1－5.

［5］ 李新民，唐順東.石油鉆采設(shè)備高低溫性能檢測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2011，34（5）：86－87.

［6］ 郭道宏.油管隔熱保溫試驗(yàn)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（11）：27－28.

［7］ 陶煜征.防噴器電磁加熱保溫裝置設(shè)計(jì)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11（21）：5184－5186.

［8］ 黃振瓊，徐燕東.高溫高壓深井用液壓封隔器研制及試驗(yàn)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（10）：34－35.

［9］ 王百戰(zhàn)，白文雄，樊勇，等.便攜式井口防噴器試壓裝置研制與應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（12）：83－86.