旋轉(zhuǎn)防噴器鎖塊式鎖緊機(jī)構(gòu)研制

屈志明，王紅杰，楊永寧，吳占偉

（河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北任丘 062552）①

旋轉(zhuǎn)防噴器鎖塊式鎖緊機(jī)構(gòu)研制

屈志明，王紅杰，楊永寧，吳占偉

（河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北任丘 062552）①

通過對國外旋轉(zhuǎn)防噴器鎖緊機(jī)構(gòu)的研究，從中發(fā)現(xiàn)不足之處；研制了新型的鎖塊式鎖緊裝置。該裝置采用液控操作，由活塞帶動嵌在殼體上的鎖塊完成鎖緊和解鎖功能，且具有顯示機(jī)構(gòu)和機(jī)械鎖緊功能?？朔爽F(xiàn)有鎖緊機(jī)構(gòu)外形龐大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)。廠內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用表明：該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)合理，操作方便，能可靠地鎖緊和解鎖。

欠平衡鉆井；旋轉(zhuǎn)防噴器；鎖塊

欠平衡鉆井技術(shù)是20世紀(jì)90年代初興起的提高勘探開發(fā)效益的鉆井新技術(shù)，美國和加拿大應(yīng)用最多，技術(shù)和裝備最先進(jìn)。我國欠平衡技術(shù)開始于21世紀(jì)初［1］。目前，我國的欠平衡鉆井配套技術(shù)還不完善，相應(yīng)的配套裝置也不成熟［2］。國內(nèi)各大油田使用的旋轉(zhuǎn)防噴器大都依賴于進(jìn)口，以Williams公司的7100型旋轉(zhuǎn)控制頭為主。

旋轉(zhuǎn)防噴器是井口安全控制系統(tǒng)的重要設(shè)備，也是欠平衡鉆井、地?zé)徙@井、煤層氣鉆井的必要設(shè)備之一，安裝在防噴器組的最上部。利用旋轉(zhuǎn)防噴器封住井口環(huán)形空間，同時(shí)保持管柱的旋轉(zhuǎn)作業(yè)［3-4］。旋轉(zhuǎn)防噴器通常由殼體總成和旋轉(zhuǎn)總成構(gòu)成；常用的旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備中，旋轉(zhuǎn)密封總成與殼體總成的鎖緊連接有螺栓連接和卡箍連接2種結(jié)構(gòu)形式。對于螺栓連接結(jié)構(gòu)形式，需操作人員到鉆探平臺下拆卸和安裝，拆卸耗時(shí)耗力，操作效率低。對于卡箍連接鎖緊結(jié)構(gòu)形式，對鉆探平臺下的空間要求較大。在FX35-10.5／21型旋轉(zhuǎn)防噴器的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了一種新型的鎖塊鎖緊聯(lián)接形式，有效地克服了螺栓連接和拆卸費(fèi)時(shí)、費(fèi)力及卡箍要求連接空間大的缺點(diǎn)。

1 旋轉(zhuǎn)防噴器鎖緊機(jī)構(gòu)簡介

1.1 卡箍式鎖緊結(jié)構(gòu)形式

目前，國內(nèi)市場上常用的Williams 7100型旋轉(zhuǎn)防噴器采用卡箍式鎖緊裝置，如圖1所示。鎖緊卡箍將旋轉(zhuǎn)總成中的靜止外筒體與底部支承座固連在一起［5］。該鎖緊機(jī)構(gòu)由2個(gè)半圓形的卡箍組成，在卡箍內(nèi)部環(huán)槽內(nèi)有上下2個(gè)斜面，分別與支撐座和筒體連接。在卡箍的一側(cè)，設(shè)計(jì)有外伸的法蘭，由液壓驅(qū)動旋轉(zhuǎn)水平方向的螺栓，實(shí)現(xiàn)鎖緊和解鎖功能。另外一側(cè)有1對互鎖的鉸鏈，用螺栓和螺母連接?？ü渴芥i緊結(jié)構(gòu)的防噴器外形龐大，要求鉆探平臺下的空間較大。

圖1 美國Williams公司7100型旋轉(zhuǎn)防噴器

1.2 螺栓式連接結(jié)構(gòu)

Shaffer公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)防噴器利用了球型環(huán)形防噴器密封壓力較高、密封效果好的優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)形防噴器的基礎(chǔ)上增加了旋轉(zhuǎn)功能，如圖2所示。殼體總成和旋轉(zhuǎn)總成采用多根螺栓連接，需要人工到鉆探平臺下拆卸和安裝，浪費(fèi)大量的人力和時(shí)間。該旋轉(zhuǎn)防噴器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、后續(xù)的維修成本較高，國內(nèi)較少應(yīng)用。

圖2 Shaffer公司的旋轉(zhuǎn)防噴器

2 鎖塊式鎖緊機(jī)構(gòu)的研制

2.1 結(jié)構(gòu)組成

為了避免螺栓式連接和卡箍式連接旋轉(zhuǎn)防噴器的缺點(diǎn)，研制了新型的鎖塊鎖緊機(jī)構(gòu)，如圖3所示。該機(jī)構(gòu)由鎖緊機(jī)構(gòu)和顯示機(jī)構(gòu)組成。鎖緊機(jī)構(gòu)包括殼體、活塞、鎖緊缸、鎖塊、軸承套、上壓塊、下壓塊等；顯示機(jī)構(gòu)由拉環(huán)、顯示桿和彈簧等組成。鎖塊鎖緊機(jī)構(gòu)由液壓操作完成鎖緊和解鎖功能，省時(shí)省力，且外形結(jié)構(gòu)較小，所需空間小。

2.2 工作原理

在工作時(shí)，來自液控系統(tǒng)的液壓油經(jīng)由上壓塊的關(guān)閉油路進(jìn)入鎖緊液缸內(nèi)，推動活塞向下運(yùn)動，同時(shí)使鎖塊產(chǎn)生徑向位移，最終鎖塊內(nèi)部的上下2個(gè)斜面與軸承套斜面緊密接觸，實(shí)現(xiàn)鎖緊功能，如圖4所示。當(dāng)解鎖時(shí)，液壓油經(jīng)由下壓塊的開啟油路進(jìn)入鎖緊液缸內(nèi)，推動活塞向上運(yùn)動，鎖塊退到活塞的環(huán)形空間內(nèi)，旋轉(zhuǎn)總成與殼體脫開，鎖塊解鎖［6］，如圖5所示。

圖4 鎖緊活塞鎖緊位置

圖5 鎖緊活塞解鎖位置

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為節(jié)省空間，保證殼體總成與旋轉(zhuǎn)總成連接可靠，在殼體上部沿周向均布設(shè)計(jì)4個(gè)開窗，用于鎖塊嵌入殼體內(nèi)部進(jìn)行安裝。開窗的大小由所承受的載荷確定。在設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮開窗對殼體強(qiáng)度的降低以及開窗上部拐角處應(yīng)力集中的產(chǎn)生，又要保證鎖塊具有足夠的承載能力。在鎖塊的內(nèi)外圓弧處均設(shè)計(jì)有斜面，內(nèi)圓弧的斜面與軸承套斜面相匹配，用于鎖緊和承載，外圓弧的斜面用于導(dǎo)向，與活塞配合更為平緩地完成鎖塊的徑向運(yùn)動。在活塞的下面設(shè)計(jì)有一定高度環(huán)形槽，作為鎖塊解鎖時(shí)后退的空間。在殼體和軸承套之間采用雙層密封，將油壓密封和井壓密封分開控制，使密封更可靠。

為了避免誤操作，在鎖緊液缸上設(shè)計(jì)有鎖定顯示機(jī)構(gòu)，可以顯示鎖緊活塞是否鎖定到位，同時(shí)也可以將鎖緊活塞機(jī)械鎖定在鎖緊位置，防止活塞脫開。當(dāng)活塞處于鎖緊狀態(tài)時(shí)，拉環(huán)處于a位，當(dāng)解鎖時(shí)，顯示桿壓縮彈簧，沿殼體的徑向向外運(yùn)動，完全解鎖后，拉環(huán)處于b位（如圖3），表示處于解鎖狀態(tài)。當(dāng)需要機(jī)械鎖緊時(shí)，需手動拉動顯示機(jī)構(gòu)的拉環(huán)，使顯示桿嵌入活塞的凹槽內(nèi)。

3 試驗(yàn)

依據(jù)API Spec 16RCD規(guī)范，采用上述鎖塊式鎖緊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制造了FX35-10.5／21型旋轉(zhuǎn)防噴器，其產(chǎn)品圖片如圖6所示。該防噴器的最大靜密封壓力為21 MPa，最大動密封壓力為10.5 MPa，承壓起下鉆額定壓力為7 MPa。樣機(jī)組裝完成后，進(jìn)行了各項(xiàng)出廠試驗(yàn)，包括靜水壓強(qiáng)度試驗(yàn)、靜壓試驗(yàn)、動壓試驗(yàn)、承壓起下鉆試驗(yàn)。其中，旋轉(zhuǎn)防噴器旋轉(zhuǎn)動密封試驗(yàn)：試驗(yàn)井壓10.5 MPa，轉(zhuǎn)速為118～ 121 r／min，累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為200 h（標(biāo)準(zhǔn)要求100 h）。通過對鎖緊結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)，驗(yàn)證該鎖緊機(jī)構(gòu)操作方便，動作靈活，鎖緊可靠。

該防噴器在2010-09通過了中石油集團(tuán)科技評估中心主持的專家技術(shù)鑒定。隨后，該防噴器投入現(xiàn)場使用，累計(jì)服役時(shí)間為2 a，防噴器運(yùn)轉(zhuǎn)正常，鎖緊機(jī)構(gòu)安全可靠。

圖6 FX35-10.5／21型旋轉(zhuǎn)防噴器

4 結(jié)論

1） 該鎖緊機(jī)構(gòu)由液壓操作完成，鎖緊和解鎖方便快捷，減少或取消了人工高空大強(qiáng)度作業(yè)，降低了勞動強(qiáng)度，縮短了更換膠芯的時(shí)間。

2） 設(shè)計(jì)了鎖定顯示機(jī)構(gòu)，可以檢查鎖緊活塞是否鎖定到位，直觀地顯示活塞的運(yùn)動位置，極大地方便了現(xiàn)場的管理。

3） 必要時(shí)可采用機(jī)械鎖緊，防止誤操作導(dǎo)致解鎖。

4） 該機(jī)構(gòu)外形尺寸小，節(jié)省了安裝空間。該機(jī)構(gòu)已獲得國家實(shí)用新型專利。

［1］ 張衛(wèi)萍，李宗清，楊德京.旋轉(zhuǎn)控制頭膠芯失效形式分析［J］.石油礦場機(jī)械，2003，32（3）：38-39.

［2］ 程艷，鄭沖濤.國內(nèi)欠平衡鉆井主要裝備知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)現(xiàn)狀分析［J］.鉆采工藝，2008，31（1）：56-59.

［3］ 曹月臣.旋轉(zhuǎn)環(huán)形防噴器結(jié)構(gòu)分析及應(yīng)用［J］.石油礦場機(jī)械，2013，42（7）：90-92.

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

［5］ 陳家慶，王穎君，趙增元.Williams高壓旋轉(zhuǎn)防噴器國產(chǎn)化要點(diǎn)淺析［J］.石油礦場機(jī)械，2002，31（3）：1-5.

［6］ 李三平，蘇尚文，屈志明，等.一種鎖塊鎖緊聯(lián)接裝置：中國，CN201763291U［P］.2011-03-16.

Development of Rotating Blowout Preventers’Latch Lock Device

Through lock device research of foreign rotating blowout preventers，lacks are discovered.The new latch lock device is developed.The device is operated by hydraulic motor，Locking and unlocking are completed by piston leading inbuilt latch in shell.The device has vision assembly and locking mechanically.The device has not lacks，for example larger figure，stronger labor and longer time.Factory test and field employment are carried out.The results show that the configuration is reasonable，the operation convenient，locking and unlocking are reliable.

underbalanced drilling；rotating blowout；preventers latch

TE928

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.017

1001-3482（2014）09-0063-03

2014-03-22

屈志明（1980-），男，河北承德人，工程師，主要從事井控產(chǎn)品的研發(fā)和管理工作，E-mail：18730785568＠139.com。