可變徑閘板防噴器膠芯失效原因及預防措施

栗國浩（中海油田服務股份有限公司油田生產事業(yè)部，天津300452）

可變徑閘板防噴器膠芯失效原因及預防措施

栗國浩
（中海油田服務股份有限公司油田生產事業(yè)部，天津300452）①

總結了可變徑閘板防噴器膠芯在現(xiàn)場使用中出現(xiàn)的失效問題。通過對可變徑閘板防噴器膠芯失效實例分析，結合現(xiàn)場的實際經驗，找出引起膠芯失效的原因，并提出了解決辦法，為防噴器膠芯設計、生產、檢驗、使用提供參考。通過各個環(huán)節(jié)的把關，消除可變徑閘板防噴器膠芯失效的不利因素，為防噴器的安全使用提供了保障。

防噴器；膠芯；失效；分析

可變徑閘板防噴器可以適用于一定范圍內不同尺寸的鉆具，目前使用最多的規(guī)格有73．0～127．0mm（2～5英寸）。使用可變徑閘板防噴器，在整個鉆井過程中不必因鉆具改變而相應更換閘板芯，就可達到封井的目的。這種防噴器使用方便、成本低、效率高，目前油田鉆井作業(yè)中幾乎全部在使用這種可變徑閘板防噴器。但是，在使用過程中發(fā)現(xiàn)可變徑閘板膠芯出現(xiàn)多種失效問題，甚至造成落魚，導致鉆井事故發(fā)生。

1　可變徑閘板防噴器膠芯結構及工作原理［1］

可變徑閘板防噴器與普通閘板防噴器的殼體是通用的，根據(jù)殼體內安裝閘板總成的不同可以分為可變徑閘板防噴器、剪切閘板防噴器、全封閘板防噴器及管子閘板防噴器。閘板防噴器主要由殼體、油缸、活塞和閘板總成構成，如圖1所示?？勺儚介l板防噴器的膠芯與其他閘板防噴器的膠芯結構不同，可變徑閘板防噴器膠芯中有按一定距離嵌入的金屬骨架，金屬骨架與橡膠密封材料澆注為一體。三角形的支撐筋呈扇形排列，形成一個可以收張的鋼環(huán)，金屬骨架承載面相互搭接，后部相互鉤連，并將密封橡膠包裹起來，使密封橡膠始終處于保護狀態(tài)，能夠延長其使用壽命。骨架材質采用耐腐蝕性強的不銹鋼，避免使用過程中銹蝕、卡死，保證在封井過程中閘板膠芯的強度及封井效果。這種可變徑閘板膠芯結構是目前使用最廣、最為先進的形式。如圖2所示。

可變徑閘板防噴器工作時，在液壓力的作用下由活塞推動閘板膠芯向前移動，閘板膠芯骨架旋轉、相互擠壓使橡膠變形包圍鉆具，達到封井的目的。

圖1　單閘板防噴器結構示意

圖2　可變徑徑閘板總成

2　可變徑閘板膠芯失效形式分析［2-3］

2．1 頂部密封件的限位銷脫落

1） 頂部密封件的作用是在封井時密封閘板總成與殼體的閘板室。當閘板防噴器處于全開狀態(tài)時，頂部密封不接觸閘板室頂部密封面。當閘板防噴器關閉時，閘板室底部高的支承筋和頂部密封面均有漸緩的斜坡，能保證在達到密封位置前，閘板總成與殼體的閘板室間有足夠的間隙，保證閘板總成在移動時不受摩擦力的作用。封井時閘板前密封首先接觸鉆具，頂部密封與殼體的閘板室密封面接觸，從而完成全部密封，達到封井的目的，此時井壓起到助封的作用。由于封井時的井筒壓力相當高，在達到完全密封前，頂部密封件就已經與閘板室的密封面處于緊密接觸狀態(tài)。此時頂部密封面既受到擠壓應力又受到剪切應力，澆注在頂部密封件中的限位銷在反作用力的作用下產生彎曲、變形。如果澆注產生的剝離強度低，墊鐵及限位銷的材質強度小，整個墊鐵及限位銷就會被整體撕裂，使其失去密封功效。如圖3所示。

2） 頂部密封面的平面度、表面粗糙度、橡膠件的壓縮量等都是限位銷釘產生脫落的影響因素。橡膠件的壓縮量小，表面不平整而且粗糙，這樣在關閉閘板防噴器過程中頂密封與閘板室密封面就會產生很大的摩擦力，導致限位銷釘及墊鐵扭曲、變形甚至撕裂、脫落。

3） 頂部密封件安裝的正確與否會影響其密封效果、使用壽命。如果沒有正確安裝頂部密封，限位銷釘沒有安裝到位，限位銷釘極易損壞。

圖3　頂部密封件損壞案例

2．2 閘板膠芯橡膠開裂和老化［4］

1） 在鉆井過程中整個閘板膠芯受到鉆井液的侵泡，變徑閘板在密封鉆具的過程中，根據(jù)密封鉆具尺寸的不同，前密封骨架受交變載荷的作用，隨著閘板的使用時間延長及開關次數(shù)的增多，橡膠將會出現(xiàn)疲勞裂紋和老化現(xiàn)象。可變徑閘板防噴器有一定的使用范圍，如果超范圍使用（鉆具過小或過大），都會對可變徑閘板防噴器膠芯造成過度損傷，橡膠的彈性會逐漸減弱，使封井效果變差，可靠性降低。

2） 鉆井過程中使用不同種類的鉆井液，其化學成分大不相同。同時，在鉆入不同地層時也會受到地層中其他化學成分的侵蝕，尤其是H2S及CO2等酸性介質對橡膠的腐蝕非常嚴重。由于這種克刻的環(huán)境因素，所以在選用閘板膠芯橡膠材料時要充分考慮，選用性能優(yōu)良的橡膠。

3） 無論是防噴器生產制造單位還是使用單位都應嚴格按照膠芯的保存條件進行儲存和使用。露天、陽光直射、濕度環(huán)境、與金屬部件混存等這些情況都容易使膠芯老化、縮短使用壽命，影響封井效果。

2．3 閘板膠芯前密封墊鐵脫落

造成閘板膠芯前密封墊鐵脫落的原因有兩方面。第一，變徑閘板防噴器關閉時前密封骨架旋轉相互擠壓使橡膠變形來密封鉆具，成對的閘板前密封上、下墊鐵之間也會相互擠壓。前密封長期使用后，前密封墊鐵與橡膠體之間結合力減小、前密封墊鐵與連接上、下墊鐵之間的銷軸的過盈配合關系也會受到削弱，造成前密封上、下墊鐵脫落；第二，前密封橡膠因長期老化而失去它應有的彈性，造成與前密封墊鐵之間的結合力減小在外力作用下而脫落。

2．4 閘板膠芯整體脫落

可變徑閘板膠芯整體脫落，掉入井內形成落魚，造成鉆井事故，這是閘板膠芯失效中最嚴重的情形。當打開防噴器時，由于其他原因使膠芯與閘板體分開，膠芯沒有隨閘板體一起回到閘板腔內，此時如果鉆具在防噴器腔體中運動，鉆具的接箍會將膠芯帶入井筒，形成落魚，造成鉆井事故。主要原因有：首先，膠芯與閘板體分離的前提是頂部密封的限定銷釘失去作用；其次，在打開防噴器時井筒壓力沒有釋放完全，在高壓鉆井液的作用下導致閘板膠芯脫落。帶壓開啟防噴器是閘板膠芯整體脫落的關鍵因素。

3　預防措施

3．1 設計與制造［4-5］

1） 改進橡膠的成分配方。橡膠的配方決定橡膠的力學性能。設計、制造時一定要考慮橡膠的化學成分、壓縮量、橡膠件的尺寸精度、形位公差、模具精度、表面粗糙度等，保證橡膠件的物理性能、硬度、尺寸符合設計要求。最好進行非線性有限元分析，通過建模尋找出膠芯與鉆桿之間的接觸應力的分布規(guī)律，有針對性的采取優(yōu)化措施。

2） 建立相關標準。要明確橡膠件的性能，不同壓力、不同使用環(huán)境對橡膠件的性能要求是不一樣的。研究、確定相關標準，作為橡膠件生產、檢驗的依據(jù)。

3） 選擇不同種類的橡膠。針對不同鉆井泥漿及地質所含腐蝕介質的情況選用性能各異的橡膠。例如：可采用氫化丁腈（HNBR）橡膠生產用于富含H2S及CO2地層的鉆井作業(yè)用防噴器膠芯。

3．2 安裝過程

1） 閘板膠芯裝配。要保證各密封部位的清潔、膠芯、密封件的完整，組裝場地的干凈。與膠芯接觸的閘板體邊緣不能有毛刺或鋒利的棱角。在裝配過程中不能對膠芯進行強擠、強壓，在確認裝配尺寸正確、安裝方式合理的前提下可用皮榔頭輕輕敲擊進行裝配，如圖4所示。裝配完成后應再次進行確認安裝是否到位。

圖4　膠芯的裝配

2） 閘板總成安裝。閘板總成一般在鉆井現(xiàn)場進行更換、安裝，安裝時要確保場地干凈。首先，按照安裝步驟檢查閥門開關、管線蓄能的釋放等隔離措施；其次，逐項確認配件規(guī)格、型號和數(shù)量、各種工具，確保閘板腔體內清潔、無異物，閘板總成表面干凈及頂部密封平整、無扭曲變形。第三，安裝完成后要經過兩人確認，然后再進行功能試驗及壓力測試。功能試驗不能少于2次，但不宜過多，以免對頂部密封造成磨損。

3．3 操作及維護檢查

防噴器的操作、使用一定要制定嚴格、科學的操作程序及定期檢查制度。嚴禁采用打開閘板方式來泄放井內壓力。每次打開閘板前，應檢查鎖緊裝置是否解鎖、解鎖是否到位。打開后要檢查閘板是否全部打開以及閘板膠芯是否完全退到閘板體內。閘板膠芯不得停留在中間位置，以防鉆具碰壞閘板膠芯形成落魚，造成鉆井事故。同時，對膠芯橡膠的老化程度、橡膠的彈性及金屬骨架的磨損情況進行仔細檢查，如不能滿足要求應及時更換膠芯。根據(jù)閘板膠芯的入庫先后、新舊程度對庫存膠芯進行編號、造冊，應按先舊后新原則出庫使用。閘板膠芯必須存放在避光、干燥、恒溫室內，嚴禁存放于露天。膠芯不能受彎、受擠壓，不能接觸腐蝕介質，應在自由松弛狀態(tài)下存放于木箱或貨架上。應定期檢查庫存膠芯，長時間存放而產生老化或嚴重變形、有裂紋的膠芯應及時予以報廢。

4　結論

1） 通過對失效的可變徑防噴器膠芯分析、研究，發(fā)現(xiàn)其失效原因是由多種因素共同作用的結果。涉及到圖紙設計、生產加工、出廠檢驗、運輸儲存、安裝使用等環(huán)節(jié)。

2） 可變徑防噴器膠芯的設計必須滿足有關標準，借鑒以前經驗的同時還應重視現(xiàn)場使用的信息反饋，對容易產生失效的位置及時進行優(yōu)化設計，更改生產工藝、嚴格進行檢驗，保證該環(huán)節(jié)的質量。

3） 在訂貨時，使用者要根據(jù)自身的泥漿體系以及地層所含介質的特殊性，向可變徑防噴器的廠家提出要求，廠家據(jù)此進行膠料調配，以滿足特殊工況的使用要求。同時，使用者要根據(jù)現(xiàn)場實際情況，綜合不同工況的使用經驗和廠家的維護要點對膠芯進行定期檢查，使防噴器膠芯在安全、有效的狀態(tài)下使用，以保證鉆井作業(yè)的安全。

4） 該文的研究結果對于萬能防噴器膠芯、半封閘板防噴器膠芯、旋轉防噴器膠芯的生產和使用具有指導意義。

［1］ 四川宏華石油設備有限公司．鉆機用戶手冊［K］．2008．

［2］ 林軍．環(huán)形防噴器膠芯失效的形式及原因［J］．石油機械，1995，23（9）：36-43．

［3］ 張寶生，陳家慶．可變徑閘板防噴器結構研究［J］．北京石油化工學院學報，2005，13（3）：56-59．

［4］ 陳滴，江成君．閘板防噴器橡膠件作用及防止密封失效措施［J］．價值工程，2010，29（8）：193-193．

［5］ 王錫洲，付玉坤，朱海燕，等．閘板防噴器膠芯密封及損壞機理分析［J］．石油礦場機械，2010，39（2）：16-18．

Variable Ram BOP Core Failure Causes and Preventive Measures

LI Guohao
（Production Optimization Department，China Oilfield Services Co．，Ltd．，Tianjin 300452，China）

The variable ram BOP rubber core failure problems，occurred in oil field application，are summarizes in this article．With the analysis of variable ram BOP rubber core failure instances and combining the oil field practical application，causes of BOP core failure are identified and solutions are put forward．This provides references for BOP rubber core design，production，inspection and site application．With the control of each link，the elimination of variable ram BOP rubber core failure of unfavorable factors has provided the safeguard for the safe usage of BOP．

BOP；ram core；failure；analysis

TE921．507

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．019

1001－3482（2015）08－0079－04

①2015－03－15

栗國浩（1976-），男，甘肅慶陽人，工程師，現(xiàn)從事鉆井設備管理工作，Email：leegh＿007＠163．com。