TDS-11SA頂驅(qū)IBOP故障分析與預防

胡 朋

（中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司，上海 201206）

頂 驅(qū) IBOP（internal blowout preventer） 即內(nèi)防噴器，屬于內(nèi)防噴工具的一種，是鉆井系統(tǒng)中重要的內(nèi)防噴器工具，其性能的優(yōu)劣及工作的可靠性直接影響著井場人員、財產(chǎn)的安全?？碧蕉栥@井平臺TDS-11SA型頂驅(qū)的IBOP分為上IBOP和下IBOP，依次連接于頂驅(qū)主軸下方，保護接頭上方[1]（圖1）。在鉆井作業(yè)中，當井內(nèi)壓力高于鉆柱內(nèi)壓力時，司鉆操作控制臺按鈕，遙控關閉上IBOP以切斷鉆具內(nèi)部通道，防止井涌或者井噴的發(fā)生[2]。另外，在接單根或立柱以及起下鉆作業(yè)中，卸開鉆桿接頭前，關閉該防噴器可以減少水龍帶內(nèi)泥漿的流失，起到泥漿節(jié)流器的作用。而下IBOP主要應用在井涌時，手動關閉下IBOP，如需搶下鉆具，可將上IBOP從下IBOP上拆下，在下IBOP上部（6-5/8"REG）接入合適的轉(zhuǎn)換接頭、止回閥或循環(huán)短節(jié)等井控工具，繼續(xù)下鉆，并進行正常的井控程序[3]。

1 IBOP結構組成與特點

1.1 IBOP結構組成

圖1 TDS-11SA型頂驅(qū)IBOP連接圖

TDS-11SA型頂驅(qū)的上、下IBOP類似于球閥，由閥體、閥座、浮球、旋塞及密封附件組成。浮球位于上、下兩個閥座之間，上IBOP本體在閥芯位置開有兩個對稱槽（圖2），下IBOP本體在閥芯位置一側開有通槽，槽內(nèi)用于安裝控制閥芯開關的旋塞[4]（圖3）。上IBOP外部有一套液壓驅(qū)動的開關裝置，操作控制臺上IBOP開關按鈕后，頂驅(qū)系統(tǒng)就會通過PLC控制上IBOP對應的電磁閥，切換至對應的液壓缸帶動連桿驅(qū)動滑套上下運動，同時，滑套上下運動帶動了內(nèi)置于其中的搖臂總成轉(zhuǎn)動，進而旋塞轉(zhuǎn)動閥芯完成90°旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)內(nèi)防噴器的打開與關閉。而下IBOP只能使用專用內(nèi)六角扳手手動打開、關閉該閥?？碧蕉栥@井平臺配備TDS-11SA頂驅(qū)的IBOP驅(qū)動機構見圖4。

圖2 上IBOP結構圖

圖3 下IBOP結構圖

圖4 IBOP液壓驅(qū)動機構

1.2 上、下IBOP結構特點

1.2.1 平衡孔

上、下IBOP為金屬密封閥，球形閥芯對稱的開有兩個溝槽。為了避免內(nèi)防噴器流道內(nèi)的液體與閥腔體內(nèi)產(chǎn)生壓差，并減小壓差對開關扭矩的影響，在每個溝槽中心開有一個直徑約2 mm的小孔，連通內(nèi)外，平衡壓差。如在正常鉆井時，鉆井海水或泥漿流過井眼，流體通過小孔進入腔室，使球閥腔室與水眼壓力相互平衡，這樣巧妙的設計，使閥芯和閥座的密封面上下無壓差，啟閉內(nèi)防噴器所需的操作扭矩大大減小[4]。

1.2.2 壓力助封

IBOP是一種浮動式球閥結構，下閥座通過波形彈簧坐于本體臺階面上，可以沿軸向移動，當浮球上、下端存在壓差時，可以將浮球沿軸向壓至閥座密封面，當下端井底壓力高時，波形彈簧還可以起到壓力助封的作用。

2 故障分析

本文以勘探二號海洋鉆井平臺配備的TDS-11SA頂驅(qū)為例。該頂驅(qū)的IBOP在使用過程中，通道內(nèi)流通的是具有腐蝕性的海水或含固相顆粒的泥漿，故其出現(xiàn)的故障多為密封件損壞，浮球、閥座沖蝕，即泄露不密封為主；而該型號頂驅(qū)的上IBOP為單液缸驅(qū)動執(zhí)行機構，相比于雙液缸或齒輪齒條的驅(qū)動方式[5]，單液缸驅(qū)動扭矩較小，機構失效頻率也較高；同時內(nèi)防噴器連接于主軸下方，承載大，旋塞孔處應力較集中，易出現(xiàn)疲勞裂紋等現(xiàn)象。概括來說，TDS-11SA型頂驅(qū)的IBOP故障主要分為三大類，即密封失效、轉(zhuǎn)動失效及強度失效[6]。

2.1 密封失效

從圖2所示的IBOP內(nèi)部結構來看，密封主要有3個部分：（1）浮球與閥座之間的密封，由浮球與上、下閥座之間的金屬密封，組成了IBOP的主密封結構；（2）主閥體孔與上、下閥座間的密封，由O型圈、保持環(huán)、V型密封及金屬支架組成，這些密封件與上下閥座共同組成了通道內(nèi)的密封結構；（3）旋塞、銅套與閥體孔之間的密封，它防止通道內(nèi)鉆井液向外泄露[7]。

2.1.1 主密封失效

IBOP在使用過程中，浮球、閥座表面覆蓋的金屬薄膜，在高壓、高速泥漿長期流過時，膜上的金屬離子因沖刷會離開表面，而內(nèi)部新的金屬表面與泥漿接觸，加速了腐蝕的過程。與此同時，高壓、高速海水或泥漿介質(zhì)，對閥體內(nèi)腔形成強烈沖刷，而泥漿中懸浮的固相顆粒，也加快了內(nèi)腔壁的損害速度。尤其是當閥處于半開、半關位時，浮球處于偏斜的位置，泥漿對浮球及閥座的強烈沖蝕，使其極易沖蝕。上IBOP閥芯及閥座沖蝕損壞情況見圖5、圖6。

圖5 沖蝕的閥芯

圖6 沖蝕的閥座

2.1.2 副密封失效

旋塞、銅套與閥體孔之間的密封，可以防止通道內(nèi)鉆井液向外泄露。當此處密封磨損，通道內(nèi)高壓泥漿或海水，在此處向外泄露，快速將銅套或旋塞沖蝕，若是在鉆井作業(yè)進入裸眼井段，將會給作業(yè)帶來相當大的風險，勘探二號鉆井平臺就曾遇到過在裸眼井段深1 100 m以上的情況下，上IBOP在旋塞處出現(xiàn)了刺漏的情況。刺漏照片見圖7、圖8。

圖7 軟密封失效

圖8 金屬件失效

2.2 轉(zhuǎn)動失效

頂驅(qū)IBOP閥轉(zhuǎn)動失效指的是浮球開關不到位或者旋轉(zhuǎn)不動，其概率是僅次于密封失效的一種失效形式。分析其形成的原因主要有以下幾種：

（1）初始裝配浮球與閥座時，上閥座上緊扭矩較大，造成浮球與閥座之間摩擦力過大，啟閉不靈活；

（2）通道內(nèi)流通泥漿后，若長時間停滯，固相顆粒干涸，卡住了浮球（圖9）；

（3）驅(qū)動單液缸發(fā)生內(nèi)漏，壓力保持不住，拉動連桿的力道則不足；

圖9 轉(zhuǎn)動失效

（4）滑套與搖臂之間磨損，造成搖臂限位后，浮球卻開或關不到位；

（5）驅(qū)動機構部件損壞，影響啟、閉動作，如在表開或者復雜地層井段作業(yè)時，頂驅(qū)抖動較大，曲柄開關滾輪軸震斷（圖9）。

為避免IBOP轉(zhuǎn)動失效的發(fā)生，應在初期組裝后，采用手動扳手旋轉(zhuǎn)浮球，檢查轉(zhuǎn)動扭矩大小。在長時間使用后，若要進行測井或測試作業(yè)，要定期開關活絡IBOP，有條件的情況下，在注脂口加注密封潤滑脂，以防干涸的泥漿卡死浮球。按要求定期檢測油缸測進口壓力，掌握油缸活塞密封的使用狀態(tài)。對于滑套的磨損，可以通過焊補修磨的方式，減小開、關角度的誤差。

2.3 疲勞強度失效

頂驅(qū)IBOP連接于頂驅(qū)主軸下方，保護接頭上方，鉆井作業(yè)時承受大扭矩、大懸重等扭剪、拉伸交變載荷作用，受力復雜，尤其是旋塞孔附近較薄弱，易出現(xiàn)疲勞裂紋等現(xiàn)象。勘探二號平臺的頂驅(qū)IBOP在旋塞孔處曾多次出現(xiàn)疲勞裂紋（圖10）。若不能及時發(fā)現(xiàn)，IBOP本體裂紋擴張，導致本體斷裂，后果將非常嚴重。查閱資料發(fā)現(xiàn)，某油田的頂驅(qū)上IBOP就曾出現(xiàn)過斷裂，造成較大的鉆井事故[8]。因此，現(xiàn)場一線人員應每周檢查IBOP外表面銹蝕或者淺坑，每年或者工作達到3 000工作小時后，對閥體表面進行磁粉探傷，以檢查閥體是否有疲勞裂紋。

圖10 強度失效

3 故障預防

本文匯總了勘探二號鉆井平臺一線工作中TDS-11SA頂驅(qū)的IBOP使用故障，結合工作中新遇到的問題，概括出易發(fā)故障的預防措施。

3.1 新組裝的IBOP使用前需要試壓，確保密封良好

在一線工作中，IBOP修理更換內(nèi)部密封、浮球、閥座后，在裝上頂驅(qū)使用前，需對IBOP進行試壓檢查，合格后方可接入頂驅(qū)主軸上，以保證更換上的IBOP狀態(tài)良好。為此，現(xiàn)場一線可以選擇廢舊的保護接頭等，自制試壓堵頭，對IBOP進行靜水壓力試驗，檢查泄露（圖11）。

圖11 試壓堵頭

頂驅(qū)IBOP的設計是應對鉆井過程中的井涌等突發(fā)事故，對來自井底的壓力有較好的密封作用。而在實際鉆井作業(yè)中，進入油氣層井段，按井控要求，需要對鉆臺高壓立管管匯、閥門等進行試壓檢查。由于上IBOP的易操作性，通常關閉上IBOP，來對高壓立管管匯、閥門進行試壓。此時高壓泥漿作用于浮球上端面，壓縮下閥座與本體之間的波形彈簧，浮球軸向位移較大，承受壓力后密封效果較差，因此，從理論上來講，關閉上IBOP，對高壓立管管匯、閥門的試壓作業(yè)是不可取的。

3.2 修理、更換IBOP事項

頂驅(qū)IBOP密封失效后，可通過更換密封修理包的方式來修復，修理及更換IBOP時需要注意以下幾點（圖12）：

（1）安裝下閥座密封需要注意唇口與支撐環(huán)的方向，進入本體內(nèi)腔后，勿擠壓出密封槽，以免卡住下閥座。

（2）旋塞銅套安裝要到位，雙側銅套可以使用薄型千斤頂均勻壓入本體孔內(nèi)。

（3）當豎立考克，敲擊取出閥芯等備件時，考克端面應墊在木板或戴好護絲，保護好兩側端面。

（4）擰緊上閥座裝入卡簧后，應開關活絡旋塞，以轉(zhuǎn)動順暢，無卡點為宜。若特別緊，上閥座應反向回一點，以免油缸連桿機構無法啟、閉IBOP。

（5）安裝、拆卸搖臂總成時，搖臂與考克軸線垂直，即閥芯處于半開半關狀態(tài)，才能將搖臂總成安裝至滑套或從其中取下。

（6）原廠注脂口內(nèi)為六角堵頭，現(xiàn)場使用時最好更換成外六方堵頭，使用套筒拆卸，防止內(nèi)六角孔棱邊擰圓、滑掉不易取下。

（7）工區(qū)更換IBOP時，需要使用內(nèi)、外大鉗咬緊本體外圓，因旋塞孔附近相對薄弱，上緊扭矩或崩扣時，大鉗鉗牙勿咬在旋塞處，盡量遠離旋塞孔。

圖12 修理、更換IBOP

4 結論

以勘探二號鉆井平臺配備的TDS-11SA頂驅(qū)IBOP為研究對象，介紹了其特點，為快速解決故障點提供了理論依據(jù)；匯總設備服役至今期間發(fā)生的故障，完成了故障分類，即密封失效、轉(zhuǎn)動失效、強度失效三大類，并逐一分析。針對各類型的故障提出了預防的方法，尤其是更換內(nèi)部閥芯件后，需要靜水壓力試壓，試壓合格后方可作為備件留存，修理件的質(zhì)量得到了保證。同時，結合工作中遇到的問題，列舉IBOP修理過程中相關教訓、經(jīng)驗與大家分享，也為一線修理人員解決頂驅(qū)IBOP故障少走些彎路，從而減少了停機處理故障的時間，保證了設備的正常運轉(zhuǎn)，更好地服務于海洋鉆井平臺生產(chǎn)施工。