旋轉(zhuǎn)防噴器總體方案設(shè)計(jì)與評(píng)判

范 強(qiáng)，吳松松，許 萍

1 西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2 西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 3 原成都軍區(qū)聯(lián)勤部油料監(jiān)督處

0 引言

旋轉(zhuǎn)防噴器（RBOP）又稱旋轉(zhuǎn)控制頭（RCH），是欠平衡鉆井、地?zé)徙@井、煤層氣鉆井的必要設(shè)備［1］。旋轉(zhuǎn)防噴器在平衡鉆進(jìn)或起下鉆的過程中，通過旋轉(zhuǎn)萬能防噴器（PCWD）系統(tǒng)泵站的控制，使旋轉(zhuǎn)防噴器處于關(guān)閉狀態(tài)，主動(dòng)型膠囊收縮，封住了鉆柱與井口裝置的環(huán)形空間，使鉆井液不能從井口環(huán)隙噴出。它可以提供安全有效的壓力控制，在限定壓力下允許鉆桿旋轉(zhuǎn)，實(shí)施帶壓鉆井，將井眼返出的流體導(dǎo)離井口和封閉鉆桿與方鉆桿。佘曉梅［2］針對(duì)現(xiàn)有環(huán)形防噴器的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器，試驗(yàn)表明，該新型結(jié)構(gòu)環(huán)形防噴器滿足油氣田井控要求，具有密封可靠、不易拉缸等特點(diǎn)。平恩順［3］對(duì)閘板防噴器前部膠芯密封失效而導(dǎo)致反循環(huán)壓井失敗的難題，提出了一種閘板防噴器密封失效工況下麻纖維軟填料臨時(shí)補(bǔ)救措施。楊永寧［4］對(duì)用戶在選擇閘板防噴器結(jié)構(gòu)型式方面的迷茫性，對(duì)鉆井現(xiàn)場常用的Cameron和NOV Shaffer兩種類型的閘板防噴器結(jié)構(gòu)固有特性進(jìn)行分析研究，總結(jié)優(yōu)缺點(diǎn)，為用戶依據(jù)鉆井作業(yè)現(xiàn)場各種工況和維修能力自主選擇防噴器結(jié)構(gòu)型式提供了理論依據(jù)。

本文針對(duì)旋轉(zhuǎn)防噴器進(jìn)行了總體的功能分析，分成若干個(gè)功能元，對(duì)部分功能元進(jìn)行選擇、改進(jìn)和優(yōu)化，然后重組，提出多種總體方案，并采用模糊綜合評(píng)判對(duì)不同的傳動(dòng)方案進(jìn)行了模糊綜合評(píng)判，最后做出合理的評(píng)價(jià)與選擇。

1 旋轉(zhuǎn)防噴器方案功能原理設(shè)計(jì)

1. 1 旋轉(zhuǎn)防噴器的功能元分析

旋轉(zhuǎn)防噴器的總體方案功能原理設(shè)計(jì)是在保證實(shí)現(xiàn)功能的前提下，力求提出較多的組合方法以供比較和選擇［5-9］。通過功能分析，旋轉(zhuǎn)防噴器的總功能分成7個(gè)功能元，即為軸承潤滑功能元、軸承冷卻功能元、旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封功能元、鉆具密封功能元、鎖緊裝置功能元、旋轉(zhuǎn)總成功能元、控制功能元。

通過對(duì)國內(nèi)外高壓旋轉(zhuǎn)防噴器的結(jié)構(gòu)、工作性能、制造成本、維修費(fèi)用和使用壽命等因素的比較分析，本文選用一般液壓控制功能元、司鉆遠(yuǎn)程控制功能元和一般旋轉(zhuǎn)總成功能元，且著重對(duì)軸承潤滑功能元、軸承冷卻功能元、旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封功能元、鉆具密封總成功能元和鎖緊裝置功能元進(jìn)行比較設(shè)計(jì)。旋轉(zhuǎn)防噴器功能方案形態(tài)學(xué)矩陣如表1所示。

由表1分析得，旋轉(zhuǎn)防噴器總體方案有1×1×3×4×2×6×8=1 152種。

表1 旋轉(zhuǎn)防噴器功能方案形態(tài)矩陣

1. 2 旋轉(zhuǎn)防噴器功能元的選擇

1. 2. 1 軸承潤滑功能元和軸承冷卻功能元的選擇

由于本文研究的都是高靜壓力、高動(dòng)壓力的旋轉(zhuǎn)防噴器，即只有高壓油潤滑和水冷才滿足。并且為了提高軸承的壽命，本文采用旋轉(zhuǎn)防噴器冷卻改進(jìn)后的系統(tǒng)［10］。因此，本文選擇液壓控制鎖緊、高壓油潤滑和改進(jìn)后水冷或油冷。

1. 2. 2 軸承系統(tǒng)密封功能元的選擇

旋轉(zhuǎn)控制頭的軸承對(duì)密封的要求較高，原因是旋轉(zhuǎn)控制頭的工作動(dòng)壓最高至21 MPa；靜壓最高至35 MPa； 轉(zhuǎn)速為200 r/min。工作條件也十分惡劣［11］。

填料密封的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單且易于制造，適用于低壓、低轉(zhuǎn)速場合；機(jī)械密封的缺點(diǎn)是空間大，價(jià)格昂貴，且對(duì)副密封要求高［12］；Y型密封圈可借助鉆井液壓力自行封緊［13］；國內(nèi)在以前設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)防噴器中采用V型密封方式的較多［11］。由于國內(nèi)材料及制作工藝等原因，我國采用的密封摩擦較大，潤滑差，密封圈的可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上國外。因此軸承系統(tǒng)密封問題仍是影響高壓旋轉(zhuǎn)防噴器工作壽命的最關(guān)鍵因數(shù)之一［14］。國外的旋轉(zhuǎn)防噴器，常采用Kalsi密封［15］，其裝置最早應(yīng)用于石油器材。本文選擇Kalsi密封方式。

1. 2. 3 膠芯功能元的選擇

根據(jù)與中心管連接膠芯不同，可將旋轉(zhuǎn)防噴器分為混合式、主動(dòng)式和被動(dòng)式［16］。其中最常見的被動(dòng)式為錐形膠芯型密封，如圖1所示。主動(dòng)式旋轉(zhuǎn)控制頭的種類很多，其中由美國的威廉斯公司、四川的鉆采工藝研究院、大慶鉆井工程技術(shù)研究院等最為出眾。最常見的主動(dòng)式為膠囊膨脹型，如圖 2所示。

圖1 錐形膠芯被動(dòng)式

圖2 膠囊膠芯主動(dòng)式

1. 3 旋轉(zhuǎn)防噴器創(chuàng)新性重組

由上文分析，可采用如下4種方案。

1. 3. 1 方案一：A1+B1+C2+D2+E3+F5+G4

此結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用上下兩個(gè)錐形膠芯進(jìn)行密封，這種結(jié)構(gòu)與Williams 7100型旋轉(zhuǎn)防噴器類似［17-18］。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較簡單，所相配套的零件安全系數(shù)較低，所生產(chǎn)要求相對(duì)較低，這也是目前最普遍的高壓旋轉(zhuǎn)防噴器。

圖3 雙錐形膠芯旋轉(zhuǎn)防噴器

1. 3. 2 方案二： A1+B1+C2+D2+E3+F5+G6

此裝置為單膠囊主動(dòng)式旋轉(zhuǎn)防噴器，如圖4所示，只采用一個(gè)主動(dòng)式密封膠囊對(duì)鉆桿進(jìn)行密封。

圖4 單膠囊型旋轉(zhuǎn)防噴器

1. 3. 3方案三： A1+B1+C2+D2+E4+F5+G7

此裝置為雙膠囊型旋轉(zhuǎn)防噴器［19］，如圖5所示，設(shè)置雙膠囊的目的主要是為了當(dāng)鉆桿接頭經(jīng)過上膠囊時(shí)，上膠囊自動(dòng)泄油，此時(shí)小膠囊主要承擔(dān)抱緊鉆桿的工作，當(dāng)鉆桿接頭的中部到底上膠囊時(shí)，上膠囊開始沖油，開始抱緊鉆桿，當(dāng)鉆桿接頭經(jīng)過下膠囊時(shí)也是如此，以此來保證至少有一個(gè)膠囊抱緊鉆桿接頭，且只有一個(gè)膠囊工作的時(shí)間很少，這樣減少了當(dāng)鉆桿接頭經(jīng)過膠囊是對(duì)膠芯的磨損，延長了膠芯的使用壽命。

圖5 雙膠囊型旋轉(zhuǎn)防噴器

1. 3. 4 方案四：A1+B1+C2+D2+E4+F5+G3

此裝置為上膠囊下膠芯型混合式旋轉(zhuǎn)防噴器，如圖6所示，集合了單純的主動(dòng)型與單純的被動(dòng)型的一系列優(yōu)點(diǎn)，提高了可靠性，且主動(dòng)型膠囊采用了內(nèi)鑲鐵塊式的膠芯［20］，能提高膠芯的使用壽命。

由于這幾個(gè)旋轉(zhuǎn)防噴器涉及多個(gè)不同的變量，不方便直接進(jìn)行比較來確定孰好孰壞，在不同的實(shí)際應(yīng)用中，每個(gè)旋轉(zhuǎn)防噴器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)所占的權(quán)重也不一樣，所以本文使用模糊綜合評(píng)判的方法來對(duì)這幾種防噴器進(jìn)行比較。

圖 6 上膠囊下膠芯混合式旋轉(zhuǎn)防噴器

2 基于模糊綜合評(píng)判的旋轉(zhuǎn)防噴器總體方案評(píng)價(jià)

所謂模糊綜合評(píng)判是指對(duì)多種模糊因素所影響的事物或現(xiàn)象進(jìn)行總的評(píng)價(jià)［21-23］。

2. 1 建立因素集

影響旋轉(zhuǎn)防噴器傳動(dòng)方案評(píng)判的因素：

式中：u1—設(shè)計(jì)水平；u2—占地面積；u3—工作性能；u4—制造成本；u5—維修費(fèi)用；u6—使用壽命。

2. 2 建立評(píng)價(jià)集

總評(píng)判的結(jié)果為各種滿意等級(jí)，即：

2. 3 建立權(quán)重集

對(duì)總體方案的評(píng)判，需要根據(jù)自己的情況來擬定合適的比重。設(shè)計(jì)水平、占地面積、工作性能、制造成本、維修費(fèi)用、使用壽命6種因素權(quán)重可記作：

根據(jù)對(duì)旋轉(zhuǎn)防噴器的工作地現(xiàn)場研究發(fā)現(xiàn)，一般的油田對(duì)占地面積要求不是很大，對(duì)產(chǎn)品的工作性能；對(duì)工作人員的安全環(huán)境和成本費(fèi)用要求更大。因此對(duì)各因素的權(quán)重可確定為：

2. 4 單因素模糊評(píng)判

單獨(dú)從1個(gè)因素出發(fā)，不同設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)水平、結(jié)構(gòu)緊湊、工作性能、經(jīng)濟(jì)學(xué)、使用壽命的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表2所示。

表2 旋轉(zhuǎn)防噴器不同設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

對(duì)方案1旋轉(zhuǎn)防噴器每個(gè)因素進(jìn)行評(píng)判，得到單因素評(píng)判矩陣為：

同理可得方案2、方案3和方案4的單因素評(píng)判矩陣分別為：

2. 5 模糊綜合評(píng)判

同理可得其余3種模糊評(píng)判指標(biāo)為：

由式（10） ～ 式（13）可知最左邊的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的“好”B3和B4遠(yuǎn)遠(yuǎn)比B1和B2大，且B3的數(shù)據(jù)最大，且第二列數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的“較好”B3也比B4的大。綜上所述，當(dāng)注重工作性能時(shí)，方案3的工作性能最好，其次是方案4，然后是方案1，性能最差的是方案2。

3 結(jié)論

（1）采用功能原理設(shè)計(jì)對(duì)高壓旋轉(zhuǎn)防噴器進(jìn)行功能分析，擇優(yōu)設(shè)計(jì)出雙被動(dòng)型錐形膠芯旋轉(zhuǎn)防噴器、單個(gè)主動(dòng)型旋轉(zhuǎn)防噴器、雙主動(dòng)型旋轉(zhuǎn)防噴器和混合型旋轉(zhuǎn)防噴器4種較好的總體方案。

（2）當(dāng)綜合考慮設(shè)計(jì)水平、占地面積、工作性能、制造成本、維修費(fèi)用和使用壽命，同時(shí)注重工作性能時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇雙主動(dòng)型旋轉(zhuǎn)防噴器總體方案。它的優(yōu)點(diǎn)是膠芯的壽命大大提高，可靠性也提高，同時(shí)還減少了維修費(fèi)用。