多功能一體式防噴器組研制

唐秋林，黃治湖，鄭泳，3，劉鳴，杜文波，崔佳凱，趙琳

（1.四川寶石機械鉆采設備有限責任公司，四川 廣漢 618300；2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；3.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

防噴器是用于鉆井、試油、修井、完井等作業(yè)過程中關閉井口，防止井噴事故發(fā)生的井控裝備。針對修井機鉆臺高度空間受限，將閘板、環(huán)形集成為一體的防噴器組，具有減輕整體質量、降低組合高度、減少泄漏點、省時省力等特點，適應鉆修井機底座高度空間受限的現(xiàn)狀，可實現(xiàn)鉆修井提速，井控安全。

經(jīng)過市場調研分析，2020年國內鉆探公司修井機數(shù)量如表1所示，總量約853 臺。

表1 2020年國內鉆探公司修井機數(shù)量臺

若按每套修井機配置一種型號的一體式防噴器組，現(xiàn)有常規(guī)防噴器每年按10%的更新率，同時加大新型產(chǎn)品的推廣力度，未來3年修井用防噴器需求量如表2所示。

表2 未來3年修井用防噴器需求量臺

目前，國內外沒有廠家制造一體式防噴器組的類似產(chǎn)品。但是機械鉆機和修井機作業(yè)中受到安裝空間限制，一般首選一體式結構。一體式防噴器組可將環(huán)形防噴器、單閘板防噴器、鉆井四通三者功能整體集成；也可將環(huán)形防噴器、雙閘板防噴器兩者功能整體集成，取消了法蘭連接及法蘭頸部尺寸，節(jié)約空間，減少連接件，使泄漏的可能性降至最低。因此具有高度低、現(xiàn)場維護操作安裝簡便、結構緊湊、節(jié)約安裝與維護作業(yè)費用、提高生產(chǎn)效率、減少停產(chǎn)等特點。我公司研究設計了國內外首套車載修井機配套使用的F35（135/8in）-35（5000 psi）一體式防噴器組（通徑為φ346.1 mm、壓力級別為34.5 MPa）。

1 結構原理

多功能一體式防噴器組[1]可利用液壓來打開和關閉膠芯2。當大活塞4在關閉腔液壓油推動下向上運動推擠膠芯2時，膠芯2不斷向上向心收縮，其間的橡膠被擠向井口中心，最終實現(xiàn)密封管柱（或全封閉井口）。當大活塞4在打開腔液壓油推動下向下運動，此時膠芯2在本身彈力作用下復位，并最終處于自由狀態(tài)，完全打開井口。其特征等同于環(huán)形防噴器。

同時可利用液壓油來打開和關閉閘板總成13。當關閉腔液壓油進入液缸6，推動小活塞11，帶動活塞桿10進而帶動閘板總成13向井口中心運動，并關閉空井口或環(huán)抱鉆桿，然后旋轉手動控制總成9推動鎖緊軸8朝井口中心運動至貼合活塞桿10實現(xiàn)鎖緊，最終實現(xiàn)關井。當旋轉手動控制總成9帶動鎖緊軸8遠離活塞桿10至完全到位，然后開啟腔液壓油進入液缸6，推動小活塞11帶動活塞桿10，進而帶動閘板總成13遠離井口中心運動至完全到位，最終實現(xiàn)開井。其特征等同于閘板防噴器。其結構示意圖如圖1所示。

圖1 一體式防噴器組結構圖

2 主要技術參數(shù)

多功能一體式防噴器組技術參數(shù)如表3所示。

表3 技術參數(shù)表

液壓工作系統(tǒng)的正常工作壓力是10.5 MPa，工作的最大液壓操作極限壓力是31.5 MPa。采用API Spec 6A法蘭（上、下均為栽絲結構）與其它井口設備連接，關閉及打開膠芯（環(huán)形膠芯及閘板）均采用液壓操作。

3 關鍵技術

3.1 一體式防噴器組總體結構設計。

該產(chǎn)品是將環(huán)形防噴器、雙閘板防噴器兩者功能整體集成。由主殼體、環(huán)形膠芯總成、閘板液缸總成、閘板密封總成、側門鉸鏈總成和長短手總成組成。

3.2 一體式防噴器組殼體的鑄造技術。

一體式防噴器組殼體采用鑄件。為保證其整體鑄造質量，不僅按照GB/T 20174-2006標準要求，控制S、P等有害成分的含量，而且還需完善鑄造工藝設計流程：初步方案→三維建模→鑄造模擬→修正方案→再次鑄造模擬→最終方案→送出開模。

1）在鑄造過程中，殼體中的厚大部位受熱時間長，型砂易軟化，形成粘砂后鑄造缺陷，通過實驗研究，采用耐火度較高的原砂有效解決了粘砂問題，提高了鑄造成功率。

2）在冶煉過程中，鑄造鋼水的純凈度容易受到雜質和夾雜物的影響，產(chǎn)生鑄坯裂紋，進而影響產(chǎn)品質量，通過試驗研究，采用電弧爐+LF爐+VD爐組合冶煉方式，提高了鑄坯質量。

3）在鑄造熱處理工序時，殼體中壁厚差異較大的部位，因應力集中而出現(xiàn)裂紋，通過實驗研究，采用穩(wěn)定、均勻的低溫澆鑄溫度，保證了鑄造質量。

4）在鑄造模型制作時，木模外觀復雜，整體難以從砂型中取出，通過試驗及工藝技術改進，采用分模造型，將木模做成兩半。在造型時可分別裝在上、下砂箱中，起模方便，縮短了鑄造周期。

3.3 一體式防噴器組殼體的機加工技術。

1）埋藏式長油孔的加工，加長鉆頭的設計及改造運用；

2）主通徑與環(huán)形油缸密封部分加工成活，采用一次性裝夾，保證其同軸度；

3）閘板窗口四角圓弧的加工采用先鉆通孔、后鏜孔的加工工藝，提高工作效率。

3.4 一體式防噴器組殼體的檢測技術。

1）殼體的上部外形圓周、下部四方表面及所有內腔部位均采用超聲波探傷；

2）超聲波探傷時，為盡可能觀察出殼體是否存在鑄造缺陷，不僅采用橫向探傷，還增加了縱向探傷手段；

3）殼體的上部外形圓周與下部四方之間的過渡大圓弧相貫處，采用滲透探傷方式，以保證殼體的鑄件質量。

4 室內試驗及現(xiàn)場應用情況

為滿足鉆井、修井現(xiàn)場使用的需要，對防噴器組進行強度、密封性能及通徑試驗[4]。

4.1 強度試驗

為確保防噴器殼體及工作液缸在長期使用過程中不出現(xiàn)損壞、爆裂等安全事故，故殼體強度試驗壓力值應滿足設計規(guī)范，為防噴器額定工作壓力的1.5倍，即51.7 MPa（7500 psi）；液缸（含打開腔及關閉腔）強度試驗壓力值31.5 MPa。試驗過程中，側門與殼體間密封無泄漏、液缸總成無泄漏。試驗完成后，檢測結果顯示殼體與液缸均無裂紋、損傷現(xiàn)象。

4.2 密封試驗

為確保防噴器在長期使用過程中性能可靠、密封部位無泄漏等質量事故，故密封試驗（含低壓與高壓）應滿足設計規(guī)范，環(huán)形膠芯封零試驗壓力為2 MPa（300 psi）與10.5 MPa（1500 psi）；環(huán)形膠芯27/8in管柱密封試驗壓力為2 MPa（300 psi）與34.5 MPa（5000 psi）；閘板膠芯31/2in管柱密封試驗壓力為2 MPa（300 psi）與34.5 MPa（5000 psi）；閘板膠芯無管柱密封試驗壓力為2 MPa（300 psi）與34.5 MPa（5000 psi）。試驗過程中，環(huán)形膠芯密封無泄漏、閘板膠芯密封無泄漏、側門與殼體間密封無泄漏、液缸總成密封無泄漏。試驗完成后，檢測結果顯示殼體、環(huán)形膠芯及閘板膠芯均無裂紋、損傷現(xiàn)象。

4.3 通徑試驗

通徑試驗務必在防噴器環(huán)形膠芯處于自由狀態(tài)、閘板處于完全開啟狀態(tài)時，鉆具能順利通過防噴器的垂直主通徑。

4.4 現(xiàn)場應用

2019年8月，在國外印尼Kasuri區(qū)塊成功安裝了一臺F35-35型一體式防噴器組。經(jīng)過現(xiàn)場作業(yè)程序調整、安裝時間測算及安全風險評估等試驗，與常規(guī)防噴器相比較，總體高度降低了230 mm；質量減輕了3500 kg。與常規(guī)防噴器優(yōu)勢對比如表4所示。

表4 一體式與常規(guī)防噴器優(yōu)勢對表比

5 結論

1）多功能一體式防噴器組的設計及制造均屬國內外首創(chuàng)，降低了總高度，減輕了總質量。經(jīng)過廠內及現(xiàn)場試驗驗證，省時省力的效果突出，完全滿足修井作業(yè)配置要求，為后期的新產(chǎn)品推廣提供有力的支撐。應用前景廣闊，具有廣泛的推廣應用價值。

2）多功能一體式防噴器組的未來發(fā)展，不僅用于修井作業(yè)市場，而且能在鉆井作業(yè)中發(fā)揮巨大的潛能，不論防噴器本體是鑄件還是鍛件，將來完全能取代傳統(tǒng)防噴器組，它的一體式結構特點是具有降低平臺高度、節(jié)約鉆井時間、控制安全風險的優(yōu)勢，將給鉆井配套設備市場帶來極為深遠的影響。

3）國內外不壓井作業(yè)機中的井控設備包含有環(huán)形防噴器、單閘板防噴器、鉆井四通、單閘板防噴器，層層重疊安裝導致不壓井作業(yè)機具有高度較高、質量較重、安裝費時費力等特點，尤其是給運輸帶來很大的難題。

我國現(xiàn)階段正在大力普及不壓井作業(yè)機在油田市場上的應用，其年需求量正呈現(xiàn)穩(wěn)步的上升趨勢，而一體式防噴器組具有的結構緊湊、高度降低、質量減輕的優(yōu)勢特點在不壓井作業(yè)機的配套井控裝備中將是一個良好的補充。