特大型钻井单闸板防喷器的研制

1、! 新产品开发#特大型钻井单闸板防喷器的研制肖力彤宋振华(摘要为满足用户的要求, , 又成功地开发了I Spec 6A 法兰与其它井口设备连接, 关闭, , 可实现防喷器地面控制系统泄压, 它能满足钻井作业需要。按AP I Spec 53推荐标准, 每使用14d 试压1次, 3, 均合格。在倒换井口之后进行常规检查, 各部件均正常、完好, 其经济效益是非常可观的。关键词特大型钻井单闸板防喷器钻井用闸板防喷器是石油及天然气钻井工程中必备的设备, 它具备有效封闭井口装置、防止钻井时井喷以及处理其它复杂情况等功能, 并且具备用液压开关闸板的功能。其特点是操作方便、安全可靠、结构紧凑, 它既可在井内无

2、钻柱时关闭井筒,又可在井内有钻柱时关闭套管与钻柱间的环形空间。四川石油管理局成都总机械厂在成功开发各型闸板防喷器系列产品的基础上, 应用户的要求, 于2004年6月至2005年3月, 又成功地研发了我国首台FZ 679145mm (263/4英寸 特大型钻井单闸板防喷器。目前有2台产品在长城钻井公司所属的G W 51钻井队中应用。该单闸板防喷器具有操作方便, 安全可靠等特点, 较好地满足了现场钻井施工的使用要求。技术分析1. 结构特大型钻井单闸板防喷器主要由壳体、活塞油缸总成、铰链总成、闸板总成及手动操作杆等几大部分组成, 其结构示意图如图1所示 。图1特大型钻井单闸板防喷器示意图1手动操作杆

3、总成; 2闸板总成; 3壳体; 4活塞油缸总成; 5连接螺栓; 6铰链总成2. 主要技术参数公称工作直径1:679145mm (263/4英寸 ;额定工作压力:1318MPa (2000p si ;强度试验压力:2017MPa (3000p si ;油缸工作压力:1015MPa (1520p si ;可配装闸板总成:全封闭闸板总成、 127473mm (5185/8英寸 管子闸板总成; 主通径法兰连接型式2:AP I Spec 6A 6B 679145mm , 1318MPa; 密封垫环型号:AP I Spec 6A R93; 油缸工作直径:350mm; 适用工作介质:原油、钻井液、天然气。8

4、3石油机械CH I N A PETROLEUM MACH I N ERY 2006年第34卷第7 期该特大型钻井单闸板防喷器, 采用AP I Spec 6A 法兰与其它井口设备连接, 关闭及打开闸板总成均采用液压操作, 闸板关闭后采用手动锁紧闸板轴的方法, 可实现防喷器地面控制系统泄压。设计要点1. 总体设计方案目前国内外各防喷器厂商所生产的闸板防喷器, 具备多种开关方式:式; ; 。顶部密封结构2种根据钻井工艺、使用环境、使用工作状况及主要技术性能指标的要求, 并充分考虑其可靠性、可维修性等方面的诸多因素, 确定特大型钻井单闸板防喷器的总体设计方案。通过对成都总机械厂开发的多种型号单闸板防喷

5、器的分析研究, 决定该防喷器采用:上下两端为AP I 法兰连接; 液压关闭并手动锁紧及液压打开方式; 平面形顶部密封结构。2. 关键零件的优化设计特大型钻井单闸板防喷器的壳体及侧门是该产品的重要零件。在实际工作中, 当该防喷器承受工作压力时, 壳体及侧门是直接承受压力的零件, 其承载能力能否满足设计要求, 将直接决定该防喷器研制的成败。通过对壳体及侧门按实际工作状况进行有限元受力分析, 对其进行约束和加载, 采用Solid works 2004三维设计软件进行有限元分析, 分析其变形图及应力最大点, 验证设计的合理性和安全性。(1 技术难点及解决措施特大型钻井单闸板防喷器设计制造的技术难点及解

6、决的措施是:由于该特大型钻井单闸板防喷器工作直径非常大, 以致其壳体闸板腔受力面积很大, 要求壳体具备足够的强度, 但又受到安装空间的限制, 因此选用了双法兰连接的结构形式, 既能满足强度要求又使连接更为方便;由于闸板总成外形尺寸很大, 在开关侧门时需要很大的空间, 因此采用将闸板一部分退入侧门腔中再行打开的方式, 使侧门开关更容易, 又同时减小了壳体的外形尺寸及质量;为保证壳体及侧门具备足够的强度, 笔者对其局部形状进行优化设计, 并采用Solid works 2004软件进行有限元分析, 使其结构更合理; 为使壳体及侧门这2种铸造毛坯具有可靠的质量, 笔者对铸造设备、铸造工艺、检测手段、机

7、加工工艺、热加工方法及性能试验条件均严格要求, 认真执行, 确保了研制的成功。(2 结构特点:, , , 实现地面控, 此时闸板仍然能够实现良好的密封;平面形顶部密封在关闭闸板时能建立初始密封, 在井内压力作用下, 闸板总成上浮使顶部密封压偏量增加, 密封能力增强, 井内压力越高, 该密封效果越好;壳体采用双法兰四吊耳结构便于吊装, 侧门采用使闸板退入凹槽腔中的设计, 既减轻了壳体的外形尺寸和质量, 又便于侧门的开关;闸板总成钢体采用整体式结构, 密封胶心采用分体式结构, 结构简单, 加工拆装更加方便。弹性变形及应力分析11弹性变形从计算结果知道, 壳体各部位沿不同坐标方向均有变形, 在X 、

8、Y 、Z 各轴向均存在变形。分析云图的变形比例为3521671, 壳体窗口中部在Z 轴方向的变形较大, 在静水压强度试验条件下(2017MPa , 其最大位移为01102mm, 满足设计要求。在工作状态下(1318MPa , 壳体窗口中部在Z 轴方向的变形较大, 分析云图的变形比例为7051743, 其最大位移为01057mm, 满足设计要求。21应力分析从应力及云图分析可知, 该特大型钻井闸板防喷器壳体的高应力区域主要存在于横向闸板窗口的中部。侧门的高应力区域主要存在于长度方向的中部。从应力云图及对其最大位移量的判定可知, 在压力作用下其变形量很小, 可以忽略不计。对单闸板防喷器壳体及侧门等

9、内部结构复杂的厚壁压力容器, 采用Solid works 2004分析软件进行有限元分析, 可以获得较为接近真实工作状态的应力强度分布及变形状态。从计算结果可见, 该型防喷器壳体及侧门的设计满足AP I Spec 16A 钻通设备规范的要求。(下转第52页932006年第34卷第7期肖力彤等:特大型钻井单闸板防喷器的研制 试验结果表明, 该系统工作稳定, 明显比人工手动控制响应快, 控制精度高, 试验证明了在智能井控系统中应用专家整定P I D 控制器的可行性。11应用要点(1 了解智能井控系统的组成和控制原理, 分析系统的动态特性。了解井控作业对系统控制性能的主要要求, 稳定性裕度和超调量要

10、求比一般自动控制系统稍高, 调整时间和稳态精度达到一般要求即可。(2 化而变化大的特性, (3 进行PI D (4 , 使系统性能达到要求。21注意事项(1 井控施工事关人员、设备和油气井的安全, 对控制系统工作可靠性要求高, 因此必须备有手动操作控制, PI D 控制器设计时要考虑到便于手动与自动之间切换。系统的稳定性要求必须优先保证。(2 井控节流系统工作压力很高, 因此压力超调量不允许太大, 设计和调试中特别注意在节流阀开度很小时(10%以内 超调量大, 应细心调整输出控制量的大小。参考文献1李洪人1液压控制系统1北京:国防工业出版社, 1981:2012032王树青1:化学工业出版社,

11、 2002:31LAB 1北京:机159161孙1过程控制工程1北京:中国石化出版社, 1999:3173485罗君1智能控制工程及其应用实例1北京:化学工业出版社, 2005:4849第一作者简介:王德玉, 副教授, 生于1948年, 1982年毕业于哈尔滨工业大学液压技术专业, 长期从事液压技术与石油矿场机械方面的教学与科研工作。地址:(610500 四川省成都市新都区。电话:(028 83033482。收稿日期:2006-02-08(本文编辑王志权 (上接第39页现场使用情况目前研制成功的2台特大型钻井单闸板防喷器, 已用于长城钻井公司巴基斯坦项目所属巴基斯坦G W 51钻井队承钻的AD

12、H I 17号井的钻井作业。在现场业主的监督下反复多次按AP I Spec 53推荐标准试压均成功, 达到租赁同类国外防喷器相同水准。该防喷器从2005年4月29日投入使用, 使用一个周期完成后卸下来, 共计使用40d 。这期间, 曾出现溢流、井涌, 连续关井12h, 关井套压由1124MPa 下降为零(压井后降为零 , 满足了钻井作业需要。此外, 按AP I Spec 53推荐标准, 每使用14d 试压1次, 共试压3次, 均合格。在倒换井口之后进行常规检查, 各部件均正常, 完好。现正在第2口井上使用。特大型钻井单闸板防喷器经济效益评价:虽然该防喷器单套售价为人民币100万元左右, 但在成都总机械厂研制成功之前, 全世界只有W eatherf ord 公司有5台该型产品, 单台租赁的费用相当高, 一个钻井项目周期需支付的租金约10万美金, 长期租赁的费用是无法想象的。特大型钻井单闸板防喷器研制成功后, 填补了国内的空白, 为我国钻井队节约了大额租金, 其经济效益是非常可观的。参考文献1AP I Spec 16A 钻通设备规范12004年第3版2AP I Spec 6A 井口装置和采油树设备规范