旋转防喷器动态模拟试验台架研制

旋转防喷器动态模拟试验台架研制刘先明;刘勇;刘强;孙翊成;陈科旭;李琼【摘要】InordertoconducttheRCDperformancetestmaintenanceandthenewRCDproductresearchanddevelopment,theRCDdynamicsimulationtestequipmentisdeveloped.Thisequip-mentismainlycomposedofmechanicaltransmissionsystem,hydraulicsystem,electricalcontrolsystem,dataacquisitionandprocessingsystem,remotemonitoringandcontrolsystem,whichhasreasonablestructureandenoughfunctionstosatisfytherequirements.AccordingtotheGB/T25430—2010andAPI16RCD,theexperimentalresultsshowthattheequipmentcanmeettheRCDtestrequirementsundervariousoperatingconditions.ThetestequipmentcannotonlytestthereliabilityoftheRCD,butalsocanprovideexperimentbasistoresearchanddevelopthenewRCD.%为进行旋转防喷器的性能测试、检修和新产品研发,研制了旋转防喷器动态模拟试验台架.该试验台架主要由机械传动系统、液压系统、电气控制系统、数据采集和处理系统、远程监控系统组成.室内试验表明，能够按照国家标准GB/T25430—2010和API16RCD规定进行旋转防喷器在各种工况条件下的动态模拟试验.利用该试验台架,不仅可以检验旋转防喷器的可靠性,同时为开展新型旋转防喷器研发提供试验依据.【期刊名称】《石油矿场机械》【年(卷),期】2016(045)005【总页数】4页(P76-79)【关键词】旋转防喷器;动态模拟;试验台架【作者】刘先明;刘勇;刘强;孙翊成;陈科旭;李琼【作者单位】川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院欠平衡及气体钻井试验基地,四川广汉618300;川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院欠平衡及气体钻井试验基地,四川广汉618300;渤海装备辽河重工有限公司,辽宁盘锦124010;川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院欠平衡及气体钻井试验基地,四川广汉618300;川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院欠平衡及气体钻井试验基地,四川广汉618300;川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院欠平衡及气体钻井试验基地,四川广汉618300【正文语种】中文【中图分类】TE921.507旋转防喷器是欠平衡/气体及控压钻井工艺技术的关键设备和井口安全控制系统的重要设备［1-3］。在实施带压钻井作业时，旋转防喷器用以密封钻杆与方钻杆，并在允许的井口压力条件下旋转钻进；在实施带压起下钻具等其他带压作业中，用以封隔井口环空压力，并通过规定尺寸的钻具及其接头。因此，旋转防喷器的可靠性直接影响到现场钻井作业的安全和效率。为保证旋转防喷器使用性能，在现场使用前必须进行相应的试验和检验。根据GB/T25430—2010《钻通设备旋转防喷器规范》⑷以及APISpec16RCD《钻通设备旋转控制装置》［5］的有关要求，研制出旋转防喷器动态模拟试验台架［6-7］，并运用该台架进行样机强度、静密封、动密封等模拟试验，效果良好。旋转防喷器动态模拟试验台架主要由机械传动系统、液压系统、电气控制系统、数据采集和处理系统、远程监控系统组成。开展动态模拟试验时，首先固定好旋转防喷器底座法兰，安装旋转总成并锁紧，插入试验钻杆，并将其与试验转盘下方的旋转主轴连接好，启动电气控制系统驱动直流电动机转动，电机主轴通过转矩传感器和联轴器带动转盘、旋转主轴、钻杆转动，实现旋转防喷器性能试验的旋转运动，控制液缸可以实现试验钻杆的上下往复运动，同时利用数据采集和处理系统实现试验数据的实时采集和参数调整，模拟旋转防喷器各种工况。1.1机械传动系统机械传动系统的主要作用是支撑转盘、旋转主轴和加载液缸，将电机的转动和液缸的加载压力传递到试验钻杆，如图1所示。旋转主轴和加载液缸固定在4个立柱的长方体支架上，转盘则安装在水平连接板中间。同时承载加压液缸载荷，提供试验所需的加载压力。为了保证试验过程操作方便和预留功能扩展空间，在试验台架下面设计了一个长、宽、深分别为9m、5m、5m的地坑，地坑中设计有水平推力液缸、运行轨道和井口法兰，便于安装旋转防喷器试件。该机械传动系统具有结构紧凑，布局合理，使用方便等优点。液压系统液压系统主要用于控制加载液缸、水平推力液缸、垂直压入液缸等3个液缸的动作，液压系统原理如图2所示。当交流电动机启动液压泵后，液压油箱里的液压油经过过滤器、油泵和阀组、蓄能器、高压油管后进入液缸无杆腔，推动液缸中的活塞杆向下运动，提供给旋转主轴加载压力。卸载时液压油进入液缸有杆腔后推动活塞杆收回。采用蓄能器可以提高加载速度并减少试验时的振动效应。水平推力液缸和垂直压入液缸用于将旋转防喷器试件移到井口和将钻杆插入到旋转总成胶芯中，试验操作更加方便。电气控制系统电气控制系统主要控制试验过程中直流电机的启动与停止、液压泵的启动与停止、加载液缸的伸缩、水平推力液缸的伸缩、垂直压入液缸的伸缩等，同时可以调节直流电机的转速和液缸加载压力的大小，实现旋转防喷器在不同转速和钻压条件下的模拟试验。1.4数据采集系统数据采集系统主要利用自主编制的旋转防喷器动态模拟试验软件，实时采集和记录旋转防喷器动态模拟试验过程中的钻压、转矩、转速、加载液缸移动位移、液压系统压力、旋转防喷器壳体温度等动态参数。利用该软件可以设置或改变相关运动参数，实现旋转防喷器在不同工况下的模拟试验，具有较高的远程操控能力，能满足自动化操作。1.5远程监控系统旋转防喷器动态模拟试验属于高压试验，压力级别高达70MPa，在试验过程中，为了方便监测关键部位的泄漏，利用高清摄像头和视频采集卡实时监测各设备的运转情况，保证试验人员安全。旋转防喷器动态模拟试验台架主要技术参数如表1所示。按照GB/T25430—2010以及APISpec16RCD的要求，该技术参数能够满足现有最高压力等级旋转防喷器的室内试验，能够满足各种工况条件下的动态模拟试验，主要包括：承压件强度试验、整机静密封试验、旋转动密封试验、旋进动密封试验、以及密封胶芯过钻杆接头试验。同时还可以开展井口防喷器和井下工具的功能性试验。利用该试验台架，先后成功研发了XF系列主动密封旋转防喷器和XK-21/35(220)型旋转防喷器。以新研发的XK-21/35(220)型旋转防喷器室内性能测试试验为例，利用该试验台架开展了样机壳体静水压强度试验、额定静压试验、额定动压试验、胶芯拆装试验和承压起下钻寿命试验。壳体静水压试验时，试压孔注入压力至53.6MPa，稳压15min，无可见渗漏。整机额定静水压试验时，旋转总成内安装0127mm(5英寸)胶芯，密封0127mm试验钻杆，两次分别注入压力至1.8MPa和35.87MPa，稳压10min，如图5，各密封处未见渗漏。额定动压试验时，依次控制注入压力和对应转速，即，0MPa、30r/min，21MPa、60r/min，17.5MPa、90r/min，14MPa、120r/min，累计试验时间超过200h，轴承表面温度55°C,各密封部位未见渗漏。胶芯拆装试验时，每次保压期间压降值在0.23-0.74MPa，卡箍连接处未见渗漏。承压起下钻试验时，控制起下钻速度为305mm/s，压力为7.0MPa±0.5MPa,上下行程为1524mm，试验芯轴在胶芯内做往复运动，累计通过1005个钻具接头，密封性能良好。室内试验结果表明,旋转防喷器工作性能稳定,各项性能指标达到设计要求。为开展新型旋转防喷器研制提供试