70MPa钻井液循环管汇设计与应用.pdf

2 0l 3 q 9 f fJ 】 1 2存 7 6贝 石油矿 0I L Fl ELD 场 机做 E QUI P ME NT 文 章 编 号 1 0 01 3 4 82 2 0I 3 0 9 ～ 00 7 6 0 3 7 0 MP a钻井液循环管汇设计与应用 王 臣 ， 聂永坤 ， 马永恒 ， 李 志刚 ， 翟 颖 ， 徐笑鸥 1 ． 渤海石油装备制造 有限公 司 石油机械厂 ， 河北 任丘 0 6 2 5 5 2 ； 2 ． 渤海钻探工程有 限公 司 定 向井技术服务公司 ， 河北 任丘 0 6 2 5 5 2 摘要 针对 7 0 MP a 钻 井液循 环管 汇设计 制造 中出现 的 问题 ， 分析 确定 了高压 管 汇制造 所 适 用的材 料规 格 、 密封 方案和加 Z - 工 艺 。该 系统采 用材 质 3 5 C r Mo 、 壁 厚 l 9 i l l m 的钢 管制造 ， 使 用球 面 由壬 连接 密封 ， 同时制定 了一套 完善 的加 Z - 工艺 流 程 。现 场 应 用表 明 该 钻 井液循 环 管 ； E可 承 受 1 0 5 MP a的试验 压力 ， 成 本低 ， 安装 方便 ， 适用性 广 ， 可为深 井钻机及 复杂 井提供 配套 。 关键 词 钻 井液 ； 循 环 管汇 ； 密封 ； 强度试验 ； 压 力 中图分类 号 TE 9 2 6 文献标识 码 B De s i g n a n d Re s e a r c h o f 7 0 M Pa Dr i l l i ng Fl u i d Ci r c u l a t i o n M a ni f o l d W A N 1、 - Che n ， NI E Yo n g kun ， M A Yon g he n g ， LI Z hi ga n g ， ZH AI Yi n g ， XU Xi a o OU 。 】 ． Pe P o J e H H I Ma c h i n e r y Fa f o r 3 ， 1 3 0 1 2 a i Eq u i pme m Ma n u f a c t u r i n g Co ． ， L t d ．， Re n q i u 0 6 2 5 5 2 ， C h i n a； 2 ．Di r e c t i o n al We l l Co mpan y， Bo ka i Dr i l l i ng En gi n e e r i n g Co．， Li d．， Re nq i u 06 25 5 2， Chi n a Ab s t r a c t Fo r p r ob l e ms i n de s i g n a n d m a n uf a c t u r e o f 7 0 M Pa dr i l l i n g f l ui d c i r c ul a t i o n ma ni f o l d， a n a l ys i s a n d i d e n t i f i c a t i o n we r e ma de f o r t he m a t e r i a l a n d s pe c i f i c a t i o ns， s e a l p r o gr a ms a nd pr o c e s s e s t h a t a pp l i c a bl e i n t he ma nu f a c t u r e o f hi g h p r e s s u r e ma n i f ol d ． The 35 Cr M o s t e e l pi pe wi t h i t s wa l l t hi c kn e s s 1 9 F i l m wa s u s e d f o r t he s ys t e m ， c on ne c t e d wi t h s p he r i c a l s e a l i n g u ni o n． A c o m p r e he n s i v e p r oc e s s f l ow wa s de v e l o pe d f o r i t ．Fi e l d a p pl i c a t i o n s ho ws t ha t t hi s d r i l l i ng f l u i d c i r c u l a t i o n ma ni f ol d c a n wi t h s t a nd t he h i gh e s t s t r e n gt h t e s t pr e s s u r e o f 1 0 5 M Pa ． Thi s d r i l l i n g f l u i d c i r c u l a t i o n ma n i f o l d ha s t he f e a t ur e o f I OW c o s t ， e a s y t o i ns t a l l a n d wi d e a p pl i c a b i l i t y ． I t c a n s u pp o r t m o d ul e f or de e p d r i l l i ng r i gs a nd c o m p l i c a t e d we l l s ． Ke y wo r ds d r i l l i ng f l ui d； c i r c ul a t i o n ma n i f o l d； s e a l ； s t r e n gt h t e s t ； pr e s s ur e ． “ ． - 一 - “““””” 一”” “ “一” ”“一一 - t -”． ”“ 十一” 卜 ” 卜 ” “ ” 。 ”十” “ “ 卜 ” 。 卜 一 ‘ ” ‘ ” 卜 一卜 一 ” | 卜 ” 卜 - ． 和挡 泥盘上 填料盒 安装 孔之 间的 同轴 度 。这 样钻 井 泵在工 作过 程 中 ， 中 问拉 杆 与 填料 盒 之 问 的偏 磨 量 大幅减小， 极大地延长了填料盒中密封件的使用寿 命 ， 而且密 封效果 更好 。 3 结 论 1 新 型挡泥 盘安装结 构不 但缩短 了机 架 的加 工 周期 ， 减少 了 占用 大型 机床 的时问 ， 还节约 了加工 成 本 。 2 该结卡 句 使得挡泥盘在具有 了互换性 的同 时， 还减少了填料盒与中间拉杆之间的偏磨量 ， 延长 了密封件的寿命 ， 提高了密封效果， 使得整台钻井泵 动力 端更 为安全 可靠 。 3 该 结构 在现场 使用效 果 良好 。 参考 文献 [ 1 ] 沈学海 ． 钻井往复泵 原理与设 计[ M] ． 北京 机械 工业 出 版 社 ， 1 9 9 0 1 1 4 1 1 6 ． E 2 ] 胡 俊 成．钻 井 泵 介 杆 密 封 盒 固 定 装 置 中 围 ， C N 2 0 0 8 2 0 l 0 9 5 6 0 ． 0 C P 2 ． 2 0 0 8 0 7 3 1 ． [ 3 ]王杰． 机械制造 工程学 [ M] ． 北京 北京 邮 电大 学 出 版 社 ， 2 0 0 4 ． 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 0 6 作者 简介 王 臣 1 9 8 6 一 ， 男 ， 河北保定 人， 主要从事机械加 工制造 、 固控设备 制造 、 钻井液循环 管汇制造 、 钻机联 凋配套 等 工作 ， E - ma i l c a n g l o n g 2 3 g ma i l ． C O 11 1 。 第 4 2卷第 9期 王臣 ， 等 7 0 MP a 钻井液循环管汇设计与应用 钻井 液循 环 管汇 简称 高压 管汇 是 用于 高压 喷 射 钻井 的主 要设 备之 一 ， 它将 泥浆 泵 排 出的 高压 泥 浆导 入井 内 ， 清洗 井 底 ， 携 出岩 屑 ， 完 成 钻 井工 艺 过 程 ， 并可配合固井等其他作业。该产 品具有操作方 便、 耐高压 、 管汇通用、 连接灵活等特点 。 近年 来 ， 国 内外 钻井 公 司配套 了大 量 的 高压 管 汇 ， 均为 3 5 MP a 级 别 。随着 水 平井 、 复杂 井钻 探 数 量 增 多 ， 钻 井压 力也 随之 升 高 ， 各 钻井公 司相 继提 出 7 0 MP a级别高压管 汇的需求。借 此契机 ， 利用多 年 常规 高压管汇 的设计生产经验 ， 自主研 发出 7 O MP a 甚至更高级别 的高压管汇， 同时严格按照石油 部 标 准和 AP I 标 准规 范生 产 。 管汇 承受 7 0 MP a高压 ， 焊缝 是 其 薄弱 环 节 ， 因 此 如何 改进 焊 接工艺 ， 提 高焊 缝质 量 ， 保 证焊 缝强 度 达 到 设 计 要 求 ， 同 时 通 过 改 进 工 艺 ， 使 焊 缝 达 到 P S I 3规 范级 别 ， 承受最 高 1 0 5 MP a的试验 压 力 ， 并 且 通过 磁粉 、 超 声和 射线 探伤 ， 成 为 7 0 MP a 高 压 管 汇 生产 中的主要 技术 问题 。在 此基 础上 才能 保证 产 品质量 ， 提 高生产 效率 。 l 研究成 果综述 为 提 高钻 井 液循 环 管 汇 的 承压 强 度 ， 解 决 了 承 压件 的密封和强度性能问题 ； 为保证焊口质量 ， 解决 了 承压件 的焊接技 术 问题 ， 研 究 单 面 焊 双 面成 型技 术 ； 为了使钻井液循环管汇在高压下稳定工作 ， 解决 高压 下 的焊 接工艺 及 密封 性 能 问 题 ； 研 发 各种 钻机 型号适用的高压管汇 和各种结构高压 管汇 ， 包括单 立管 、 双 立管、 可拆 装 阀门组等 ， 以扩 大产 品适用 范 围 。 7 0 MP a 钻井 液 循 环 管汇 主 体 仍 然采 用 和 低 压 力级 别钻 井液循 环 管汇 相 同的 1 0 0 3 型 球 面 由壬 ， 保 持管汇整体结构能实现快速装 卸， 整套管汇各部件 互 换性 好 ， 拆装 快 ， 并 允许 倾斜 8 。 使 用 的特 点 。地 面管线和立管可分为几节 ， 允许根据井场实际情况 自行调整使用 ， 这就要求连接件从结构、 材料、 工艺 等方面解决承压强度问题 。 主要技术参数 型号 额 定 工作压 力 公 称通 径 工作温度范围 控 制 方式 连 接 方式 密 封试 验压 力 ZG1 0 2 7 0 7 O M Pa 1 O2 mI i 1 2 9 ～ 1 2 1 ℃ 手 动 由壬 7 0 M Pa 强度试 验 压力 2材料规格及管线强度计算 7 0 MP a 钻井液循环管汇需要进行 4个方 面的 分 析计 算 。 1 检查管线在测试 、 安装 、 操作等不同载荷工 况 下 的应力 能否 满 足相 关 标 准 的要 求 ， 这 部 分 内容 通过专业软件进行分析。 2 检查设计 中所选用的管系的管道壁厚是否 满 足要 求 。 3 确定管线支撑结构处的约束反力 ， 提取出 此 反力 ， 并施 加 到结 构 框架 中 ， 对结 构 框架在 不 同的 工 况条 件下进 行相 应 的分析 计算 l_ 1 ] 。 4 管 道压 降计算 ] 。 2 ． 1 材 料规 格 7 0 MP a 钻 井 液 循 环 管 汇 采 用 材 质 为 3 5 C r Mo 的钢管， 3 5 C r Mo钢高温下具有高 的持久强度和蠕 变 强度 ， 低 温 冲击韧 度较 好 ， 工作 温 度 高温 可 达 5 0 0 。C， 低 温可 至 ～1 1 0℃ ， 并 具有 高 的静 强度 、 冲击 韧 度及较高的疲劳强度 ， 淬透性 良好， 无过热倾 向， 淬 火变 形小 ， 冷 变形 时 韧性 尚可 ， 切 削 加 工性 中等 ； 但 有第 一类 回火 脆 性 ， 焊 接 性 能 不 好 ， 焊 前 需 预 热 至 1 5 0 ～4 0 0 C， 焊 后 热 处 理 以消 除 应 力 ， 一般 在调 制 处理后 使 用 ， 也 可在 高 中频 表 面淬火 或淬火 及低 、 中 温 回火后 使 用 ] 。钢 管 执 行 GB ／ T 8 1 6 2 1 9 9 9 结 构用无 缝 钢管 的标 准和规 范 ， 提供 的所有 高压 管汇 材料 均能 满足 一 2 9 ～ 1 2 1 C 的工 作 温 度 ， 高 压 管 汇 钢管 规 格 为 o 1 4 0 mm 1 9 mm， 内 外 径 尺 寸 公 差 0 1 - n l i 1 ，钢管 本 体 必 须 调 质 处 理 ， 硬 度 达 到 1 9 7 ～ 2 2 9 HB， 经 消磁 处理 ， 并且 全部 做超声 波探 伤检 测 。 2 ． 2 管线强度计算 ] 管 道计 算壁厚 为 p D ／ e E C -P 一 7 01 0 2 ／ 2 3 2 6 ． 6 7 0 ． 9 ～7 0 一1 3 ． 7 8 式 中 为管 道 的计 算壁 厚 ， mm； P 为设计 压 力， MP a ； D 为 管 道 内径 ， mm； 为 焊 接 系 数 ， 取 0 ． 9 ； [ ] 为材料在设计温度 t 下的许用应力， 按 R ／ 与 R以 ／ 两 者 中的较小 值确 定 ， MP a 。 其 中 R ／ n 一9 8 0 ／ 3 3 2 6 ． 6 7 R ／ n 一8 3 5 ／ 1 ． 6 5 5 0 6 ． 0 6 石 油矿 场 机械 式 中 R 为材 料在设 计温 度 t 下 的抗 拉 强 度 ， MP a ； 尺 为 材料 在 设 计 温度 t 下 的屈 服强 度 ， MP a ； 为 抗 拉强 度指标 的安 全系数 ， 常温下 取 3 ． 0 ； ” 为屈 服 强度指 标 的安全 系数 ， 常温下 取 1 ． 6 5 。 管道设 计壁 厚为 一 Cl C2 1 3． 7 8 1 2． 5 1 7 ． 2 8 式 中 为管道 的 设计 壁 厚 ， mm； C 为 管 道壁 厚 负 偏差的附加值 ， mm， 按钢管标准的规定取值 ； C 为 管道壁厚 的腐蚀余量 ， F D _ I T t ， 查得 C 一2 ． 5 。 3加工工艺设计 7 0 MP a高 压 管 汇 具 有 承 压 高 的特 点 ， 因 此 对 焊缝强 度具 有较 高 的要 求 ， 并 且焊 缝 需要 经过 磁 粉 探伤、 超声探伤、 射线探伤检测及静水压强度试验合 格后才能交付使用。7 0 MP a高压管汇焊 口强度试 验压 力达 到 1 0 5 MP a ， 因此 对 焊 缝 的高 压 焊接 工 艺 进行 焊接 技术研 究 ， 最终 采 用 氩 弧焊 单 面 焊 双 面成 型技 术 ， 焊 缝在 背面直 接成 型 ， 同时确保整 个焊 缝 的 外 观质量 和力学 性能 ] 。 因此 ， 工艺 设计 的重 点在 通 过对 焊接 工 艺 要求 及工艺参数的详细控制来达到提高焊接质量、 焊接 效 率及成 品合格 率 的方法 。焊接 工艺 简图如 图 1 所 示 ， 焊接 工艺参 数如 表 1 。 图 l 焊接工艺 目前采用的焊接工艺技术可使焊缝焊接的 1次 成型 合格率 达到 9 9 以上 ， 比传 统 焊接 工 艺 焊缝 1 次成 型合 格率 提高 了 2 9 。该工艺 其 具有 6个 优点 1 焊 接效 率 好 ， 无需 再 进行 背 面 除渣 ， 清 根 ， 大 幅减少 了焊材 使用 。 2 焊缝外 观 成 型光 滑 均匀 ， 充分 保 证余 高 和 外 观质量 。 3 焊缝 质量 较 以前 提 高 ， 已经 有 十 几套 管 汇 的焊缝 检测达 到 1 0 0 标 准 I、 Ⅱ类 焊缝 的要 求 。 4 降低 工人 的劳动 强度 。 5 降低对焊工技能的依赖 ， 降低加工成本。 6 降低 了返工成本 ， 综合成本 人工、 焊材、 电 费等 节约 5 0 以上 。 表 1焊接工艺参数 4 结 论 1 对 7 0 MP a级别钻 井液 循 环管 汇 的材 料规 格 、 密封方 案和加 工工 艺进行 了分 析 ， 经 过计算 满足 整体 设计要 求 。 2 采 用 3 5 C r Mo 、 o l 4 0 mm1 9 mit t 钢 管 焊 接 加 工 管 汇 本 体 ， 承 压 强 度 高 ， 焊 接 性 能 好 ； 使 用 1 0 0 3型球面由壬连接 ， 密封性能好 ， 拆装方便 ， 互换 性 好 。该 管 汇具有 广 泛 的应 用 性 ， 可 以作 为 钻 机 的 标 准配 置装备 。 3 7 0 MP a钻 井 液 循 环 管 汇 的适 用 范 围较 宽 ， 可以提高钻机配套水平 ， 提高我国钻机整体竞争 实 力。 参考文献 [ 1 ] 于芳芳 ， 段梦兰， 郭宏 ， 等． 深水管汇设计方法及其在 荔枝湾 3 - 1气田中的应用 [ J ] ． 石 油矿场机械 ， 2 0 1 2 ， 4 1 1 2 4 2 9． [ 2 ]杨树人 ， 孙 勇 ， 孙启冀 ， 等． 海 底无保温油气混输 管道 压降计算 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 7 3 5 3 8 ． [ 3 ] 成 大 先． 机 械 设 计 手 册 [ K] ． 北 京 化 学 工 业 出 版 社 ， 2 0 0 9 ． [ 4 ] 王积伟 ， 章宏 甲， 黄 谊． 液压与气 压传 动[ M] ． 北 京 机械工业出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 5 ] 徐军华． 注塑管汇 的焊接工 艺及变形 控制 [ J ] ． 科 技资 讯 ， 2 0 1 1 1 4 9 5 9 6 ．