特大型钻井单闸板防喷器的研制.pdf

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 杨登树 四川石油管理局成都总机械厂 摘要 为满足用户的要求,在成功开发各型闸板防喷器系列产品的基础上,又成功地开发了 我国首台特大型钻井单闸板防喷器。该防喷器采用API 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。现场使用情况表明,它能满足钻井作业需要。按API Spec 53推荐标准,每使用14 d 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,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FZ679145 mm 26 3/4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 W51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 ] 679145 mm 26 3 /4英寸 ; 额定工作压力 1318 MPa 2 000 psi ; 强度试验压力 2017 MPa 3 000 psi ; 油缸工作压力≤1015 MPa 1 520 psi ; 可配装闸板总成全封闭闸板总成、127～ 473 mm 5～18 5 /8英寸管子闸板总成; 主 通 径 法 兰 连 接 型 式 [2 ] API Spec 6A 6B679145 mm, 1318 MPa; 密封垫环型号 API Spec 6A R93; 油缸工作直径 350 mm; 适用工作介质原油、钻井液、天然气。 83 石 油 机 械 CHI NA PETROLEUM MACHI NERY 2006年 第34卷 第7期 该特大型钻井单闸板防喷器,采用API 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① 手动关闭及手动打开方 式;② 液压关闭并手动锁紧及液压打开方式;③ 液 压关闭并液压锁紧及液压打开方式。 闸板结构外形有圆弧形顶部密封结构和平面形 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器的分析研究,决定该防喷 器采用① 上下两端为API法兰连接;② 液压关闭 并手动锁紧及液压打开方式;③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 works2004三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决的措施是 ① 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; ② 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; ③ 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; ④ 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 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 该防喷器具有以下特点 ① 由于该防喷器关闭闸板后具有井内压力助封 的功能,因此当活塞油缸在液压作用下关闭闸板后, 用手动操作杆将锁紧轴锁紧活塞杆使闸板不能自行 打开时,即可将关闭油缸的压力卸掉,实现地面控 制系统泄压,此时闸板仍然能够实现良好的密封; ② 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; ③ 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; ④ 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、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 20 17 MPa ,其最大位移为01102 mm,满足设计要求。 在工作状态下 13 18 MPa ,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01057 mm,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API 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PI 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根据被控对象具有增益随节流阀开度变 化而变化大的特性,确定控制策略。 3进行PI D参数整定和间接专家控制器设计。 4调试系统,调整参数设置,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 201～203 2 王树青 1工业过程控制工程 1北京化学工业出版社, 2002 157～164 3 魏克新 1MATLAB语言与自动控制系统设计 1北京机 械工业出版社, 2004 159～161 4 蒋慰孙 1过程控制工程 1 北京中国石化出版社, 1999 317～348 5 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 48～49 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 W51钻井队承钻的ADH I17号井的钻井作业。 在现场业主的监督下反复多次按API 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40 d。这期间, 曾出现溢流、井涌,连续关井12 h,关井套压由 1124 MPa下降为零压井后降为零 , 满足了钻井 作业需要。此外,按API Spec 53推荐标准,每使 用14 d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Weatherford 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 1 API Spec 16A 钻通设备规范 12004年第3版 2 API Spec 6A 井口装置和采油树设备规范 12003年第 19版 第一作者简介肖力彤,高级工程师,生于1964年, 1985年毕业于西南石油学院矿业机械专业,现从事石油钻 采机械设备的设计及制造工作,任研发中心主任。地址 618300四川省广汉市。电话0838 5151048。E - mailxiaolitong2000Vip1com。 收稿日期 2006 - 03 - 31 本文编辑 赵连禄 25 石 油 机 械2006年 第34卷 第7期