海洋石油鉆井平臺(tái)防噴器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維造型

1、目錄1 緒論 31.1 課題研究背景和意義 31.2 深海防噴器組國內(nèi)外現(xiàn)狀 41.3 課題研究?jī)?nèi)容 62 深海防噴器的組成及工作原理 62.1 組成結(jié)構(gòu) 62.2 工作原理 73 深海防噴器的設(shè)計(jì)要求、選配組合及材料選擇 83.1 設(shè)計(jì)要求 83.2 防噴器壓力級(jí)別選擇 93.3 單向閥的設(shè)計(jì) 103.3.1 設(shè)計(jì)參數(shù) 103.3.2 幾何尺寸的確定 103.3.3 受力計(jì)算和性能計(jì)算 113.4 減壓閥的設(shè)計(jì) 133.4.1 設(shè)計(jì)參數(shù) 133.4.2 幾何尺寸的確定 133.4.3 靜態(tài)特性計(jì)算 153.5 防噴器的選配組合 163.6 材料選擇 194 環(huán)形防噴器設(shè)計(jì) 194.1 環(huán)形防

2、噴器的組成和工作原理 194.2 環(huán)形防噴器的產(chǎn)品選型 224.3 環(huán)形防噴器三維設(shè)計(jì)圖 245 閘板防噴器 255.1 閘板防噴器的類型和工作原理 255.2 閘板防噴器的產(chǎn)品選型 285.3 閘板防噴器三維設(shè)計(jì)圖 296 鉆井四通 316.1 鉆井四通作用 316.2 鉆井四通三維設(shè)計(jì)圖 32結(jié)論 33致謝 34參考 文 獻(xiàn) 351緒論1.1 課題研究背景和意義石油的勘探鉆采作業(yè)在科技的推動(dòng)發(fā)展下，已經(jīng)漸漸成為全球經(jīng)濟(jì)的重要支柱， 推動(dòng)著現(xiàn)代社會(huì)正常運(yùn)行下去。由于世界各國對(duì)石油的需求量增長(zhǎng)，陸地鉆油采集及 對(duì)淺海域的常規(guī)開發(fā)已趨于飽和，人們將眼光延伸至廣闊的海洋，對(duì)石油的鉆采勘探 向著深水

3、和超深水領(lǐng)域發(fā)展。隨著海洋石油勘探和開發(fā)的進(jìn)程日益深入， 深水鉆井漸漸成為一種主流的發(fā)展趨 勢(shì)。如圖1-1,為海洋鉆井示意圖，標(biāo)注1-5分別為鉆井船、隔水管、水下控制箱、 環(huán)形防噴器、閘板防噴器。而保證安全鉆井最關(guān)鍵的設(shè)備，便是深海防噴器組。深海 防噴器也叫水下防噴器，在石油鉆井時(shí)安裝在井口套管頭上，用于控制井口壓力，是 井控設(shè)備中的核心設(shè)備。是海洋石油鉆井行業(yè)水下器具的部件之一，是設(shè)置在海底用 來控制和防止井噴，保證海下作業(yè)順利完成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一11,051-1 海洋鉆井示意圖防噴器最重要的作用是控制井內(nèi)壓力，防止井噴、井涌等危險(xiǎn)事故發(fā)生。在考慮到人員和設(shè)備安全的同時(shí)，也要求具有規(guī)避污染深海

4、生態(tài)環(huán)境的作用。井噴是深海石油鉆探作業(yè)安全生產(chǎn)中的重大事故，主要是由壓力作用造成的。同時(shí)，失效的元器件或是失誤的人為操作都可能會(huì)導(dǎo)致井噴、井涌的產(chǎn)生。在鉆井作業(yè)的過程中，應(yīng)該保持地層壓力，使鉆井液密度始終大于地層流體壓力【 2】 。 因?yàn)楹Ｑ筱@井的地理位置的緣故，導(dǎo)致人員及設(shè)備的救援困難性大大提升了，深水防噴器組的安全性能和可靠性要求也相應(yīng)變得極其高。深海防噴器組集電子、機(jī)械、液壓等多項(xiàng)技術(shù)于一體，技術(shù)含量高，產(chǎn)品附加值高。鉆井作業(yè)的水下深度、油氣層壓力和海底至目的層深度的不同，會(huì)導(dǎo)致深海防噴器組不同配置的產(chǎn)生。目前深海防噴器組已經(jīng)成為深海鉆井生產(chǎn)能夠安全作業(yè)的重要技術(shù)手段，也是石油工業(yè)走向海

5、洋的的基礎(chǔ)。1.2 深海防噴器組國內(nèi)外現(xiàn)狀美國從 20世紀(jì) 50年代開始研究生產(chǎn)水下防噴器，經(jīng)過三十年速度發(fā)展。90年代，Shaffer研發(fā)了以快速更換閘板為特點(diǎn)的NEXT型閘板防噴器。2008年，美國JAMESI.LIVINGSTONEH青了一個(gè)井下防噴器專利，分為兩部分：能夠與井壁形成環(huán)形空間和內(nèi)部通道的內(nèi)管。同時(shí)該防噴器還還一個(gè)單向閥和球閥，分別負(fù)責(zé)關(guān)閉井下防噴器的環(huán)形通道和內(nèi)部通道【 3】 。近年來，為使用井口回壓較高的欠平衡鉆井，美國Williams 公司研發(fā)出了7000型和 7100 型高壓旋轉(zhuǎn)防噴器。該款防噴器有2 個(gè)環(huán)形膠芯，大大提升了密封的可靠性。在深水防噴器組的設(shè)計(jì)生產(chǎn)、安

6、全性能檢測(cè)方面，國外的防噴器公司積累了很多經(jīng)驗(yàn)。和深海防噴器組有關(guān)的科技一直被國外所壟斷，國內(nèi)廠商完全只能依靠進(jìn)口。從我國對(duì)于防噴器制造方面使用的規(guī)范性文件來看，一九八五年是一個(gè)分水嶺。一九八五年以前，國內(nèi)生產(chǎn)的防噴器型號(hào)都表示為KPY （ KPY為勘探液壓防噴器的漢字拼音字母）公稱通徑一最大工作壓力的形式。其中cm是公稱通徑的標(biāo)準(zhǔn)單位并且取其圓整值，kg/cm2是最大工作壓力的標(biāo)準(zhǔn)單位 。如型號(hào)為KPY23-210的防噴器， 其最大工作壓為210kg/cm2,公稱通徑為230cm。一九八五年以后，防噴器型號(hào)的字 頭仍然由漢語拼音字母組成。如圖 1-2,為一九八五年以后的防噴器型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，公稱

7、通徑的單位不變，而最大工作壓力的單位則改變，以 MPa表示。例如型號(hào)為FZ23- 21的單閘板防噴器，具最大工作壓力為 21MPa,公稱通徑為230mm。1985以后： qI 景火工作壓力. 以MPa為單位。 I公鉛通置，以cm為單住回整a I防嘖器型號(hào)代碼： 國外代碼；FZ單詞扳份嘖器R-Ram2FZ 雙兩板防噴蓼Rd -Double Rams 3FZ 三問扳防噴毒Rt -Three Rams FH 環(huán)形防嘖暴 A -Annular S -Spool圖1-2 1985 年后防噴器型號(hào)2008年，為了打破國外對(duì)深海防噴器技術(shù)上的壟斷，我國正式立項(xiàng)“3000米深海防噴器組及控制系統(tǒng)的研制” 課題

8、。2012年10月，國內(nèi)首套3000米深水防噴器組 及其控制系統(tǒng)，被華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司研制并通過國家科技部驗(yàn)收。作為 國家“ 863”計(jì)劃“南海深水油氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)與裝備”的子課題之一，該項(xiàng)目 的成功研發(fā)，填補(bǔ)了我國防噴器制造方面的不足甚至空白，是我國石油鉆采作業(yè)的重 大突破，具有極其深遠(yuǎn)的意義。以目前國內(nèi)海工行業(yè)的發(fā)展水平來看，海洋工程可以以其深度劃分為海岸、淺海 和深海工程。如何改善石油鉆井平臺(tái)，以便適應(yīng)深水、超深水等環(huán)境作業(yè)的安全性能 要求，是未來深海防噴器設(shè)計(jì)所一直追求的目標(biāo)。目前國內(nèi)自主設(shè)計(jì)的深海防噴器，大多是在國外成熟設(shè)計(jì)的產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，一旦修改幅度過大，便會(huì)產(chǎn)

9、生各類的 問題。究其原因，缺乏創(chuàng)新，對(duì)設(shè)計(jì)理念的本質(zhì)的理解匱乏才是根本。1.3 課題研究?jī)?nèi)容當(dāng)今情況下，我國海洋油氣開發(fā)已經(jīng)有近四十年歷史,但從科技和創(chuàng)新的角度來看深水防噴器組的生產(chǎn)制造技術(shù)主要被國外的少數(shù)大型公司所壟斷。國內(nèi)對(duì)于深海防噴器的相關(guān)研究與國際第一列隊(duì)的科技相比存在很大差距，基本處于劣勢(shì)地位。為此，如何在較短時(shí)間內(nèi)突破國外相關(guān)技術(shù)壟斷，努力進(jìn)入世界水平第一梯隊(duì)，適時(shí)進(jìn)入深海、超深海油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域，形成具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)裝備體系，是我國石油工業(yè)急需解決的難題【 5】 。本文主要完成以下研究?jī)?nèi)容：1 .根據(jù)防噴器結(jié)構(gòu)示意圖，考慮提高自動(dòng)化程度，其精準(zhǔn)要求和安全要求，制定 設(shè)計(jì)

10、海洋井口防噴器的總體設(shè)計(jì)方案；2 .選擇合理的總體設(shè)計(jì)方案，利用 SolidWorks軟件開展防噴器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件 的詳細(xì)設(shè)計(jì)；3 .利用軟件設(shè)計(jì)海洋鉆井平臺(tái)防噴器的三維造型。2 深海防噴器的組成及工作原理2.1 組成結(jié)構(gòu)防噴器是鉆井井口裝置的主要組成部分。它是保安全、快速、優(yōu)質(zhì)鉆開高壓油、 氣層的關(guān)鍵設(shè)備。海底防噴器組具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)易，耐高壓耐腐蝕等特點(diǎn)。同 時(shí)因?yàn)樘幵诤Ｑ蟓h(huán)境下工作，需要耐腐蝕耐低溫，其性能必須絕對(duì)可靠。防噴器作為鉆油作業(yè)環(huán)節(jié)中十分重要的一環(huán)，需要具備以下的特點(diǎn)：1 .動(dòng)作迅速。環(huán)形防噴器的液動(dòng)封井時(shí)間通常小于 30秒，閘板防噴器的液動(dòng)封井 時(shí)間通常為38秒，而打開

11、液動(dòng)放噴閥的時(shí)間則通常為 3秒。2 .操作方便，安全可靠。井口防噴器的開，關(guān)均采用液壓操作。3 .現(xiàn)場(chǎng)維修方便。無論是閘板防噴器的閘板，還是環(huán)形防噴器的膠芯，如果壞了 都可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修和更換。圖2-1 一般防噴器三維建模深海防噴器組通常由環(huán)形防噴器、閘板式防噴器組成，如圖 2-1,為一般防噴器 的三維模型圖，由上至下分為一個(gè)環(huán)形防噴器、三個(gè)閘板防噴器和一個(gè)管道四通。深 海防噴器組的性能要求隨著水下深度的增加，也變得越來越高，防噴器組的高度變化 會(huì)影響下部結(jié)構(gòu)。尤其是在無導(dǎo)向純作業(yè)的情況下，這就需要防噴器與下部結(jié)構(gòu)留下 足夠的間隙。2.2工作原理鉆井過程中地層流體壓力大于井液密度， 液控系統(tǒng)的

12、高壓油進(jìn)入左右液缸關(guān)閉腔,推動(dòng)其活塞帶動(dòng)左右的閘板沿閘板室限定的軌道同時(shí)向井口中心移動(dòng)。閘板防噴器的閘板有四種，包括全封式和半封式。其中全封式閘板可以封住整個(gè)井口，而當(dāng)有鉆桿存在的時(shí)候，半封式可以封住井口的環(huán)形斷面。根據(jù)閘板防噴器傳遞的信號(hào)源，系統(tǒng)性地由下至上，一層一層實(shí)現(xiàn)防噴器的封井動(dòng)作。若最后若仍未實(shí)現(xiàn)封井動(dòng)作，則在緊急情況下啟動(dòng)最上層的環(huán)形防噴器，可處理任何尺寸的鉆具和空井。3 深海防噴器的設(shè)計(jì)要求、選配組合及材料選擇3.1 設(shè)計(jì)要求防噴器的技術(shù)要求：1. 滿足水下三千米的壓力要求，設(shè)計(jì)出海洋鉆井平臺(tái)防噴器的總體設(shè)計(jì)；2. 設(shè)計(jì)海洋鉆井平臺(tái)防噴器的三維造型。防噴器的工作要求：1. 根據(jù)示

13、意圖，制定海洋井口防噴器的總體設(shè)計(jì)方案；2. 選擇合理的總體設(shè)計(jì)方案，開展防噴器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)。3.2防噴器壓力級(jí)別選擇API颯工作引力KPaCpfii）法蘭或壓板尺寸* in>量4委直幅 ffluK In)API懶工作技力MPM psi）法蘭或壓板尺寸riftf in）最小垂直孔徑rm（ E；5C0pii3 5( 500)1749 3(29'/a)749.京 29'/*)戰(zhàn)詢 500。）539.rn1/ 47 3f 183/ 4215 tlf乙) 346. H 13"/53% 取 211/旭ww 我5.僅16"憶>34B. <

14、2CM)-"679.5C26*/4>50B. * 20)679.5( 26*，*)53s. 8( 21")425.5f IE。.】1明7ft 10000)5耨他219/ 476.界 18，) 42S.6(16Vd) S4C4(13*/.)539.飄 ZIV - 47531臚J 425.僅 169一 3M.N13,簿2X3000)679 5( 2九) £08.0(20) 3U1,BC12 2&4 0C101 203 258) 152.4(6)6.5(洗：刀 B27J(20*Z4) 346 J心小J 275.4(H> 如.6 】理.4(7】“小15

15、M105H 5000】279.4(1 卜 l?9.4(7l/1e>279g家43表3-1 API推薦防噴器尺寸深海防噴器的工作環(huán)境是水下三千米，根據(jù)公式：P = Pgh（公式 3-1）3式中一一水的密度：一 二1000kg/m引力取 g =10N/kg計(jì)算得水下三千米壓力p=30MPa深海三千米的液壓防噴器一般不會(huì)選用造耐壓艙，原因是質(zhì)量太重且海域狀況不 一樣。如今選用的相對(duì)完善方案是壓力補(bǔ)償?shù)姆绞?，即利用壓力補(bǔ)償器使防噴器內(nèi)部 壓力和環(huán)境壓力一致。這樣設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)就和常規(guī)一樣，降低系統(tǒng)的密封要求的同時(shí)， 也減小了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的尺寸。則p=30M2=60M Pa（公式 3-2）如表3-1,考

16、慮到深海工作環(huán)境的復(fù)雜性，采取 API為15M的防噴器，最小垂直1 .、孔徑選擇為179.47 /16)mm。3.3 單向閥的設(shè)計(jì)3.3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)單向閥的額定壓力60MPa,額定流量200L/min,設(shè)低開啟壓力20MPa,其壓力損 失為0.4 MPa。設(shè)高開啟壓力40MPa,其壓力損失為0.8 MPa。3.3.2 幾何尺寸的確定(1)進(jìn)、出油口直徑：d >4.63 隹=26.73mml'Vg(公式 3-3)式中Qg額定流量200 C L/minVg 進(jìn)、出油口直徑d處油液流速，取Vg =6 (m/s)取 d=38mm。(2)閥座內(nèi)孔直徑DzDz=d-(13)(公式 3-4)

17、取 Dz =36mm。二 z 二45(3)閥芯錐角的半角和閥座錐角的半角（公式3-5）二二 - - z （1 3 ）（公式3-6）取 =461(4)錐閥閥口最大開口量Omax“m a x-C二Dzsi nz;2g.R（公式3-7）將額定流量Qg=200lL/ min,流量系數(shù)C=0.77,閥座內(nèi)孔直徑Dz=36mm,閥芯錐角的半角% =46:重力加速度g=9.8m/s2,油液重度尸=1.03父104kg號(hào)1 o低開啟壓力損失Aps1 = 0.4MPa時(shí),3max1'6.1mm；高開啟壓力損失*2=08MPa 時(shí),°max -4.3mm通過額定流量時(shí)，錐閥閥口開口量低開啟壓力損

18、失ps1 = 0.4MPa, 3 =6.1mm ;高開啟壓力損失Ps2 =0. 8MPa,=4.3mm(5)閥芯徑向孔直徑dj':二 VajZj4Qg（公式3-8）Qg = 200L/mm, Vaj = 6m / S , Zj為閥芯徑向孔數(shù)，取Zj = 4。計(jì)算得出dj 13.3mm。3.3.3 受力計(jì)算和性能計(jì)算(D閥芯將開始移動(dòng)時(shí)所受的液壓作用力FkqFkq =T【Pkq4（公式3-9）低開啟壓力下Pkq1=20MPa Fkq=20358 N;高開啟壓力下pkq2 =40MPa,Fkq=40715N。(2)錐閥閥口處在設(shè)定的壓力損失ps下，油液作用于閥芯上的液壓力 FayFayDz

19、Ps（公式3-10）低開啟壓力損失下Rl=0.4MPa , Fay=407N;高開啟壓力損失下42=0.8MPa, Fay =813NO(3)閥芯運(yùn)動(dòng)阻力Fv二DLVFv 二 :（公式3-11） r閥芯與閥體孔的配合直徑 D=36mm閥芯與閥體孔的接觸長(zhǎng)度L=80mm,閥芯運(yùn)動(dòng)-3速度V=0.25m / s,油液動(dòng)力粘度,7.2 10 Pa 's,閥芯與閥體孔的單邊配合問=0.003mm,帶入得 Fv = 5.4N。(4)錐閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力FwFw =CDz、Pssin2： z（公式3-12）錐閥流量系數(shù)C=0.77,閥座內(nèi)孔直徑Dz=36mm,閥芯錐角半角4=46。低開啟壓力損Psi

20、= 0.4MPa , ： = 6.1mm ,Fw = 266N;高開啟壓力損失Ps2=0.8MPa ,、=4.3mm,Fw =299NO3.4 減壓閥的設(shè)計(jì)3.4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)減壓閥的額定壓力pg=60MPa,額定流量Qg=200L/min,調(diào)壓范圍21 MPa-55MPq 流量變化進(jìn)口壓力變化引起的出口壓力變化量的允許值0. 5 MPa,外泄漏量允許值0.1L/min。3.4.2 幾何尺寸的確定(1)進(jìn)、出油口直徑,“ Qg “ 八d _4.63, g = 26.73mm'Vg(公式 3-13)式中Qg額定流量200 L/minVg 進(jìn)出油口直徑d處油液流速，取Vg=6 m/s取 d

21、=28mm。(2)主閥芯大直徑D和小直徑”從強(qiáng)度考慮1d1 -D2(公式 3-14)通過主閥芯與閥體間環(huán)形通道的流量公式為：Q 二 (D2 -d12)V4(公式 3-15)d1 =- D上式中流量Q以額定流量Qg帶入，環(huán)形通道種油液流速V VM6m/s,取 2,則轉(zhuǎn)化公式得到：D -2.2 Qg（公式3-16）將額定流量帶入，得D *31.1mm ,取D=32mm ,d1 ,=16mm。(3)阻尼孔直徑d0和長(zhǎng)度L0理論上:d0 =0.8 1.2mm（公式3-17）L0 =70 250mm（公式3-18）取 d0=1.0mm, L°=200mm。(4)主閥口最大開口量,1max為了閥

22、口在最大開口量- '1max時(shí),油液流經(jīng)閥口不產(chǎn)生擴(kuò)散損失，應(yīng)使開口面積Dimax不大于主閥芯與閥體間環(huán)形截面積（D2 -di2）o即:（公式3-19）將D,4帶入，得到.1max =6mm。(5)導(dǎo)閥芯錐角半角導(dǎo)閥過流面積和導(dǎo)閥芯與導(dǎo)閥座的接觸應(yīng)力的大小與"2有關(guān)，匕值小，過流面積和接觸應(yīng)力大，反之就小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取 口2 =2013.4.3靜態(tài)特性計(jì)算(1)主閥芯最小位移量x1min和最大位移量x1max最小位移量Xlmin ：_QgX1 min - ' '1 max ',2 ,、C1 D (pg - p2max)* p(公式 3-20)最大位移

23、量x1max :_Qgx1 max -、' 1max:2 ,、C1-：D (pg 一 p2min)' p(公式 3-21)式中：x1max主閥口最大開口量，Qg額定流量，C1主閥閥口流量系數(shù)，取C1 =0.6, D主閥芯大直徑，P液壓油密度，pg額定壓力，p2max出口最高調(diào)定壓力，比出口 最低調(diào)定壓力。將數(shù)值帶入，得 x1min=6.3mm, x1max=6.4mm。(2)主閥彈簧剛度Kr1和預(yù)壓縮量Xr12p8s - g0_G _ Kr1Xnp ACnD(2max-Xi) a- A A(公式 3-22)式中：Ap油液流過阻尼孔所造成的壓力降，G主閥芯重力，A主閥芯大直徑D處

24、 截面積，%主閥口液流角，取%=66, x1主閥芯位移量。常設(shè)定pmm'n > O.IMPa ,印max - APmin +0.2Mpa ,主閥彈簧剛度Kr1和預(yù)壓縮量Xr1 ,可以通過作圖法來求得 Kr1=382N/mm。由于閥芯重量產(chǎn)生的壓力相對(duì)于其他的壓力很小，所以A項(xiàng)，可以省略將 x1 =Xmax ,4訕，Kr1 帶入,得到 Xr1=-3.8mm(3)最低調(diào)定壓力和最高調(diào)定壓力時(shí)，阻尼孔所造成的最低壓力降和最高壓力降 的核算Kri(X,i+Xi)+GA2pcos： 1(16.67Qg)ACi 二 D(、imax -Xi)(公式3-23)將 x1min = 6.3mm ,

25、X1max =6.4mm,帶入得:2pcos：1(16.67Qg)ACi R ' imax-x1max )(公式3-24)pmax2Kr1(Xr1 +x1)+Gpcos%(16.67Qg)AC1 D (- i max - ximin )(公式3-25)得 Pmin =0.2MPa,pmax =0.34MPa。3.5防噴器的選配組合深海防噴器組合的合理性和安全性，取決于石油鉆井作業(yè)時(shí)的危險(xiǎn)性和井身結(jié)構(gòu)、 交通運(yùn)輸條件、人員技術(shù)素質(zhì)、深海壓力氣象海流、工藝技術(shù)難度、防護(hù)程度、深海 流體類型和環(huán)境保護(hù)要求等諸多因素。簡(jiǎn)而言之，要求安全、合理和低成本。選擇防噴器組合時(shí)，主要考慮因素：1.通徑大

26、小。公稱通徑應(yīng)該與其套管的尺寸想匹配。2 .耐壓能力。對(duì)于可能出現(xiàn)的預(yù)期壓力，壓力等級(jí)必須大于其井口最高壓力3 .類型和數(shù)量。在空井或井內(nèi)有鉆具的情況下，能夠保證迅速并正常關(guān)井1 ADC使用級(jí)別作業(yè)條件工作壓力 MPa< os i)防噴器組的組成部分11輕型14< 2000)2個(gè)閘板防噴髀或】個(gè)能夠封閉開孔的環(huán)形防 噴器，2個(gè)出口.3.低壓21( 3000)2個(gè)閘扳防噴器和1個(gè)環(huán)形防噴器.2個(gè)出口一1I5M10M|15M中壓商壓超高壓35<5000)7(k 10000)105(150孫2個(gè)閘板防噴器"和1個(gè)環(huán)形防噴器。2個(gè)出口一3個(gè)順板防咬器a和1個(gè)環(huán)形防噴器，善種

27、尺 寸的環(huán)形防噴器均叮用35兆帕"口優(yōu)” 1）的_ _ _ _ k表3-2 IADC推薦防噴器組套管四通事FZ*S +F2+FZ+FH套管四通+S+FZ+F2+FZ+FH套管四通+F2+S+FZ +FN+FH+旋轉(zhuǎn) BOP圖3-3 常見的70MPa 105MPa井口防噴器組合形式防噴器的設(shè)計(jì)、制造均按照 API Spec 16Ag范。如表3-2和圖3-3分別為IADC推薦的防噴器組合和常見的70MPa 105MPa井口防噴器組合形式。本文防噴器脫變于“海洋石油981”超深水鉆井裝置中的防噴器組合。如圖3-4,6179.4 mm鉆桿正常作業(yè)期間，可首選 力179.4 mm管子閘板達(dá)到長(zhǎng)

28、期關(guān)井的效果。而如果不能有效關(guān)井，則可依次選擇關(guān)閉兩個(gè)變徑閘板中的任意一個(gè)；若還不能有效 關(guān)井，則選擇關(guān)閉另一個(gè)變徑閘板。在這種情況下，可提供使用的力179.4 mm鉆桿的閘板已經(jīng)有三個(gè)之多。所以在 6179.4 mm鉆桿作業(yè)中，有一個(gè) 6179.4 mm管子閘板防噴器的同時(shí)，還有兩個(gè)變徑閘板防噴器可以選擇，其可靠性已經(jīng)達(dá)到了三重冗余 性地標(biāo)準(zhǔn) 。三重冗余性不僅使用簡(jiǎn)單，無需時(shí)間和科研的投入，而且可以在理論上達(dá)到零故障的效果。卜環(huán)形防噴故噴管n生管萌切陋故t '(4F0 127 (I N» J 77 ilK»nun華的川標(biāo)k-Xx1L t , WK <XV H

29、Q 22'm.m-的*I Ig225mm管/M板* 49325mE測(cè)國用梅i, 丁丁44M圖3-4 "海洋石油981 ”防噴器組配置示意圖3.6 材料選擇高壓高溫應(yīng)用正在推動(dòng)石油和天然氣勘探和生產(chǎn)技術(shù)的限度。高溫高壓加上惡劣環(huán)境的存在對(duì)油井管來說意味著一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的情況下。在這種情況下,要求管道不僅包括特征相關(guān)的材料特性,還有連接屬性和幾何公差都要滿足設(shè)計(jì)件。材料的性能要求包括在各種溫度下的力學(xué)性能。此外，如果硫化氫是存在于環(huán)境中，抗硫化氫應(yīng)力腐蝕是必需的，這也取決于其他環(huán)境條件。由于二氧化碳、氯化物含量和高壓環(huán)境的存在，高度腐蝕速率對(duì)材料性能是個(gè)極大的挑戰(zhàn)。由于深海三千米

30、復(fù)雜的工作環(huán)境，防噴器材料不僅需要耐高壓，還要考慮到海水對(duì)防噴器材料的腐蝕問題。為此，深海防噴器材料選擇采用鉻鎳鉬(25CrNiMo) ，強(qiáng)度高，切削性好，淬透性低。焊接性差，焊前需經(jīng)高溫預(yù)熱，焊后需消除應(yīng)力。防腐蝕。防噴器承壓件均使用防硫材料的鍛件，防噴器表面鍍鋅，防噴器內(nèi)接觸高壓油的部位需要滿足NACE MR-0175抗硫化氫應(yīng)力腐蝕。4 環(huán)形防噴器設(shè)計(jì)4.1 環(huán)形防噴器的組成和工作原理環(huán)形防噴器是由于其封井元件膠芯， 呈環(huán)狀而得名。以前也曾稱萬能防噴器，多效能防噴器或球形防噴器。從結(jié)構(gòu)上來講，環(huán)形防噴器的種類較多。目前根據(jù)膠芯形狀常用類型分為錐形防噴器、球形防噴器和組合防噴器，一般與閘板

31、防器配套使用。如圖 4-1 和4-2，分別為球形防噴器和錐形防噴器自上而下的結(jié)構(gòu)分析圖。環(huán)形防噴器能完成以下作業(yè)：1 .當(dāng)井內(nèi)存在鉆具時(shí)，能夠密封各種形狀和尺寸的鉆桿；2 .當(dāng)井內(nèi)沒有鉆具時(shí)，能夠短時(shí)間全封井口；3 .當(dāng)使用緩沖儲(chǔ)能器時(shí)，能夠進(jìn)行強(qiáng)行起下鉆作業(yè)。環(huán)形防噴器的工作原理是：環(huán)形防噴器頂蓋和殼體通過螺栓連接，通過在活塞缸上下的兩個(gè)液壓孔，可以控 制活塞缸內(nèi)活塞的上下運(yùn)動(dòng)。鉆井時(shí)，鉆桿從防噴器通孔穿過，自然狀態(tài)下活塞處于 活塞缸底部，膠芯處于開閉狀態(tài)。當(dāng)井底高壓油向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，流經(jīng)支持筒將活塞向上 推動(dòng)，使膠芯產(chǎn)生向上運(yùn)動(dòng)的力。同時(shí)膠芯又被頂蓋和墊片抵住，被迫向中心擠壓形 成密封，封閉井

32、口。圖4-1球形防噴器結(jié)構(gòu)分析圖圖4-2錐形防噴器結(jié)構(gòu)分析圖4.2 環(huán)形防噴器的產(chǎn)品選型本文的環(huán)形防噴器選擇錐形防噴器。錐形防噴器的殼體與頂蓋均過經(jīng)熱處理，生產(chǎn)較為容易，成本較低，其外徑小于其它類型的環(huán)形防噴器，但高度較高。目前錐形膠芯類環(huán)形防噴器的殼體與頂蓋連接有三種形式：爪塊連接、大絲扣連接、法蘭連接。錐形防噴器的關(guān)鍵零件在于膠芯，具有如下特點(diǎn)：1 .膠芯外側(cè)面呈園錐形，錐面母線與膠芯軸線夾角為20。25°膠芯，橡膠硫化在 支承筋腹板的四周；2 .井壓助封。如圖4-3， 為錐形防噴器的井壓助封原理圖。井內(nèi)壓力作用在活塞下端，推動(dòng)活塞上行，從而使膠芯閉合更加緊密；圖4-3井壓助封原

33、理圖3 .貯膠量大，膠芯筋板之間的橡膠均可擠向井口形成密封；4 .膠芯工作以后逐步復(fù)原，能完全恢復(fù)到自環(huán)形防噴器膠芯由狀態(tài)，不影響鉆具 通過；5 .更換膠芯容易;6 .壽命可測(cè)。華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司作為目前全球最大陸地防噴器制造商， 一直關(guān)注 中國海洋石油裝備的國產(chǎn)化，并在國家的大力支持下，研制出國內(nèi)首套 3000米深水 防噴器組及其控制系統(tǒng)。本文選取榮盛公司生產(chǎn)的 FHZ18-70型號(hào)的環(huán)形防噴器，具 技術(shù)參數(shù)如表4-4:【技術(shù)參數(shù)表】項(xiàng)目型號(hào)環(huán)影防噴器產(chǎn)貂代號(hào)(F附)量品IK宮)外形尺寸(外篌高)(mm)通往群水壓試隨壓力額定工作壓力液控系統(tǒng)強(qiáng)度工作壓力二液控?cái)喽üぷ鲏毫Ψ忾]苣柱推

34、與液控工作壓力RS11185溶31490 x125017S.4 mm (7 V16")105 MPa (15,000 psi)70 MPa (10,0g PSI)31.5 MPa 4,500 PSD14 MPa (2+000 psi)-：10.5 MPa (七 1,500 0si)FHZ18 70開啟一次股芯所需泊號(hào)(L)27關(guān)閉一次膠瓶所需汕量(L)36密封范圍(mm)0179.4液壓控制管線接口螺紋NPT1溫度等級(jí)T20 ( 23-120 (根據(jù)具體含咫可能有變化)表4-4 FHZ18 70環(huán)形防噴器技術(shù)參數(shù)表4.3 環(huán)形防噴器三維設(shè)計(jì)圖如圖4-5為本文設(shè)計(jì)的環(huán)形防噴器三維模型圖

35、，其中 1、2部分為頂蓋和殼體。9 部分為墊片，起密封作用。5部分為膠芯。4部分為活塞，高壓油向上頂時(shí)，活塞會(huì) 隨之向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)膠芯向中心運(yùn)動(dòng)，起到封閉井口作用。3部分為支持筒，高壓油流經(jīng)的地方。6、7、8部分為螺栓，起連接作用圖4-5環(huán)形防噴器三維模型圖5閘板防噴器5.1閘板防噴器的類型和工作原理作為井控裝置重要的組成部分之一，閘板防噴器具有使用安全、開關(guān)靈活、維修 簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。閘板防噴器按其閘板室的數(shù)量可分為單閘板防噴器、雙閘板防噴器和三 閘板防噴器三類。常見的閘板防噴器的結(jié)構(gòu)由以下部件組成：殼體、缸蓋、活塞、鎖緊軸、油缸、閘板活塞桿、和側(cè)門 。按閘板本身的結(jié)構(gòu)可以分成全封、半封、剪切

36、和變徑。如圖5-1至5-4,分別為全封閘板、半封閘板、剪切閘板、變徑閘板。圖5-1全封閘板圖5-2半封閘板圖5-3剪切閘板圖5-4 變徑閘板閘板防噴器的外形類似方形，中間有供各類閘板水平運(yùn)動(dòng)的閘板室。閘板防噴器 的上下部有三種連接方式：法蘭連接、栽絲連接、卡箍連接。閘板防噴器的用途如下:1 .當(dāng)井內(nèi)沒有鉆具時(shí)，能夠全封井口；2 .當(dāng)井內(nèi)存在鉆具時(shí)，能夠封閉套管與鉆具之間的環(huán)形空間；3 .在特殊情況下，可以使用剪切閘板切斷鉆具，實(shí)現(xiàn)封井目的；閘板防噴器的工作原理:當(dāng)閘板關(guān)閉時(shí)，高壓油進(jìn)入油缸關(guān)閉腔，高壓油向上運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)活塞、活塞桿?；钊麠U推動(dòng)閘板向中心運(yùn)動(dòng)，使左、右閘板總成沿著閘板室內(nèi)導(dǎo)向筋限定

37、的軌道，分別向井口中心移動(dòng)，達(dá)到封井的目的。5.2 閘板防噴器的產(chǎn)品選型閘板防噴器具有以下特點(diǎn)：1 .閘板浮動(dòng)。保證其密封可靠。2 .閘板自動(dòng)清砂。閘板室內(nèi)部有波浪形曲線，退閘時(shí)可以起到清砂作用。3 .井壓助封。在井內(nèi)有壓力的情況下，會(huì)產(chǎn)生一種向上的助封推力。井內(nèi)壓力愈大，其助封力愈大。4 .閘板自動(dòng)對(duì)中。閘板上有凹凸的槽門，方便關(guān)閘時(shí)的自動(dòng)對(duì)齊。本文中的閘板防噴器以榮盛公司生產(chǎn)的2FZ18 105 型號(hào)的鍛件閘板防噴器為原型，其技術(shù)參數(shù)如下：I技術(shù)參 數(shù)表】項(xiàng)目單通厥防度爨即闡囁功喳將型號(hào)FZli-105JFZ10 105產(chǎn)品代號(hào)CP/N)曰1冏R(shí)sme-i上部聯(lián)結(jié)型式靠駕技理法蘭呈堤栽埋法

38、蘭下蛔結(jié)型貳落空韓叁活性法攔藕絲法蘭外形尺寸(長(zhǎng)度)L (mm)1Q76ifira外眼尺寸：其度】哂tEE)&90多尺寸(育flt】H85日"2TBn國s)2520g9U通往17S .4 mm(7 " W 部水(E試驗(yàn)H力157,5 (22500 口機(jī))戒定工作壓力1Q5 MPa (15,OTQ 0W)硬層就定工柞石力51 MPa (3.0M csi)旭薦液控提作壓力8 4-10.5 MPo (1.200 -500 psi)開向一副用械斯霜:田尾(L>U關(guān)閑一副同板斯森用M ：13現(xiàn)已法口不眠比規(guī)格(NPT1冬麥等班T75 "58121七j可配給闡褪

39、助格全封，2 W . ? 7.3 1.2* *翦切表5-5 FZ18-105 閘板防噴器技術(shù)參數(shù)表5.3 閘板防噴器三維設(shè)計(jì)圖如圖5-6,為雙閘板防噴器的三維模型圖。1部分為閘板防噴器的殼體，3和4部 分為側(cè)門和側(cè)門腔，6部分為活塞桿，7部分為鎖緊裝置外殼，8和9部分為剪切閘板 總成，10部分為全封閘板總成，2和5為螺栓，起連接作用。圖5-6 雙閘板防噴器三維模型圖如圖5-7,為三閘板防噴器的三維模型圖，其中 1部分為閘板防噴器的殼體，3和4部分為側(cè)門和側(cè)門腔,6部分為活塞桿,7部分為鎖緊裝置外殼,8、9部分為半 封閘板總成，9部分為變徑閘板總成，2和5為螺栓，起連接作用圖5-7雙閘板防噴器三

40、維模型圖6鉆井四通6.1 鉆井四通作用鉆井四通是裝配于防噴器組合之間的承壓件，可以連接防噴器和套管頭。密封面 使用堆焊不銹鋼，增強(qiáng)抗腐蝕能力，提高使用壽命。在組合間形成主側(cè)通道，利用側(cè) 孔可以安裝節(jié)流管匯，適用于高壓油井的鉆井作業(yè)，四通側(cè)口接上相對(duì)應(yīng)的管線與閥 門可進(jìn)行放噴和節(jié)流作業(yè)。6.2 鉆井四通三維設(shè)計(jì)圖如圖6-1,為鉆井四通三維模型圖。它具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1 .可直接安裝在兩個(gè)閘板防噴器之間，或與套管頭相連；2 .其額定工作壓力與防噴器組合一致；3 .側(cè)孔可以是法蘭或卡箍式連接；4 .通徑大于最內(nèi)層套管的最大內(nèi)徑或等于防噴器組合的最大通徑。圖6-1鉆井四通三維模型圖結(jié)論現(xiàn)如今，在國外的

41、深水防噴器組已用于工程實(shí)踐多年的同時(shí)，我國關(guān)于在防噴器 領(lǐng)域的研究卻處于一個(gè)正在起步的階段。我國防噴器組的密封件質(zhì)量不夠過硬，且用 于防噴器產(chǎn)品的材料種類單一，甚至有些技術(shù)性材料需要引進(jìn)。這可能是由于防噴裝 置是油井鉆探中非常重要的設(shè)備的緣故，因此其相關(guān)的實(shí)驗(yàn)必須謹(jǐn)慎，循序漸進(jìn)。隨 著對(duì)鉆油作業(yè)中的安全性能和可靠性越來越重視，國內(nèi)的深水防噴器組正在漸漸向高可靠性、智能化、高系統(tǒng)壓力、三重冗余等方向發(fā)展。隨著深水防噴器技術(shù)的不斷研究，深海防噴器不斷向安全化、海洋化發(fā)展，同時(shí) 鉆油作業(yè)的水深也不會(huì)僅僅停留在水下三千米得程度。 我們可以想象未來的石油勘探 開發(fā)水域，具深度必將隨著技術(shù)的提高而不斷加深。為降低深海油井勘探開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)、 確保我國海洋鉆井作業(yè)的施工安全、促進(jìn)深海防噴器組技術(shù)的突破與跨越，關(guān)于防噴 器組及其控制系統(tǒng)的研究勢(shì)在必行。目前，我國石油鉆井作業(yè)中的深水、超深水防噴器組的相關(guān)研究仍然遵循著其領(lǐng) 域內(nèi)的基本原理，遠(yuǎn)沒有其他領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展迅速。雖然我國防噴器領(lǐng)域有著一定的 發(fā)展，防噴器市場(chǎng)也一直在壯大，但是同世界先進(jìn)水平相比仍需努力。我國防噴器行 業(yè)想要增強(qiáng)自身的競(jìng)爭(zhēng)，必須在核心技術(shù)的研