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        組合式防噴器試驗裝置的研究

        2017-10-17 08:38:19馬輝杜學斌徐能惠任明杰金屬材料擠壓與鍛造國家重點實驗室中國重型機械研究院股份公司
        新商務周刊 2017年7期
        關鍵詞:噴器閘板試驗裝置

        文/馬輝 杜學斌 徐能惠 任明杰,金屬材料擠壓與鍛造國家重點實驗室;中國重型機械研究院股份公司

        組合式防噴器試驗裝置的研究

        文/馬輝 杜學斌 徐能惠 任明杰,金屬材料擠壓與鍛造國家重點實驗室;中國重型機械研究院股份公司

        隨著全球范圍內(nèi)對石油、天然氣開發(fā)利用的不斷普及與深化,油氣資源開采已逐步轉(zhuǎn)向環(huán)境惡劣的偏遠陸地以及海洋地區(qū),鉆井的服役條件也越來越惡劣。鉆井要求防噴器具有更優(yōu)化的性能和結(jié)構(gòu),相應對防噴器試驗裝置的要求也越來越嚴格。組合式防噴器試驗裝置為四層實驗平臺組合測試裝置,可以進行強行起下鉆、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動和懸掛加載等試驗,可以進行三十多種項目的測試,可為防噴器的研發(fā)設計提供試驗依據(jù),是防噴器研制不可缺少的環(huán)節(jié)。

        鉆井;防噴器;試驗裝置

        前言

        在鉆井過程中,當遇到高壓油、氣、水層時,如果該油、氣、水層的壓力大于循環(huán)泥漿液柱的壓力,或者由于起下鉆作業(yè)對井筒產(chǎn)生抽吸作用,降低了井筒壓力,油、氣、水就會從地層進入循環(huán)泥漿中,引起泥漿的密度下降,粘度升高,泵壓下降,泥漿進少出多,泥漿池液面升高。當油氣侵入嚴重時,從井中返出的泥漿中有強烈的天然氣和原油的氣味,泥漿有氣泡,井口有外涌現(xiàn)象,進而產(chǎn)生井噴現(xiàn)象。

        如果不能及時控制住井噴,往往會引發(fā)火災、爆炸,尤其是海上鉆井,一旦井噴失去控制引起火災,在難以救援的茫茫大海上,大量的油氣無節(jié)制地燃燒,不僅會釀成井毀人亡、污染海洋,同時可能使一個有價值的油氣田枯竭失去開發(fā)價值,造成難以估量的損失。

        隨著石油天然氣工業(yè)的迅速發(fā)展,防噴器發(fā)展的也尤為迅速。當發(fā)生井噴時,防噴器能完成相應操作,為安全鉆井提供了保障,保護了鉆井人員、鉆井設備以及油氣井的生產(chǎn)安全,防噴器一旦失效,將導致井噴惡性事件發(fā)生,因而是整套鉆井系統(tǒng)中最重要的裝備之一。

        防噴器試驗裝置是對防噴器做全面性試驗的必備設備,是保證防噴器性能乃至整個鉆井系統(tǒng)安全生產(chǎn)的關鍵設備之一。隨著全球范圍內(nèi)對石油、天然氣開發(fā)利用的不斷普及與深化,油氣資源開采已逐步轉(zhuǎn)向環(huán)境惡劣的偏遠陸地以及海洋地區(qū),鉆井的服役條件也越來越惡劣。鉆井要求防噴器具有更優(yōu)化的性能和結(jié)構(gòu),相應對防噴器試驗裝置的要求也越來越嚴格。因此,防噴器試驗裝置對防噴器和鉆井的安全意義重大。

        1 防噴器的簡介

        美國是世界上最大的防噴器生產(chǎn)國,主要制造商有Cameron、Hydril和Shaffer等幾家公司。這些公司的產(chǎn)品各具特色,代表了當今世界先進水平。

        近十幾年來,Shaffer公司研制出540mmx70MPa高壓大通徑閘板防噴器,用于強行起下鉆的雙阻尼防噴器;Hydril公司生產(chǎn)了180mmx140MPa超高壓和762mmx21MPa大通徑閘板防噴器,以及710mmx21MPa分流器系統(tǒng);Cameron公司推出了103mmx175MPa的超高壓防噴器,并研制出具有閘板和環(huán)形兩種防噴器功能的Annuram防噴器。隨著欠平衡鉆井工藝的推廣普及,Shaffer公司研制了PCWD旋轉(zhuǎn)防噴器,保持了其球形防噴器壽命長的優(yōu)點,采用液壓操作主動密封方式,動密封壓力可達28MPa。Williams的產(chǎn)品繼承了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)控制頭自緊密封的特點,在此基礎上采用多項高新技術,其7100型的動密封壓力達17.5MPa。

        我國的防噴器技術依賴于國外,防噴器的發(fā)展相對落后,試驗裝置單一且檢測能力有限。為滿足油氣勘探開發(fā)對防噴器日益嚴格的要求,美國石油學會于1999年發(fā)布了API Spec 16A《鉆井通道設備》第二版,對防噴器的材料、設計、制造、試驗、檢測和質(zhì)量控制等方面做了詳細而嚴格的要求,特別是增加了橡膠密封件的高低溫性能及試驗方法的規(guī)定。我國防噴器組的試驗和檢驗執(zhí)行標準為:GB/T20174-2006《石油天然氣工業(yè)鉆井和采油設備鉆通設備》。

        2 防噴器試驗裝置的現(xiàn)狀

        國內(nèi)外對防噴器的質(zhì)量性能極為重視,各制造商都投入大量人力物力進行研制開發(fā)。我國防噴器的一些功能試驗要求的也越來越全面,生產(chǎn)的防噴器需要抽樣送到石油工業(yè)井控裝置質(zhì)量監(jiān)督檢查中心做功能性試驗,保證防噴器的可靠性。

        我國的防噴器試驗裝置的試驗功能相對比較單一,圖1為我國某安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院早期的防噴器試驗裝置,能夠?qū)崿F(xiàn)密封性能試驗、疲勞試驗、強行起下鉆壽命試驗、剪切閘板試驗、懸掛試驗、閘板可接近性試驗和閘板鎖緊裝置,相關試驗功能簡單,不能完全滿足檢測需要。

        3 組合式防噴器試驗裝置(見圖2)

        3.1 組合式防噴器試驗裝置,可以實現(xiàn)對防噴器產(chǎn)品、閘閥、油管懸掛器、套管懸掛器的各種性能綜合測試和試驗,可以進行三十多種項目的測試,為防噴器的生產(chǎn)提供了更可靠的參數(shù)和依據(jù)。

        3.2 技術工藝路線和實施方案

        3.2.1 防噴器試驗裝置主機設備的設計研究

        圖1 防噴器試驗裝置照片

        圖2 組合式防噴器試驗裝置主機斷面圖

        根據(jù)工藝分析,為了滿足防噴器的測試項目,防噴器試驗機設計為一個半封閉式載荷框架,采用預應力重型螺桿連接,保證試驗機穩(wěn)定性。試驗機分為4層,上面三層都安裝在移動車上,移動車采用液壓插銷缸帶動插銷定位,可快速完成拔銷、移動、定位等操作。

        第一層是底座,底座內(nèi)裝有模擬井口,防噴器就安裝在井口上。為平衡過鉆桿時的井壓變化,有一組蓄能器與模擬井口相連。

        第二層是懸掛加載主油缸,做閘板防噴器的懸掛試驗。對于不同高度的防噴器,可用鉆桿短接調(diào)節(jié)。在這里也可以做套管頭懸掛器的載荷試驗。

        第三層安裝旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置,做旋轉(zhuǎn)防噴器的動壓試驗。旋轉(zhuǎn)動力來自于一臺大扭矩的液壓馬達,驅(qū)動轉(zhuǎn)盤帶動鉆桿旋轉(zhuǎn)。

        第四層安裝往復油缸,做強行起下鉆壽命試驗。油缸和導向桿與移動橫梁上部連接,移動橫梁下部與鉆桿連接。

        待機狀態(tài)時,三個移動車都后退到待機位置,這時可進行防噴器的吊裝作業(yè)。開始試驗時,根據(jù)需要把某一個移動車前進到工作位置,自動定位后就可進行試驗。做動壓試驗時,第四層的往復油缸還可以輔助第三層的動壓試驗,鉆桿在旋轉(zhuǎn)的同時,做小幅度的往復運動。第二、四兩層配合工作,可以方便的進行鉆桿拆裝。

        3.2.2 試壓裝置的設計

        試壓裝置包括防噴器試壓裝置、井口試壓裝置和閘閥試壓驅(qū)動裝置,能完成室溫下防噴器的試驗、室溫下閘閥的動態(tài)試驗、以及井口裝置在室溫下的試驗。

        3.2.3 氣壓試驗系統(tǒng)的設計

        該系統(tǒng)為氣壓試驗提供高壓氮氣,包括增壓系統(tǒng)、制氮系統(tǒng)、控制箱。

        3.2.4 水壓系統(tǒng)的設計

        該系統(tǒng)是用水作為介質(zhì)對防噴器進行水壓試驗,包括增壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)(控制箱、閥箱)。低壓空氣作為驅(qū)動力源,三級增壓方式,一級為大流量低壓泵,增壓至30Mpa,可獨立進行多個試驗過程中低壓測試;二級為中壓中等流量,壓力增壓至160Mpa,可進行某些試壓件最終試壓工作;三級為高壓小流量增壓泵,壓力增壓至230Mpa,可進行高壓測試。同時,當試壓件容積較大時,可與二級增壓泵一起啟動提高增壓速度。

        3.2.5 防噴器非金屬密封設計溫度驗證裝置

        該裝置用于防噴器非金屬密封設計溫度驗證試驗,高低溫試驗裝置由箱體、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、測控系統(tǒng)組成。

        3.2.6 PR2試驗裝置

        該裝置用來完成PR2級閥門和PR2級懸掛器的試驗,包括高低溫動態(tài)循環(huán)、壓力溫度循環(huán)、載荷循環(huán)、帶載荷的壓力溫度循環(huán)。

        該裝置由高低溫試驗箱、懸掛器加載壓機、閥門驅(qū)動裝置和工作車等設備構(gòu)成。

        3.2.7 數(shù)據(jù)測控和視頻監(jiān)控系統(tǒng)

        該系統(tǒng)操作控制試驗設備和動力設備,采集壓力、溫度、扭矩、位移等數(shù)據(jù),通過計算機軟件分析并實時顯示記錄存檔。視頻監(jiān)控系統(tǒng)輔助操作控制,重要實時錄像可作為第三方認證的重要依據(jù)。

        3.6.8 液壓電氣控制設計

        液壓控制系統(tǒng)為試驗提供動力,滿足防噴器試驗機和其他設備加載及加載速率的要求.

        電氣控制系統(tǒng)為試驗設備提供用電,編制相應的工藝軟件和程序。

        4 國內(nèi)防噴器試驗裝置展望

        防噴器試驗裝置用于對防噴器進行測試評估,為井控裝置的核心設備起到了至關重要的把關作用。防噴器試驗裝置使用,優(yōu)化了防噴器的使用安全系統(tǒng),提高鉆井速度及質(zhì)量,最大限度的發(fā)現(xiàn)和保護油氣藏。使井噴惡性事件發(fā)生概率大大降低,為安全鉆井提供了保障,為社會和環(huán)境帶來了可觀的長期效益。

        防噴器試驗裝置是防噴器試驗必不可缺少的測試設備,但是目前國內(nèi)廠家生產(chǎn)的防噴器都要送往國家專業(yè)的質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心來抽檢試驗,而試驗設備都是從國外進口的,所以組合式防噴器試驗裝置的研究開發(fā)將替代國外同類產(chǎn)品。為了生產(chǎn)合格的防噴器產(chǎn)品,制造廠家對開發(fā)的新產(chǎn)品隨時進行檢驗,這也將帶動防噴器試驗裝置的需求。

        組合式防噴器試驗裝置為四層實驗平臺組合測試裝置,可以進行三十多種項目的測試,可為防噴器的研發(fā)設計提供試驗依據(jù),是防噴器研制不可缺少的環(huán)節(jié),市場前景非常好。

        5 結(jié)束語

        組合式防噴器試驗裝置具有很高的技術競爭力,并且完全具有自主知識產(chǎn)權。隨著油井深度的不斷加深,鉆探的難度越來越大,鉆井的使用工況不斷惡化,對防噴器的功能要求也越來越嚴格和全面,組合式防噴器試驗裝置可以對防噴器進行多方面的性能測試,在防噴器的研發(fā)設計和安全測試方面由著廣闊的應用前景。

        [1]任鋼峰,王定亞,毋永鋒等.深水鉆井防噴器系統(tǒng)關鍵設備技術研究,石油礦場機械,2014(12):95-98

        [2]萬秀琦,李毅,宋林松等.旋轉(zhuǎn)防噴系統(tǒng)試驗裝置的研制,石油礦場機械,2005(3):71-73

        [3]王百戰(zhàn),白文雄,樊勇等.便攜式井口防噴器試壓裝置研制與應用,石油礦場機械,2011(12):83-86.

        [4]發(fā)明專利[P]:馬輝,徐能惠,杜學斌等.一種多功能組合式井口井控產(chǎn)品試驗裝置.中國,ZL201510449467.9.2017.

        [5]實用新型專利[P]:馬輝,任明杰,杜學斌等.一種旋轉(zhuǎn)防噴器動壓試驗裝.中國,ZL201520619010.3.2016.

        馬輝(1984-),男,工程師,主要從事油氣輸送設備及工藝研究,鍛壓設備

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