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(河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

防噴器的可靠性研究是鉆井裝備制造行業(yè)和使用單位一直關(guān)注的問題，對(duì)防噴器進(jìn)行承壓起下鉆模擬試驗(yàn)是檢測(cè)防噴器可靠性的重要手段。API Spec 16A規(guī)范要求檢測(cè)防噴器性能，需進(jìn)行防噴器承壓起下鉆壽命試驗(yàn)。在規(guī)定滲漏率的情況下，要求鉆桿在一定井壓、一定速度下通過關(guān)閉的防噴器，檢驗(yàn)防噴器的密封能力，并記錄試驗(yàn)期間的井筒壓力和起下鉆速度[1]。河北華北石油榮盛機(jī)械制造公司承擔(dān)了國家的深水鉆井防噴器組及控制系統(tǒng)研制任務(wù)，設(shè)計(jì)制造了F48-70型水下防噴器組。為檢測(cè)防噴器組性能，需進(jìn)行承壓起下鉆試驗(yàn)。調(diào)研了國內(nèi)幾家檢測(cè)機(jī)構(gòu)，雖有類似的承壓起下鉆試驗(yàn)裝置，但在起下鉆速度、防噴器放置空間等方面均達(dá)不到要求。為保證水下防噴器組有較高的可靠性，依據(jù)鉆井作業(yè)的實(shí)際工況和工作參數(shù)，研制了能夠模擬35 MPa帶壓井筒，起下鉆速度600 mm/s的試驗(yàn)裝置。此試驗(yàn)裝置可進(jìn)行水下防噴器組性能試驗(yàn)，還能夠完成旋轉(zhuǎn)防噴器及其他常規(guī)防噴器的承壓起下鉆試驗(yàn)和技術(shù)研究。該試驗(yàn)裝置有助于增強(qiáng)防噴器檢測(cè)和試驗(yàn)?zāi)芰?，提高防噴器膠芯的質(zhì)量，為防噴器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[2-3]。

1 總體技術(shù)方案

研制的防噴器承壓起下鉆模擬試驗(yàn)裝置由液壓控制系統(tǒng)、井口系統(tǒng)、蓄能器緩沖系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。其中，液壓系統(tǒng)為試驗(yàn)裝置提供起下鉆所需的起升和下壓動(dòng)力，能夠精確控制起下鉆速度和行程，模擬起下鉆過程[4]。井口系統(tǒng)包括模擬井筒及增壓裝置，用于建立試驗(yàn)過程中封閉帶壓環(huán)境，實(shí)現(xiàn)井筒增壓、穩(wěn)壓、安全泄壓等功能。蓄能器緩沖系統(tǒng)用于穩(wěn)定鉆桿在起下過程中由于體積變化帶來的井筒壓力波動(dòng)[5-6]。電氣控制系統(tǒng)由配電裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、電液比例閥組、數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)等組成。能夠依據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)定井筒壓力、起下鉆速度、起下鉆行程等，實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)過程中各項(xiàng)數(shù)據(jù)和變化曲線，并生成試驗(yàn)報(bào)表。

試驗(yàn)裝置主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)裝置技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件研制

2.1 液壓動(dòng)力及控制系統(tǒng)

液壓動(dòng)力及控制系統(tǒng)主要包括泵組控制單元、液壓油箱冷卻單元、防噴器控制單元、壓力檢測(cè)裝置等。液壓動(dòng)力及控制系統(tǒng)三維模型如圖1。

1—油箱單元；2—電機(jī)泵組；3—蓄能器；4—比例控制閥組；5—儀表盤；6—冷卻裝置；7—過濾裝置。

泵組控制單元采用5臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)恒壓變量泵并聯(lián)供液，單泵排量270 mL/r，系統(tǒng)總流量為2 025 L/min。單組電機(jī)功率為90 kW，裝機(jī)總功率為450 kW。系統(tǒng)工作壓力由主泵設(shè)定，電比例閥TDA控制起下液壓缸往復(fù)運(yùn)行的速度和方向轉(zhuǎn)換，起下油缸兩側(cè)設(shè)有溢流閥，用于限制油缸兩腔的最高壓力。泵組出口、起下油缸塞腔和油缸桿腔配置壓力表及壓力傳感器，用于觀察和記錄液壓系統(tǒng)工作壓力。液壓油箱總?cè)莘e為10 000 L。液壓系統(tǒng)配置單獨(dú)的循環(huán)冷卻裝置來控制油溫，冷卻裝置采用風(fēng)冷形式，循環(huán)流量為1 000 L/min，散熱功率為135 kW。防噴器控制單元采用1臺(tái)高壓葉片泵提供油源，系統(tǒng)流量為295 L/min。配置50 L蓄能器，蓄能器出口壓力由比例減壓閥設(shè)定，能夠精確調(diào)節(jié)井液滲漏量。泵出口及防噴器關(guān)腔和開腔配置壓力表及壓力傳感器，可以觀察和記錄系統(tǒng)工作壓力[7]。

2.2 井口系統(tǒng)及起下裝置

井口系統(tǒng)由模擬井筒、升高法蘭、轉(zhuǎn)換短節(jié)組成。模擬井筒和升高短節(jié)采用28-35規(guī)格連接法蘭，?280 mm通徑，井筒深度2 000 mm。升高短節(jié)預(yù)留4個(gè)25.4 mm(1 英寸)SAE法蘭接口，用于連接緩沖井壓的蓄能器組。連接法蘭上開NPT 1型接口,連接軟管線及測(cè)量容器，計(jì)量試驗(yàn)過程中泄露量[8]。起下裝置由液壓缸和起升框架組成，液壓缸用于帶動(dòng)試驗(yàn)芯軸運(yùn)動(dòng)，連接短節(jié)與液壓缸用起升框架連接，框架采用圓柱形筒形結(jié)構(gòu)，對(duì)稱開觀察孔，用于觀察試驗(yàn)鉆桿的起下情況。各部件之間采用止口定位。連接短節(jié)與防噴器連接法蘭上加工定位孔，配定位銷軸定位。裝置如圖2所示。

2.3 井口增壓系統(tǒng)

井口增壓系統(tǒng)的最高試驗(yàn)壓力為35 MPa。系統(tǒng)主要有大流量注水單元、高壓增壓?jiǎn)卧蛪毫刂崎y組組成，系統(tǒng)核心部件采用Haskel型氣動(dòng)增壓泵，增壓泵可在0.6 MPa的低壓空氣驅(qū)動(dòng)下，將介質(zhì)水增壓至35 MPa。壓力控制閥組集中在控制閥匯上，配合電氣控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高壓泵自動(dòng)升壓、自動(dòng)卸壓、容器自動(dòng)卸壓、自動(dòng)保壓、分段試壓等控制功能。系統(tǒng)一但超壓，安全閥自動(dòng)彈起，將多余壓力泄放，保證系統(tǒng)使用安全[9]。

井口增壓系統(tǒng)原理如圖3所示。

1—起下鉆液壓缸；2—活塞軸；3—試驗(yàn)芯軸；4—轉(zhuǎn)換法蘭；5—升高法蘭；6—模擬井筒；7—防噴器；8—起升框架。

圖3 井口增壓系統(tǒng)原理

2.4 電氣控制系統(tǒng)

承壓起下鉆試驗(yàn)臺(tái)的電氣部分主要由配電裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)等組成。采用西門子S7-1200 型PLC和7-200smart型PLC作為主控制器，組成分布式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)、高壓試驗(yàn)控制、數(shù)據(jù)采集等功能[9-10]。系統(tǒng)的操作指令由工控機(jī)和觸摸屏組成的人機(jī)界面下達(dá)給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)指令控制電動(dòng)油泵的起停及電液比例控制裝置來驅(qū)動(dòng)主液缸實(shí)現(xiàn)給定的起下速度和行程。液缸內(nèi)部安裝有位置速度傳感器，可實(shí)時(shí)采集主液缸的位置和速度信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)起下速度和距離的精確控制。電控系統(tǒng)操作臺(tái)如圖4。

圖4 電控系統(tǒng)操作臺(tái)

3 現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)

進(jìn)行了2FZ 48-70型水下防噴器的承壓起下鉆試驗(yàn)。起下鉆速度速度設(shè)定為600 mm/s,井筒壓力設(shè)定為21 MPa，完成了5 635 m行程承壓起下鉆試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中井壓波動(dòng)為18.9～22.7 MPa，控制在10%偏差范圍內(nèi)。試驗(yàn)過程中電子測(cè)溫儀測(cè)量鉆桿溫度為14～18 ℃；井筒內(nèi)水溫20.7 ℃。試驗(yàn)芯棒總重力約8 kN，起下鉆液缸下行時(shí)塞腔壓力12 MPa，下行力為437.2 kN，膠芯對(duì)鉆桿摩阻力為69 kN，約占總下行力的16%，接近理論計(jì)算數(shù)值。直至試驗(yàn)結(jié)束,防噴器關(guān)閉壓力為5 MPa，防噴器密封性能良好，滿足API 16A設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 2FZ48-70型雙閘板防噴器承壓起下鉆試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

4 結(jié)論

1) 該試驗(yàn)裝置能夠模擬35 MPa井筒帶壓環(huán)境和600 mm/s起下鉆速度，可用于防噴器承壓起下鉆模擬試驗(yàn)，為防噴器使用性能和密封膠芯的可靠性研究提供有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2) 對(duì)2FZ 48-70型雙閘板防噴器進(jìn)行承壓起下鉆試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合API 16A設(shè)計(jì)規(guī)范要求，證明該試驗(yàn)裝置滿足防噴器性能測(cè)試要求。

3) 井口系統(tǒng)用于模擬井筒帶壓環(huán)境，不僅用于承壓起下鉆試驗(yàn)，也可為防噴器的水壓試驗(yàn)和氣密試驗(yàn)提供一個(gè)良好的測(cè)試平臺(tái)。

4) 起下鉆試驗(yàn)速度達(dá)到600 mm/s時(shí)，井壓波動(dòng)為18.9～22.7 MPa，接近10%壓力波動(dòng)偏差，如果進(jìn)行更大井壓載荷試驗(yàn)，需增加蓄能器緩沖單元容積。

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[1] API Spec 16A.Specification for Drill Through Equipment[S].Third Edition.2004.

[2] API Spec 16D. Specification for Control Systems for Drilling Well Control Equipment[S].2004.

[3] API STD 53. Blowout Prevention Equipment Systems for Drilling Wells[S].2012.

[4] 顧和元，侯國慶，郭雪，等.水下防噴器組控制系統(tǒng)深水模擬試驗(yàn)裝置研制[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42(4):1-5.

[5] 吳國輝，許宏齊，張寧，等.防噴器控制系統(tǒng)的蓄能器容積計(jì)算[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014， 43(6):27-30.

[6] 左其川，趙煥寶，雷廣進(jìn)，等.不壓井作業(yè)模擬試驗(yàn)裝置的研制[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42(9):69-70.

[7] 許宏奇，侯國慶，陳艷東，等. “3000米深水防噴器組及控制系統(tǒng)的研制”科技報(bào)告[R].中國科學(xué)技術(shù)信息研究所， 2014,738736188-2007AA09A101/01.

[8] 肖文生，于桂杰.起下鉆鉆柱縱振理論分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39(12):24-26.

[9] 楊進(jìn)，劉書杰，周建良，等.深水石油鉆采工程模擬試驗(yàn)裝置的研制[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，39(8):1-3.

[10] 李博，李迅科，葛斐，等.深水防噴器組控制系統(tǒng)的模擬分析[J].石油機(jī)械，2013，41(11):74-78.