佘曉梅, 張 川, 唐秋林, 劉 鳴, 肖力彤, 林 勇, 吳海濤, 楊登樹, 陳 濤, 鄭 泳
(寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司廣漢鉆采設(shè)備廠)
環(huán)形防噴器主要用于鉆井、試油、完井、修井等作業(yè)過程中控制井口壓力,有效地防止井噴事故發(fā)生,實(shí)現(xiàn)安全施工。它能將全封和半封兩種功能合為一體,是油田常用的關(guān)鍵井控設(shè)備[1]。目前,國內(nèi)現(xiàn)有環(huán)形防噴器主要有Shaffer結(jié)構(gòu)和Hydril結(jié)構(gòu)防噴器兩種,由于結(jié)構(gòu)形式的局限,導(dǎo)致封零可靠性不高,使用壽命短、維護(hù)保養(yǎng)困難,已無法完全滿足各大油氣田的使用需求。寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司廣漢鉆采設(shè)備廠于2017年6月成功研制了國內(nèi)首套爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器。
爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器主要由殼體、頂蓋、擋泥環(huán)、爪塊總成、安全泄壓裝置、膠芯及活塞7大部分組成,如圖1所示。爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器在頂蓋合理位置上設(shè)置安全泄壓裝置,當(dāng)擋泥環(huán)密封或頂蓋密封失效時(shí),該裝置可以卸載竄至爪塊總成處的井壓或油壓,有效避免二次傷害;活塞扶正距離達(dá)573 mm,運(yùn)行更平穩(wěn),活塞密封扶正效果好,可有效解決油缸易拉傷、壽命短的問題;采用球形膠芯,封零效果好,泄壓后能快速恢復(fù)通徑,滿足鉆井要求;殼體和頂蓋之間的連接采用爪塊式結(jié)構(gòu),便于快速拆裝和更換膠芯。
圖1 爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器示意圖
1安全泄壓裝置 2頂蓋 3球形膠芯 4爪塊總成 5擋泥環(huán) 6活塞 7殼體A-開啟腔B-關(guān)閉腔
爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器利用遠(yuǎn)控臺(tái)提供的液壓油推動(dòng)活塞,從而帶動(dòng)膠芯向上或向下運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)關(guān)閉或打開井口的功能。當(dāng)防噴器關(guān)閉時(shí),液壓油進(jìn)入關(guān)閉腔B,推動(dòng)活塞使膠芯上行,在半球型頂蓋的限制作用下,膠芯向心收縮,擠出橡膠,實(shí)現(xiàn)密封管柱或全封功能;當(dāng)防噴器打開時(shí),液壓油進(jìn)入開啟腔A,推動(dòng)活塞下行,活塞對(duì)膠芯的擠壓力消除,膠芯在自重和橡膠彈力作用下復(fù)原,實(shí)現(xiàn)全開功能。
按照API Spec 16A對(duì)承壓件殼體材料的選用要求,選用30CrMo合金鋼,調(diào)質(zhì)處理硬度為197~235 HB[2];本項(xiàng)目確定的公稱通徑為?346.1 mm,額定工作壓力為35 MPa,其主要參數(shù):額定工作壓力34.5 MPa ;油缸工作壓力≤10.5 MPa;公稱通徑?346.1 mm;可封管柱?73 mm~?127 mm;法蘭連接型式6BX 35-35 BX160。 適用工作介質(zhì):原油、鉆井液、天然氣。
液壓工作系統(tǒng)的正常工作壓力是10.5 MPa,極限工作壓力是21 MPa。采用API Spec6A法蘭與其它井口設(shè)備連接,關(guān)閉及打開膠芯均采用液壓操作[3]。
殼體、頂蓋、活塞的材料均為優(yōu)質(zhì)合金鋼30CrMo,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,其力學(xué)參數(shù)如表1。
表1 30CrMo 材料性能參數(shù)
當(dāng)防噴器承受工作壓力時(shí),殼體直接承受壓力。按照實(shí)際工作狀況,采用Solidworks及Cosmos 分析軟件對(duì)殼體進(jìn)行約束和加載,分析其變形圖及應(yīng)力最大點(diǎn),驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和安全性。
對(duì)殼體在靜水壓試驗(yàn)狀態(tài)下及額定工作狀態(tài)下分別做分析計(jì)算及校核。
1.1 靜水壓試驗(yàn)狀態(tài)下
對(duì)殼體模型進(jìn)行有限網(wǎng)格劃分,共劃分102 258個(gè)元素、24 904個(gè)節(jié)點(diǎn)。在試驗(yàn)狀態(tài)下,殼體主要受內(nèi)壓,方向垂直于內(nèi)腔表面,見圖2。
圖2 殼體模型網(wǎng)格劃分
殼體的下部鋼圈槽底部最大應(yīng)力為609.7 MPa,如圖3。按照ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅷ卷第2分冊(cè)附錄4中ASME規(guī)范應(yīng)力分類的理論,殼體受內(nèi)壓時(shí),該處有展開的趨勢(shì),其最大應(yīng)力點(diǎn)的等效應(yīng)力是由一次薄膜應(yīng)力σm和一次彎曲應(yīng)力σw疊加而成。而對(duì)水壓試驗(yàn)的容器,試驗(yàn)應(yīng)力條件為σm+σw≤1.43σs;計(jì)算值σm+σw=609.7 MPa<1.43σs(739.3 MPa)。符合設(shè)計(jì)要求。
圖3 殼體在靜水壓力下的應(yīng)力云圖
圖4 殼體在額定工作壓力下的應(yīng)力云圖
1.2 額定工作狀態(tài)下
殼體的下部鋼圈槽底部最大應(yīng)力為406.5 MPa,如圖4。按照ASME 鍋爐和壓力容器規(guī)范第Ⅷ卷第2分冊(cè)附錄4的規(guī)定,額定工作壓力下的強(qiáng)度條件為σm+σw≤σs;計(jì)算值σm+σw=406.5 MPa<σs(517 MPa)。符合設(shè)計(jì)要求。
對(duì)活塞采用Solidworks及Cosmos分析軟件進(jìn)行有限元分析計(jì)算及校核。分析其變形圖及應(yīng)力最大點(diǎn),驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和安全性。對(duì)活塞在油缸強(qiáng)度試驗(yàn)狀態(tài)下進(jìn)行分析計(jì)算及校核。
活塞打開時(shí),油壓作用在活塞上環(huán)面和環(huán)形臺(tái)階上端面,活塞關(guān)閉時(shí),油壓作用在活塞下環(huán)面和環(huán)形臺(tái)階下端面。通過有限元分析,發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力出現(xiàn)在活塞關(guān)閉時(shí)的密封圈槽底處,為713.8 MPa,如圖5。試驗(yàn)應(yīng)力的強(qiáng)度條件為σm+σw≤1.53σs;計(jì)算值σm+σw=713.8 MPa<1.53σs(791.0 MPa),符合設(shè)計(jì)要求。
圖5 活塞在關(guān)閉腔應(yīng)力云圖
封隔管柱試驗(yàn)時(shí),油缸初始關(guān)閉壓力為10.5 MPa,井筒壓力為35 MPa。試驗(yàn)中防噴器井筒壓力值開始不斷降低,最終穩(wěn)定在31.5 MPa左右,井筒壓力值如圖6所示,不能達(dá)到額定工作壓力35 MPa。若提高油缸關(guān)閉腔壓力,則可提高密封井筒的壓力,經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn),只有當(dāng)油缸關(guān)閉腔壓力提升至14 MPa以上,才可有效密封35 MPa井筒壓力。
圖6 油缸工作壓力10.5 MPa時(shí)井筒壓力值曲線圖
根據(jù)API Spec 16A規(guī)定,該環(huán)形防噴器額定工作壓力值為35 MPa,推薦液缸壓力值≤10.5 MPa,因此需提出相應(yīng)解決方案。
首先對(duì)活塞進(jìn)行受力分析,由于活塞自重和膠芯反作用力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液壓作用力,即可忽略不計(jì),試驗(yàn)中活塞受力情況如圖7所示。
爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器的初始結(jié)構(gòu)中D1=1030.5 mm,D2=770 mm,d1=600 mm,根據(jù)環(huán)形防噴器的工作原理,防噴器要實(shí)現(xiàn)關(guān)閉功能,活塞需要向上推動(dòng)膠芯,使其產(chǎn)生彈性變形才能實(shí)現(xiàn)密封。因此,當(dāng)液缸壓力為10.5 MPa時(shí),防噴器所能密封的井壓值:
這與圖6中的穩(wěn)定井壓值31.5 MPa相吻合。
圖7 爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器活塞受力情況示意圖
為研究活塞受力情況,定義油缸壓力作用面積與井壓作用面積的比值為防噴器關(guān)閉壓力比St,由圖7可得St表達(dá)式為:
即該防噴器關(guān)閉壓力比St原=3.014。
根據(jù)以上分析,要使該爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器滿足封隔管柱試驗(yàn),需重新計(jì)算、調(diào)整防噴器內(nèi)部部件的結(jié)構(gòu),使其活塞能提供足夠的關(guān)閉壓力。
常規(guī)球形膠芯環(huán)形防噴器的關(guān)閉壓力比St常=3.815,爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器整改后的關(guān)閉壓力比St新=3.982,即St新>St常,因此,該爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器能夠提供更加可靠的關(guān)閉壓力,同時(shí),對(duì)整改后的活塞、殼體進(jìn)行有限分析,分析結(jié)論為符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。
經(jīng)過整改后的防噴器進(jìn)行管柱密封試驗(yàn),液缸壓力值10.5 MPa,密封井壓值35 MPa,壓降≤3.45 MPa,滿足API 16A設(shè)計(jì)要求。
為保證新型結(jié)構(gòu)的殼體和活塞有足夠的強(qiáng)度,采用了Ansys軟件對(duì)其進(jìn)行有限元分析,對(duì)局部形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使其結(jié)構(gòu)更為合理。
試驗(yàn)表明,爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器具有密封穩(wěn)定、開關(guān)平穩(wěn)不易拉缸、使用壽命長、拆裝方便等特點(diǎn)。目前,國內(nèi)現(xiàn)有環(huán)形防噴器主要有球形膠芯環(huán)形防噴器和錐形膠芯環(huán)形防噴器兩種,經(jīng)分析對(duì)比可以得出以下結(jié)論:
(1)爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器與傳統(tǒng)球形膠芯環(huán)形防噴器相比,有以下優(yōu)點(diǎn):①卡塊式連接方式,便于拆裝和更換膠芯;②開關(guān)所需油量小,開關(guān)更為迅速;③防噴器開關(guān)平穩(wěn),活塞扶正效果好,上下運(yùn)動(dòng)時(shí)不易出現(xiàn)偏磨或拉缸現(xiàn)象。
(2)爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器與傳統(tǒng)錐形膠芯環(huán)形防噴器相比,有以下優(yōu)點(diǎn):①球形膠芯摩擦力小,儲(chǔ)膠量大,膠芯壓縮后封零效果好,且能迅速恢復(fù)通徑;②頂蓋合適位置設(shè)計(jì)有安全泄壓裝置,避免油壓或井壓竄漏時(shí),爪盤支護(hù)螺釘飛出造成二次事故。
(1)爪塊式球形膠芯環(huán)形防噴器通過了強(qiáng)度試驗(yàn)、密封試驗(yàn)和通徑試驗(yàn),工作性能安全可靠,滿足油氣田現(xiàn)場(chǎng)井控需求。
(2)對(duì)于環(huán)形防噴器的研制,需合理調(diào)整殼體與活塞的配合尺寸,即在滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)的前提下,使其能夠提供合理的防噴器關(guān)閉壓力比。
(3)在研制爪塊式環(huán)形防噴器時(shí),應(yīng)在頂蓋合理位置上設(shè)置安全泄壓裝置,避免因擋泥環(huán)密封失效時(shí)井壓或油壓竄至爪塊總成處打飛爪塊螺釘造成二次事故。