組合式防噴器試驗裝置的研究

文/馬輝 杜學(xué)斌 徐能惠 任明杰，金屬材料擠壓與鍛造國家重點(diǎn)實驗室；中國重型機(jī)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(xué)斌 徐能惠 任明杰，金屬材料擠壓與鍛造國家重點(diǎn)實驗室；中國重型機(jī)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(yuǎn)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(yīng)對防噴器試驗裝置的要求也越來越嚴(yán)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(jìn)行強(qiáng)行起下鉆、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動和懸掛加載等試驗，可以進(jìn)行三十多種項目的測試，可為防噴器的研發(fā)設(shè)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(dāng)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(jìn)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(jìn)少出多，泥漿池液面升高。當(dāng)油氣侵入嚴(yán)重時，從井中返出的泥漿中有強(qiáng)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(jìn)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(zāi)、爆炸，尤其是海上鉆井，一旦井噴失去控制引起火災(zāi)，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(dāng)發(fā)生井噴時，防噴器能完成相應(yīng)操作，為安全鉆井提供了保障，保護(hù)了鉆井人員、鉆井設(shè)備以及油氣井的生產(chǎn)安全，防噴器一旦失效，將導(dǎo)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(shè)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(guān)鍵設(shè)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(yuǎn)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(yīng)對防噴器試驗裝置的要求也越來越嚴(yán)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(dāng)今世界先進(jìn)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(qiáng)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(diǎn)，采用液壓操作主動密封方式，動密封壓力可達(dá)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(diǎn)，在此基礎(chǔ)上采用多項高新技術(shù)，其7100型的動密封壓力達(dá)17.5MPa。

我國的防噴器技術(shù)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(yán)格的要求，美國石油學(xué)會于1999年發(fā)布了API Spec 16A《鉆井通道設(shè)備》第二版，對防噴器的材料、設(shè)計、制造、試驗、檢測和質(zhì)量控制等方面做了詳細(xì)而嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)為：GB/T20174-2006《石油天然氣工業(yè)鉆井和采油設(shè)備鉆通設(shè)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(jìn)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(qiáng)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(guān)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(jìn)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(shù)工藝路線和實施方案

3.2.1 防噴器試驗裝置主機(jī)設(shè)備的設(shè)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(jī)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(jī)設(shè)計為一個半封閉式載荷框架，采用預(yù)應(yīng)力重型螺桿連接，保證試驗機(jī)穩(wěn)定性。試驗機(jī)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(dá)，驅(qū)動轉(zhuǎn)盤帶動鉆桿旋轉(zhuǎn)。

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

待機(jī)狀態(tài)時，三個移動車都后退到待機(jī)位置，這時可進(jìn)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(jìn)到工作位置，自動定位后就可進(jìn)行試驗。做動壓試驗時，第四層的往復(fù)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(fù)運(yùn)動。第二、四兩層配合工作，可以方便的進(jìn)行鉆桿拆裝。

3.2.2 試壓裝置的設(shè)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(shè)計

該系統(tǒng)為氣壓試驗提供高壓氮?dú)?，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(shè)計

該系統(tǒng)是用水作為介質(zhì)對防噴器進(jìn)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(dú)立進(jìn)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(jìn)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(jìn)行高壓測試。同時，當(dāng)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(shè)計溫度驗證裝置

該裝置用于防噴器非金屬密封設(shè)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(jī)、閥門驅(qū)動裝置和工作車等設(shè)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(shè)備和動力設(shè)備，采集壓力、溫度、扭矩、位移等數(shù)據(jù)，通過計算機(jī)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(rèn)證的重要依據(jù)。

3.6.8 液壓電氣控制設(shè)計

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

電氣控制系統(tǒng)為試驗設(shè)備提供用電，編制相應(yīng)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(jìn)行測試評估，為井控裝置的核心設(shè)備起到了至關(guān)重要的把關(guān)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(hù)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(shè)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(shè)備都是從國外進(jìn)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(jìn)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(jìn)行三十多種項目的測試，可為防噴器的研發(fā)設(shè)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(shù)競爭力，并且完全具有自主知識產(chǎn)權(quán)。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(yán)格和全面，組合式防噴器試驗裝置可以對防噴器進(jìn)行多方面的性能測試，在防噴器的研發(fā)設(shè)計和安全測試方面由著廣闊的應(yīng)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(guān)鍵設(shè)備技術(shù)研究，石油礦場機(jī)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(jī)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(yīng)用，石油礦場機(jī)械，2011（12）：83-86.

[4]發(fā)明專利[P]:馬輝，徐能惠,杜學(xué)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(xué)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(shè)備及工藝研究,鍛壓設(shè)備