唐秋林,黃治湖,鄭泳,3,劉鳴,杜文波,崔佳凱,趙琳
(1.四川寶石機(jī)械鉆采設(shè)備有限責(zé)任公司,四川 廣漢 618300;2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 721002;3.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司,陜西 寶雞 721002)
防噴器是用于鉆井、試油、修井、完井等作業(yè)過程中關(guān)閉井口,防止井噴事故發(fā)生的井控裝備。針對修井機(jī)鉆臺高度空間受限,將閘板、環(huán)形集成為一體的防噴器組,具有減輕整體質(zhì)量、降低組合高度、減少泄漏點(diǎn)、省時省力等特點(diǎn),適應(yīng)鉆修井機(jī)底座高度空間受限的現(xiàn)狀,可實現(xiàn)鉆修井提速,井控安全。
經(jīng)過市場調(diào)研分析,2020年國內(nèi)鉆探公司修井機(jī)數(shù)量如表1所示,總量約853 臺。
表1 2020年國內(nèi)鉆探公司修井機(jī)數(shù)量臺
若按每套修井機(jī)配置一種型號的一體式防噴器組,現(xiàn)有常規(guī)防噴器每年按10%的更新率,同時加大新型產(chǎn)品的推廣力度,未來3年修井用防噴器需求量如表2所示。
表2 未來3年修井用防噴器需求量臺
目前,國內(nèi)外沒有廠家制造一體式防噴器組的類似產(chǎn)品。但是機(jī)械鉆機(jī)和修井機(jī)作業(yè)中受到安裝空間限制,一般首選一體式結(jié)構(gòu)。一體式防噴器組可將環(huán)形防噴器、單閘板防噴器、鉆井四通三者功能整體集成;也可將環(huán)形防噴器、雙閘板防噴器兩者功能整體集成,取消了法蘭連接及法蘭頸部尺寸,節(jié)約空間,減少連接件,使泄漏的可能性降至最低。因此具有高度低、現(xiàn)場維護(hù)操作安裝簡便、結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)約安裝與維護(hù)作業(yè)費(fèi)用、提高生產(chǎn)效率、減少停產(chǎn)等特點(diǎn)。我公司研究設(shè)計了國內(nèi)外首套車載修井機(jī)配套使用的F35(135/8in)-35(5000 psi)一體式防噴器組(通徑為φ346.1 mm、壓力級別為34.5 MPa)。
多功能一體式防噴器組[1]可利用液壓來打開和關(guān)閉膠芯2。當(dāng)大活塞4在關(guān)閉腔液壓油推動下向上運(yùn)動推擠膠芯2時,膠芯2不斷向上向心收縮,其間的橡膠被擠向井口中心,最終實現(xiàn)密封管柱(或全封閉井口)。當(dāng)大活塞4在打開腔液壓油推動下向下運(yùn)動,此時膠芯2在本身彈力作用下復(fù)位,并最終處于自由狀態(tài),完全打開井口。其特征等同于環(huán)形防噴器。
同時可利用液壓油來打開和關(guān)閉閘板總成13。當(dāng)關(guān)閉腔液壓油進(jìn)入液缸6,推動小活塞11,帶動活塞桿10進(jìn)而帶動閘板總成13向井口中心運(yùn)動,并關(guān)閉空井口或環(huán)抱鉆桿,然后旋轉(zhuǎn)手動控制總成9推動鎖緊軸8朝井口中心運(yùn)動至貼合活塞桿10實現(xiàn)鎖緊,最終實現(xiàn)關(guān)井。當(dāng)旋轉(zhuǎn)手動控制總成9帶動鎖緊軸8遠(yuǎn)離活塞桿10至完全到位,然后開啟腔液壓油進(jìn)入液缸6,推動小活塞11帶動活塞桿10,進(jìn)而帶動閘板總成13遠(yuǎn)離井口中心運(yùn)動至完全到位,最終實現(xiàn)開井。其特征等同于閘板防噴器。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖1 一體式防噴器組結(jié)構(gòu)圖
多功能一體式防噴器組技術(shù)參數(shù)如表3所示。
表3 技術(shù)參數(shù)表
液壓工作系統(tǒng)的正常工作壓力是10.5 MPa,工作的最大液壓操作極限壓力是31.5 MPa。采用API Spec 6A法蘭(上、下均為栽絲結(jié)構(gòu))與其它井口設(shè)備連接,關(guān)閉及打開膠芯(環(huán)形膠芯及閘板)均采用液壓操作。
該產(chǎn)品是將環(huán)形防噴器、雙閘板防噴器兩者功能整體集成。由主殼體、環(huán)形膠芯總成、閘板液缸總成、閘板密封總成、側(cè)門鉸鏈總成和長短手總成組成。
一體式防噴器組殼體采用鑄件。為保證其整體鑄造質(zhì)量,不僅按照GB/T 20174-2006標(biāo)準(zhǔn)要求,控制S、P等有害成分的含量,而且還需完善鑄造工藝設(shè)計流程:初步方案→三維建模→鑄造模擬→修正方案→再次鑄造模擬→最終方案→送出開模。
1)在鑄造過程中,殼體中的厚大部位受熱時間長,型砂易軟化,形成粘砂后鑄造缺陷,通過實驗研究,采用耐火度較高的原砂有效解決了粘砂問題,提高了鑄造成功率。
2)在冶煉過程中,鑄造鋼水的純凈度容易受到雜質(zhì)和夾雜物的影響,產(chǎn)生鑄坯裂紋,進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量,通過試驗研究,采用電弧爐+LF爐+VD爐組合冶煉方式,提高了鑄坯質(zhì)量。
3)在鑄造熱處理工序時,殼體中壁厚差異較大的部位,因應(yīng)力集中而出現(xiàn)裂紋,通過實驗研究,采用穩(wěn)定、均勻的低溫澆鑄溫度,保證了鑄造質(zhì)量。
4)在鑄造模型制作時,木模外觀復(fù)雜,整體難以從砂型中取出,通過試驗及工藝技術(shù)改進(jìn),采用分模造型,將木模做成兩半。在造型時可分別裝在上、下砂箱中,起模方便,縮短了鑄造周期。
1)埋藏式長油孔的加工,加長鉆頭的設(shè)計及改造運(yùn)用;
2)主通徑與環(huán)形油缸密封部分加工成活,采用一次性裝夾,保證其同軸度;
3)閘板窗口四角圓弧的加工采用先鉆通孔、后鏜孔的加工工藝,提高工作效率。
1)殼體的上部外形圓周、下部四方表面及所有內(nèi)腔部位均采用超聲波探傷;
2)超聲波探傷時,為盡可能觀察出殼體是否存在鑄造缺陷,不僅采用橫向探傷,還增加了縱向探傷手段;
3)殼體的上部外形圓周與下部四方之間的過渡大圓弧相貫處,采用滲透探傷方式,以保證殼體的鑄件質(zhì)量。
為滿足鉆井、修井現(xiàn)場使用的需要,對防噴器組進(jìn)行強(qiáng)度、密封性能及通徑試驗[4]。
為確保防噴器殼體及工作液缸在長期使用過程中不出現(xiàn)損壞、爆裂等安全事故,故殼體強(qiáng)度試驗壓力值應(yīng)滿足設(shè)計規(guī)范,為防噴器額定工作壓力的1.5倍,即51.7 MPa(7500 psi);液缸(含打開腔及關(guān)閉腔)強(qiáng)度試驗壓力值31.5 MPa。試驗過程中,側(cè)門與殼體間密封無泄漏、液缸總成無泄漏。試驗完成后,檢測結(jié)果顯示殼體與液缸均無裂紋、損傷現(xiàn)象。
為確保防噴器在長期使用過程中性能可靠、密封部位無泄漏等質(zhì)量事故,故密封試驗(含低壓與高壓)應(yīng)滿足設(shè)計規(guī)范,環(huán)形膠芯封零試驗壓力為2 MPa(300 psi)與10.5 MPa(1500 psi);環(huán)形膠芯27/8in管柱密封試驗壓力為2 MPa(300 psi)與34.5 MPa(5000 psi);閘板膠芯31/2in管柱密封試驗壓力為2 MPa(300 psi)與34.5 MPa(5000 psi);閘板膠芯無管柱密封試驗壓力為2 MPa(300 psi)與34.5 MPa(5000 psi)。試驗過程中,環(huán)形膠芯密封無泄漏、閘板膠芯密封無泄漏、側(cè)門與殼體間密封無泄漏、液缸總成密封無泄漏。試驗完成后,檢測結(jié)果顯示殼體、環(huán)形膠芯及閘板膠芯均無裂紋、損傷現(xiàn)象。
通徑試驗務(wù)必在防噴器環(huán)形膠芯處于自由狀態(tài)、閘板處于完全開啟狀態(tài)時,鉆具能順利通過防噴器的垂直主通徑。
2019年8月,在國外印尼Kasuri區(qū)塊成功安裝了一臺F35-35型一體式防噴器組。經(jīng)過現(xiàn)場作業(yè)程序調(diào)整、安裝時間測算及安全風(fēng)險評估等試驗,與常規(guī)防噴器相比較,總體高度降低了230 mm;質(zhì)量減輕了3500 kg。與常規(guī)防噴器優(yōu)勢對比如表4所示。
表4 一體式與常規(guī)防噴器優(yōu)勢對表比
1)多功能一體式防噴器組的設(shè)計及制造均屬國內(nèi)外首創(chuàng),降低了總高度,減輕了總質(zhì)量。經(jīng)過廠內(nèi)及現(xiàn)場試驗驗證,省時省力的效果突出,完全滿足修井作業(yè)配置要求,為后期的新產(chǎn)品推廣提供有力的支撐。應(yīng)用前景廣闊,具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。
2)多功能一體式防噴器組的未來發(fā)展,不僅用于修井作業(yè)市場,而且能在鉆井作業(yè)中發(fā)揮巨大的潛能,不論防噴器本體是鑄件還是鍛件,將來完全能取代傳統(tǒng)防噴器組,它的一體式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具有降低平臺高度、節(jié)約鉆井時間、控制安全風(fēng)險的優(yōu)勢,將給鉆井配套設(shè)備市場帶來極為深遠(yuǎn)的影響。
3)國內(nèi)外不壓井作業(yè)機(jī)中的井控設(shè)備包含有環(huán)形防噴器、單閘板防噴器、鉆井四通、單閘板防噴器,層層重疊安裝導(dǎo)致不壓井作業(yè)機(jī)具有高度較高、質(zhì)量較重、安裝費(fèi)時費(fèi)力等特點(diǎn),尤其是給運(yùn)輸帶來很大的難題。
我國現(xiàn)階段正在大力普及不壓井作業(yè)機(jī)在油田市場上的應(yīng)用,其年需求量正呈現(xiàn)穩(wěn)步的上升趨勢,而一體式防噴器組具有的結(jié)構(gòu)緊湊、高度降低、質(zhì)量減輕的優(yōu)勢特點(diǎn)在不壓井作業(yè)機(jī)的配套井控裝備中將是一個良好的補(bǔ)充。