旋转防喷器锁块式锁紧机构研制

屈志明，王红杰，杨永宁，吴占伟

（河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北任丘 062552）①

旋转防喷器锁块式锁紧机构研制

屈志明，王红杰，杨永宁，吴占伟

（河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北任丘 062552）①

通过对国外旋转防喷器锁紧机构的研究，从中发现不足之处；研制了新型的锁块式锁紧装置。该装置采用液控操作，由活塞带动嵌在壳体上的锁块完成锁紧和解锁功能，且具有显示机构和机械锁紧功能。克服了现有锁紧机构外形庞大、费时费力的缺点。厂内试验及现场应用表明：该机构结构合理，操作方便，能可靠地锁紧和解锁。

欠平衡钻井；旋转防喷器；锁块

欠平衡钻井技术是20世纪90年代初兴起的提高勘探开发效益的钻井新技术，美国和加拿大应用最多，技术和装备最先进。我国欠平衡技术开始于21世纪初［1］。目前，我国的欠平衡钻井配套技术还不完善，相应的配套装置也不成熟［2］。国内各大油田使用的旋转防喷器大都依赖于进口，以Williams公司的7100型旋转控制头为主。

旋转防喷器是井口安全控制系统的重要设备，也是欠平衡钻井、地热钻井、煤层气钻井的必要设备之一，安装在防喷器组的最上部。利用旋转防喷器封住井口环形空间，同时保持管柱的旋转作业［3-4］。旋转防喷器通常由壳体总成和旋转总成构成；常用的旋转控制设备中，旋转密封总成与壳体总成的锁紧连接有螺栓连接和卡箍连接2种结构形式。对于螺栓连接结构形式，需操作人员到钻探平台下拆卸和安装，拆卸耗时耗力，操作效率低。对于卡箍连接锁紧结构形式，对钻探平台下的空间要求较大。在FX35-10.5／21型旋转防喷器的设计中，设计了一种新型的锁块锁紧联接形式，有效地克服了螺栓连接和拆卸费时、费力及卡箍要求连接空间大的缺点。

1 旋转防喷器锁紧机构简介

1.1 卡箍式锁紧结构形式

目前，国内市场上常用的Williams 7100型旋转防喷器采用卡箍式锁紧装置，如图1所示。锁紧卡箍将旋转总成中的静止外筒体与底部支承座固连在一起［5］。该锁紧机构由2个半圆形的卡箍组成，在卡箍内部环槽内有上下2个斜面，分别与支撑座和筒体连接。在卡箍的一侧，设计有外伸的法兰，由液压驱动旋转水平方向的螺栓，实现锁紧和解锁功能。另外一侧有1对互锁的铰链，用螺栓和螺母连接。卡箍式锁紧结构的防喷器外形庞大，要求钻探平台下的空间较大。

图1 美国Williams公司7100型旋转防喷器

1.2 螺栓式连接结构

Shaffer公司生产的旋转防喷器利用了球型环形防喷器密封压力较高、密封效果好的优点，在环形防喷器的基础上增加了旋转功能，如图2所示。壳体总成和旋转总成采用多根螺栓连接，需要人工到钻探平台下拆卸和安装，浪费大量的人力和时间。该旋转防喷器结构复杂、价格昂贵、后续的维修成本较高，国内较少应用。

图2 Shaffer公司的旋转防喷器

2 锁块式锁紧机构的研制

2.1 结构组成

为了避免螺栓式连接和卡箍式连接旋转防喷器的缺点，研制了新型的锁块锁紧机构，如图3所示。该机构由锁紧机构和显示机构组成。锁紧机构包括壳体、活塞、锁紧缸、锁块、轴承套、上压块、下压块等；显示机构由拉环、显示杆和弹簧等组成。锁块锁紧机构由液压操作完成锁紧和解锁功能，省时省力，且外形结构较小，所需空间小。

2.2 工作原理

在工作时，来自液控系统的液压油经由上压块的关闭油路进入锁紧液缸内，推动活塞向下运动，同时使锁块产生径向位移，最终锁块内部的上下2个斜面与轴承套斜面紧密接触，实现锁紧功能，如图4所示。当解锁时，液压油经由下压块的开启油路进入锁紧液缸内，推动活塞向上运动，锁块退到活塞的环形空间内，旋转总成与壳体脱开，锁块解锁［6］，如图5所示。

图4 锁紧活塞锁紧位置

图5 锁紧活塞解锁位置

2.3 结构设计

为节省空间，保证壳体总成与旋转总成连接可靠，在壳体上部沿周向均布设计4个开窗，用于锁块嵌入壳体内部进行安装。开窗的大小由所承受的载荷确定。在设计时，既要考虑开窗对壳体强度的降低以及开窗上部拐角处应力集中的产生，又要保证锁块具有足够的承载能力。在锁块的内外圆弧处均设计有斜面，内圆弧的斜面与轴承套斜面相匹配，用于锁紧和承载，外圆弧的斜面用于导向，与活塞配合更为平缓地完成锁块的径向运动。在活塞的下面设计有一定高度环形槽，作为锁块解锁时后退的空间。在壳体和轴承套之间采用双层密封，将油压密封和井压密封分开控制，使密封更可靠。

为了避免误操作，在锁紧液缸上设计有锁定显示机构，可以显示锁紧活塞是否锁定到位，同时也可以将锁紧活塞机械锁定在锁紧位置，防止活塞脱开。当活塞处于锁紧状态时，拉环处于a位，当解锁时，显示杆压缩弹簧，沿壳体的径向向外运动，完全解锁后，拉环处于b位（如图3），表示处于解锁状态。当需要机械锁紧时，需手动拉动显示机构的拉环，使显示杆嵌入活塞的凹槽内。

3 试验

依据API Spec 16RCD规范，采用上述锁块式锁紧结构，设计制造了FX35-10.5／21型旋转防喷器，其产品图片如图6所示。该防喷器的最大静密封压力为21 MPa，最大动密封压力为10.5 MPa，承压起下钻额定压力为7 MPa。样机组装完成后，进行了各项出厂试验，包括静水压强度试验、静压试验、动压试验、承压起下钻试验。其中，旋转防喷器旋转动密封试验：试验井压10.5 MPa，转速为118～ 121 r／min，累计运转时间为200 h（标准要求100 h）。通过对锁紧结构的试验，验证该锁紧机构操作方便，动作灵活，锁紧可靠。

该防喷器在2010-09通过了中石油集团科技评估中心主持的专家技术鉴定。随后，该防喷器投入现场使用，累计服役时间为2 a，防喷器运转正常，锁紧机构安全可靠。

图6 FX35-10.5／21型旋转防喷器

4 结论

1） 该锁紧机构由液压操作完成，锁紧和解锁方便快捷，减少或取消了人工高空大强度作业，降低了劳动强度，缩短了更换胶芯的时间。

2） 设计了锁定显示机构，可以检查锁紧活塞是否锁定到位，直观地显示活塞的运动位置，极大地方便了现场的管理。

3） 必要时可采用机械锁紧，防止误操作导致解锁。

4） 该机构外形尺寸小，节省了安装空间。该机构已获得国家实用新型专利。

［1］ 张卫萍，李宗清，杨德京.旋转控制头胶芯失效形式分析［J］.石油矿场机械，2003，32（3）：38-39.

［2］ 程艳，郑冲涛.国内欠平衡钻井主要装备知识产权保护现状分析［J］.钻采工艺，2008，31（1）：56-59.

［3］ 曹月臣.旋转环形防喷器结构分析及应用［J］.石油矿场机械，2013，42（7）：90-92.

［4］ 郑泳，肖力彤，崔凯.Cameron式2FZ35-35型双闸板防喷器研制［J］.石油矿场机械，2011，40（10）：80-82.

［5］ 陈家庆，王颖君，赵增元.Williams高压旋转防喷器国产化要点浅析［J］.石油矿场机械，2002，31（3）：1-5.

［6］ 李三平，苏尚文，屈志明，等.一种锁块锁紧联接装置：中国，CN201763291U［P］.2011-03-16.

Development of Rotating Blowout Preventers’Latch Lock Device

Through lock device research of foreign rotating blowout preventers，lacks are discovered.The new latch lock device is developed.The device is operated by hydraulic motor，Locking and unlocking are completed by piston leading inbuilt latch in shell.The device has vision assembly and locking mechanically.The device has not lacks，for example larger figure，stronger labor and longer time.Factory test and field employment are carried out.The results show that the configuration is reasonable，the operation convenient，locking and unlocking are reliable.

underbalanced drilling；rotating blowout；preventers latch

TE928

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.017

1001-3482（2014）09-0063-03

2014-03-22

屈志明（1980-），男，河北承德人，工程师，主要从事井控产品的研发和管理工作，E-mail：18730785568＠139.com。