组合式防喷器试验装置的研究

2017-10-17马辉杜学斌徐能惠任明杰金属材料挤压与锻造国家重点实验室中国重型机械研究院股份公司

新商务周刊 2017年7期

文/马辉杜学斌徐能惠任明杰，金属材料挤压与锻造国家重点实验室；中国重型机械研究院股份公司

组合式防喷器试验装置的研究

文/马辉杜学斌徐能惠任明杰，金属材料挤压与锻造国家重点实验室；中国重型机械研究院股份公司

随着全球范围内对石油、天然气开发利用的不断普及与深化，油气资源开采已逐步转向环境恶劣的偏远陆地以及海洋地区，钻井的服役条件也越来越恶劣。钻井要求防喷器具有更优化的性能和结构，相应对防喷器试验装置的要求也越来越严格。组合式防喷器试验装置为四层实验平台组合测试装置，可以进行强行起下钻、旋转驱动和悬挂加载等试验，可以进行三十多种项目的测试，可为防喷器的研发设计提供试验依据，是防喷器研制不可缺少的环节。

钻井；防喷器；试验装置

前言

在钻井过程中，当遇到高压油、气、水层时，如果该油、气、水层的压力大于循环泥浆液柱的压力，或者由于起下钻作业对井筒产生抽吸作用，降低了井筒压力，油、气、水就会从地层进入循环泥浆中，引起泥浆的密度下降，粘度升高，泵压下降，泥浆进少出多，泥浆池液面升高。当油气侵入严重时，从井中返出的泥浆中有强烈的天然气和原油的气味，泥浆有气泡，井口有外涌现象，进而产生井喷现象。

如果不能及时控制住井喷，往往会引发火灾、爆炸，尤其是海上钻井，一旦井喷失去控制引起火灾，在难以救援的茫茫大海上，大量的油气无节制地燃烧，不仅会酿成井毁人亡、污染海洋，同时可能使一个有价值的油气田枯竭失去开发价值，造成难以估量的损失。

随着石油天然气工业的迅速发展，防喷器发展的也尤为迅速。当发生井喷时，防喷器能完成相应操作，为安全钻井提供了保障，保护了钻井人员、钻井设备以及油气井的生产安全，防喷器一旦失效，将导致井喷恶性事件发生，因而是整套钻井系统中最重要的装备之一。

防喷器试验装置是对防喷器做全面性试验的必备设备，是保证防喷器性能乃至整个钻井系统安全生产的关键设备之一。随着全球范围内对石油、天然气开发利用的不断普及与深化，油气资源开采已逐步转向环境恶劣的偏远陆地以及海洋地区，钻井的服役条件也越来越恶劣。钻井要求防喷器具有更优化的性能和结构，相应对防喷器试验装置的要求也越来越严格。因此，防喷器试验装置对防喷器和钻井的安全意义重大。

1 防喷器的简介

美国是世界上最大的防喷器生产国，主要制造商有Cameron、Hydril和Shaffer等几家公司。这些公司的产品各具特色，代表了当今世界先进水平。

近十几年来，Shaffer公司研制出540mmx70MPa高压大通径闸板防喷器，用于强行起下钻的双阻尼防喷器；Hydril公司生产了180mmx140MPa超高压和762mmx21MPa大通径闸板防喷器，以及710mmx21MPa分流器系统；Cameron公司推出了103mmx175MPa的超高压防喷器，并研制出具有闸板和环形两种防喷器功能的Annuram防喷器。随着欠平衡钻井工艺的推广普及，Shaffer公司研制了PCWD旋转防喷器，保持了其球形防喷器寿命长的优点，采用液压操作主动密封方式，动密封压力可达28MPa。Williams的产品继承了传统旋转控制头自紧密封的特点，在此基础上采用多项高新技术，其7100型的动密封压力达17.5MPa。

我国的防喷器技术依赖于国外，防喷器的发展相对落后，试验装置单一且检测能力有限。为满足油气勘探开发对防喷器日益严格的要求，美国石油学会于1999年发布了API Spec 16A《钻井通道设备》第二版，对防喷器的材料、设计、制造、试验、检测和质量控制等方面做了详细而严格的要求，特别是增加了橡胶密封件的高低温性能及试验方法的规定。我国防喷器组的试验和检验执行标准为：GB/T20174-2006《石油天然气工业钻井和采油设备钻通设备》。

2 防喷器试验装置的现状

国内外对防喷器的质量性能极为重视，各制造商都投入大量人力物力进行研制开发。我国防喷器的一些功能试验要求的也越来越全面，生产的防喷器需要抽样送到石油工业井控装置质量监督检查中心做功能性试验，保证防喷器的可靠性。

我国的防喷器试验装置的试验功能相对比较单一，图1为我国某安全环保质量监督检测研究院早期的防喷器试验装置，能够实现密封性能试验、疲劳试验、强行起下钻寿命试验、剪切闸板试验、悬挂试验、闸板可接近性试验和闸板锁紧装置，相关试验功能简单，不能完全满足检测需要。

3 组合式防喷器试验装置(见图2)

3.1 组合式防喷器试验装置，可以实现对防喷器产品、闸阀、油管悬挂器、套管悬挂器的各种性能综合测试和试验，可以进行三十多种项目的测试，为防喷器的生产提供了更可靠的参数和依据。

3.2 技术工艺路线和实施方案

3.2.1 防喷器试验装置主机设备的设计研究

图1 防喷器试验装置照片

图2 组合式防喷器试验装置主机断面图

根据工艺分析，为了满足防喷器的测试项目，防喷器试验机设计为一个半封闭式载荷框架，采用预应力重型螺杆连接，保证试验机稳定性。试验机分为4层，上面三层都安装在移动车上，移动车采用液压插销缸带动插销定位，可快速完成拔销、移动、定位等操作。

第一层是底座，底座内装有模拟井口，防喷器就安装在井口上。为平衡过钻杆时的井压变化，有一组蓄能器与模拟井口相连。

第二层是悬挂加载主油缸，做闸板防喷器的悬挂试验。对于不同高度的防喷器，可用钻杆短接调节。在这里也可以做套管头悬挂器的载荷试验。

第三层安装旋转驱动装置，做旋转防喷器的动压试验。旋转动力来自于一台大扭矩的液压马达，驱动转盘带动钻杆旋转。

第四层安装往复油缸，做强行起下钻寿命试验。油缸和导向杆与移动横梁上部连接，移动横梁下部与钻杆连接。

待机状态时，三个移动车都后退到待机位置，这时可进行防喷器的吊装作业。开始试验时，根据需要把某一个移动车前进到工作位置，自动定位后就可进行试验。做动压试验时，第四层的往复油缸还可以辅助第三层的动压试验，钻杆在旋转的同时，做小幅度的往复运动。第二、四两层配合工作，可以方便的进行钻杆拆装。

3.2.2 试压装置的设计

试压装置包括防喷器试压装置、井口试压装置和闸阀试压驱动装置，能完成室温下防喷器的试验、室温下闸阀的动态试验、以及井口装置在室温下的试验。

3.2.3 气压试验系统的设计

该系统为气压试验提供高压氮气，包括增压系统、制氮系统、控制箱。

3.2.4 水压系统的设计

该系统是用水作为介质对防喷器进行水压试验，包括增压系统和控制系统（控制箱、阀箱）。低压空气作为驱动力源，三级增压方式，一级为大流量低压泵，增压至30Mpa，可独立进行多个试验过程中低压测试；二级为中压中等流量，压力增压至160Mpa，可进行某些试压件最终试压工作；三级为高压小流量增压泵，压力增压至230Mpa，可进行高压测试。同时，当试压件容积较大时，可与二级增压泵一起启动提高增压速度。

3.2.5 防喷器非金属密封设计温度验证装置

该装置用于防喷器非金属密封设计温度验证试验，高低温试验装置由箱体、空气调节系统、制冷系统、测控系统组成。

3.2.6 PR2试验装置

该装置用来完成PR2级阀门和PR2级悬挂器的试验，包括高低温动态循环、压力温度循环、载荷循环、带载荷的压力温度循环。

该装置由高低温试验箱、悬挂器加载压机、阀门驱动装置和工作车等设备构成。

3.2.7 数据测控和视频监控系统

该系统操作控制试验设备和动力设备，采集压力、温度、扭矩、位移等数据，通过计算机软件分析并实时显示记录存档。视频监控系统辅助操作控制，重要实时录像可作为第三方认证的重要依据。

3.6.8 液压电气控制设计

液压控制系统为试验提供动力，满足防喷器试验机和其他设备加载及加载速率的要求.

电气控制系统为试验设备提供用电，编制相应的工艺软件和程序。