旋塞与顶驱考克分析研究

张亮

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院欠平衡钻井技术研究所，黑龙江大庆163413）

1 概述

方钻杆旋塞是钻柱循环系统中的手动控制阀，起到切断钻柱内部通道，实现高压（35/70/105MPa）密封防止井涌或井喷发生的作用。方钻杆旋塞阀分为方钻杆上旋塞阀和方钻杆下旋塞阀。方钻杆上旋塞阀为左旋连接;方钻杆下旋塞阀为右旋连接。方钻杆上旋塞阀接于水龙头下端与方钻杆上端之间。方钻杆下旋塞阀接于方钻杆下端与钻杆保护接头的上端之间[1]。顶驱考克是顶驱主机循环系统中的手动和自动控制阀，其压力等级和基本作用与方钻杆旋塞一致。顶驱考克分为上、下考克，上下考克连接在一起，置于顶驱主轴和顶驱保护接头之间。

2 方钻杆旋塞结构特点介绍

通过调研，国内绝大部分方钻杆旋塞采用如图1所示的结构。主要由阀本体、上下阀座、旋钮、阀球、挡圈、弹簧等组成，旋塞阀本体采用整体式结构，侧面开有旋钮孔。该结构有以下特点[2]：

图1 方钻杆旋塞典型结构

（1）核心机构采用常规球阀式结构，旋钮与球采用镶嵌式拼盘键连接结构；

（2）球阀与阀座之间采用金属密封，通过配合研磨实现球面啮合；

（3）内球座安装波形弹簧，实现弹簧预紧力辅助密封；

（4）可以实现最大0.5MPa背压下手动的带压打开，最大2MPa背压下遥控打开。井涌或有排量时可以正常关闭。

由于旋塞阀工作环境特殊，还要求旋塞阀体具有以下特点：

（1）由于球与阀座之间采用金属对金属的密封，从顶部来的压力在下阀座与浮球之间形成密封，从井下来的压力在上阀座与浮球之间以及下阀座与浮球之间形成密封，利用多重密封保证密封的可靠性。

（2）可在阀上部增加压力，自动平衡较高的油气井压力，使阀能在额定工作压力下顺利打开。

（3）为了防止转动手柄时使浮球转过了90°，该阀需设置手柄正向旋转停止点，才能保证阀在关闭时能完全关闭，开启时能完全打开，使阀有一个平滑顺畅的流道。

（4）方钻杆旋塞的通孔应尽量和方钻杆水眼相同，旋塞的工作压力必须大于防喷器的工作压力。

（5）方钻杆旋塞需要专用的扳手来操作，此扳手应保存在容易取放的地方，以保证在发生突发事件时能够快速地关闭旋塞，保证工作的安全。

3 顶驱考克结构特点介绍

顶驱考克是顶驱主循环承载系统内部的一个部件。顶驱考克可实现钻具内快速（司钻操作旋钮后1～2s内完成）截止防喷，钳工手动截止防喷、接单跟防溅等功能。图2是顶驱主循环承载系统的三维模型[3]。

图2 顶驱考克在顶驱主循环承载系统的位置关系图

图2中：

（1）主轴——是顶驱向下传递钻井扭矩的核心部件；

（2）防松法兰——是使用顶驱卸扣时，防止顶驱内部螺纹松扣的辅助装置；

（3）分体式上考克、下考克——上下考克完全一致，采用双旋钮机构；

（4）一体式上考克、下考克——双球四旋钮，对称式结构，可颠倒使用；

（5）遥控机构——液压机械动力代替人力使旋钮旋转90°；

（6）保护接头——直接与下部钻杆母扣连接；

（7）背钳、背梁——实现对下部钻杆母扣的上卸扣，功能类似于液压大钳。

4 顶驱考克与方钻杆旋塞区别

顶驱考克与方钻杆旋塞工作性能一致，寿命通常为连续使用半年以上。顶驱考克与方钻杆旋塞比较有以下区别：

（1）机械结构区别：

①顶驱考克为了实现手动和遥控双驱动功能，其旋钮单元为双向驱动。而方钻杆旋塞为单旋钮，二者旋钮单元零件的机械结构不同。

②顶驱考克与考克之间需安装防松法兰，防松法兰安装条件为考克的外径尺寸公差在0～0.1mm以内，同轴精度达到0.05mm以内。而方钻杆旋塞不涉及到安装防松法兰的问题，因此对外径尺寸无特殊要求。

（2）工作便捷性区别：

①顶驱遥控考克完全由司钻控制，司钻操作旋钮后，1～2s内即可完成关闭或打开操作1次。钻井队通常使用遥控考克进行接单跟防溅，操作便捷，省时省力。

②顶驱考克拆卸操作复杂，需要依次卸开背梁销轴、背钳销轴、使背钳向后倾斜、拆防松法兰A、使用B型钳卸保护接头、拆防松法兰B、使用B型钳卸下考克、拆遥控机构、拆防松法兰C、使用B型钳卸上考克。完成上述操作通常需要1h以上。因此顶驱考克需要顶驱驱检修维护，提前发现故障，尽量在非生产时间进行更换。

5 总结

（1）顶驱考克为手动、遥控双驱双向驱动，而方钻杆旋塞为单向。

（2）顶驱考克对外径尺寸有着严格要求，而方钻杆旋塞没有特殊要求。

（3）在实际生产过程中，司钻可单独操作遥控考克进行钻进工作，方便快捷，但顶驱考克安装拆卸过程相对复杂，需要定期保养维修。方钻杆旋塞需人工操作但拆卸更换保养较为容易。

[1]聂海滨，于兴盛，岳苏，罗西超.旋塞阀密封失效机理分析与改进[J].北京石油机械厂，2010，39（4）:53-56.

[2]朱卫新，罗勇，陈彬，唐一元等.方钻杆旋塞阀工艺改进设计[J].石油矿场机械，2009,38（3）:85-87.

[3]北京石油机械厂.顶部驱动钻井装置操作手册[Z].2005:7-36.