旋转防喷器总体方案设计与评判

范 强，吴松松，许 萍

1 西南石油大学机电工程学院 2 西南石油大学材料科学与工程学院 3 原成都军区联勤部油料监督处

0 引言

旋转防喷器（RBOP）又称旋转控制头（RCH），是欠平衡钻井、地热钻井、煤层气钻井的必要设备［1］。旋转防喷器在平衡钻进或起下钻的过程中，通过旋转万能防喷器（PCWD）系统泵站的控制，使旋转防喷器处于关闭状态，主动型胶囊收缩，封住了钻柱与井口装置的环形空间，使钻井液不能从井口环隙喷出。它可以提供安全有效的压力控制，在限定压力下允许钻杆旋转，实施带压钻井，将井眼返出的流体导离井口和封闭钻杆与方钻杆。佘晓梅［2］针对现有环形防喷器的缺点，设计出爪块式球形胶芯环形防喷器，试验表明，该新型结构环形防喷器满足油气田井控要求，具有密封可靠、不易拉缸等特点。平恩顺［3］对闸板防喷器前部胶芯密封失效而导致反循环压井失败的难题，提出了一种闸板防喷器密封失效工况下麻纤维软填料临时补救措施。杨永宁［4］对用户在选择闸板防喷器结构型式方面的迷茫性，对钻井现场常用的Cameron和NOV Shaffer两种类型的闸板防喷器结构固有特性进行分析研究，总结优缺点，为用户依据钻井作业现场各种工况和维修能力自主选择防喷器结构型式提供了理论依据。

本文针对旋转防喷器进行了总体的功能分析，分成若干个功能元，对部分功能元进行选择、改进和优化，然后重组，提出多种总体方案，并采用模糊综合评判对不同的传动方案进行了模糊综合评判，最后做出合理的评价与选择。

1 旋转防喷器方案功能原理设计

1. 1 旋转防喷器的功能元分析

旋转防喷器的总体方案功能原理设计是在保证实现功能的前提下，力求提出较多的组合方法以供比较和选择［5-9］。通过功能分析，旋转防喷器的总功能分成7个功能元，即为轴承润滑功能元、轴承冷却功能元、旋转动密封功能元、钻具密封功能元、锁紧装置功能元、旋转总成功能元、控制功能元。

通过对国内外高压旋转防喷器的结构、工作性能、制造成本、维修费用和使用寿命等因素的比较分析，本文选用一般液压控制功能元、司钻远程控制功能元和一般旋转总成功能元，且着重对轴承润滑功能元、轴承冷却功能元、旋转动密封功能元、钻具密封总成功能元和锁紧装置功能元进行比较设计。旋转防喷器功能方案形态学矩阵如表1所示。

由表1分析得，旋转防喷器总体方案有1×1×3×4×2×6×8=1 152种。

表1 旋转防喷器功能方案形态矩阵

1. 2 旋转防喷器功能元的选择

1. 2. 1 轴承润滑功能元和轴承冷却功能元的选择

由于本文研究的都是高静压力、高动压力的旋转防喷器，即只有高压油润滑和水冷才满足。并且为了提高轴承的寿命，本文采用旋转防喷器冷却改进后的系统［10］。因此，本文选择液压控制锁紧、高压油润滑和改进后水冷或油冷。

1. 2. 2 轴承系统密封功能元的选择

旋转控制头的轴承对密封的要求较高，原因是旋转控制头的工作动压最高至21 MPa；静压最高至35 MPa； 转速为200 r/min。工作条件也十分恶劣［11］。

填料密封的特点是结构简单且易于制造，适用于低压、低转速场合；机械密封的缺点是空间大，价格昂贵，且对副密封要求高［12］；Y型密封圈可借助钻井液压力自行封紧［13］；国内在以前设计的旋转防喷器中采用V型密封方式的较多［11］。由于国内材料及制作工艺等原因，我国采用的密封摩擦较大，润滑差，密封圈的可靠性远远比不上国外。因此轴承系统密封问题仍是影响高压旋转防喷器工作寿命的最关键因数之一［14］。国外的旋转防喷器，常采用Kalsi密封［15］，其装置最早应用于石油器材。本文选择Kalsi密封方式。

1. 2. 3 胶芯功能元的选择

根据与中心管连接胶芯不同，可将旋转防喷器分为混合式、主动式和被动式［16］。其中最常见的被动式为锥形胶芯型密封，如图1所示。主动式旋转控制头的种类很多，其中由美国的威廉斯公司、四川的钻采工艺研究院、大庆钻井工程技术研究院等最为出众。最常见的主动式为胶囊膨胀型，如图 2所示。

图1 锥形胶芯被动式

图2 胶囊胶芯主动式

1. 3 旋转防喷器创新性重组

由上文分析，可采用如下4种方案。

1. 3. 1 方案一：A1+B1+C2+D2+E3+F5+G4

此结构如图3所示，采用上下两个锥形胶芯进行密封，这种结构与Williams 7100型旋转防喷器类似［17-18］。结构设计较简单，所相配套的零件安全系数较低，所生产要求相对较低，这也是目前最普遍的高压旋转防喷器。

图3 双锥形胶芯旋转防喷器

1. 3. 2 方案二： A1+B1+C2+D2+E3+F5+G6

此装置为单胶囊主动式旋转防喷器，如图4所示，只采用一个主动式密封胶囊对钻杆进行密封。

图4 单胶囊型旋转防喷器

1. 3. 3方案三： A1+B1+C2+D2+E4+F5+G7

此装置为双胶囊型旋转防喷器［19］，如图5所示，设置双胶囊的目的主要是为了当钻杆接头经过上胶囊时，上胶囊自动泄油，此时小胶囊主要承担抱紧钻杆的工作，当钻杆接头的中部到底上胶囊时，上胶囊开始冲油，开始抱紧钻杆，当钻杆接头经过下胶囊时也是如此，以此来保证至少有一个胶囊抱紧钻杆接头，且只有一个胶囊工作的时间很少，这样减少了当钻杆接头经过胶囊是对胶芯的磨损，延长了胶芯的使用寿命。

图5 双胶囊型旋转防喷器

1. 3. 4 方案四：A1+B1+C2+D2+E4+F5+G3

此装置为上胶囊下胶芯型混合式旋转防喷器，如图6所示，集合了单纯的主动型与单纯的被动型的一系列优点，提高了可靠性，且主动型胶囊采用了内镶铁块式的胶芯［20］，能提高胶芯的使用寿命。

由于这几个旋转防喷器涉及多个不同的变量，不方便直接进行比较来确定孰好孰坏，在不同的实际应用中，每个旋转防喷器的优点和缺点所占的权重也不一样，所以本文使用模糊综合评判的方法来对这几种防喷器进行比较。

图 6 上胶囊下胶芯混合式旋转防喷器

2 基于模糊综合评判的旋转防喷器总体方案评价

所谓模糊综合评判是指对多种模糊因素所影响的事物或现象进行总的评价［21-23］。

2. 1 建立因素集

影响旋转防喷器传动方案评判的因素：

式中：u1—设计水平；u2—占地面积；u3—工作性能；u4—制造成本；u5—维修费用；u6—使用寿命。

2. 2 建立评价集

总评判的结果为各种满意等级，即：

2. 3 建立权重集

对总体方案的评判，需要根据自己的情况来拟定合适的比重。设计水平、占地面积、工作性能、制造成本、维修费用、使用寿命6种因素权重可记作：

根据对旋转防喷器的工作地现场研究发现，一般的油田对占地面积要求不是很大，对产品的工作性能；对工作人员的安全环境和成本费用要求更大。因此对各因素的权重可确定为：

2. 4 单因素模糊评判

单独从1个因素出发，不同设计方案的设计水平、结构紧凑、工作性能、经济学、使用寿命的优缺点对比如表2所示。

表2 旋转防喷器不同设计方案优缺点对比

对方案1旋转防喷器每个因素进行评判，得到单因素评判矩阵为：

同理可得方案2、方案3和方案4的单因素评判矩阵分别为：

2. 5 模糊综合评判

同理可得其余3种模糊评判指标为：

由式（10） ～ 式（13）可知最左边的数据对应的“好”B3和B4远远比B1和B2大，且B3的数据最大，且第二列数据对应的“较好”B3也比B4的大。综上所述，当注重工作性能时，方案3的工作性能最好，其次是方案4，然后是方案1，性能最差的是方案2。

3 结论

（1）采用功能原理设计对高压旋转防喷器进行功能分析，择优设计出双被动型锥形胶芯旋转防喷器、单个主动型旋转防喷器、双主动型旋转防喷器和混合型旋转防喷器4种较好的总体方案。

（2）当综合考虑设计水平、占地面积、工作性能、制造成本、维修费用和使用寿命，同时注重工作性能时，应优先选择双主动型旋转防喷器总体方案。它的优点是胶芯的寿命大大提高，可靠性也提高，同时还减少了维修费用。