多功能一体式防喷器组研制

唐秋林，黄治湖，郑泳，3，刘鸣，杜文波，崔佳凯，赵琳

（1.四川宝石机械钻采设备有限责任公司，四川 广汉 618300；2.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；3.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西 宝鸡 721002）

0 引言

防喷器是用于钻井、试油、修井、完井等作业过程中关闭井口，防止井喷事故发生的井控装备。针对修井机钻台高度空间受限，将闸板、环形集成为一体的防喷器组，具有减轻整体质量、降低组合高度、减少泄漏点、省时省力等特点，适应钻修井机底座高度空间受限的现状，可实现钻修井提速，井控安全。

经过市场调研分析，2020年国内钻探公司修井机数量如表1所示，总量约853 台。

表1 2020年国内钻探公司修井机数量台

若按每套修井机配置一种型号的一体式防喷器组，现有常规防喷器每年按10%的更新率，同时加大新型产品的推广力度，未来3年修井用防喷器需求量如表2所示。

表2 未来3年修井用防喷器需求量台

目前，国内外没有厂家制造一体式防喷器组的类似产品。但是机械钻机和修井机作业中受到安装空间限制，一般首选一体式结构。一体式防喷器组可将环形防喷器、单闸板防喷器、钻井四通三者功能整体集成；也可将环形防喷器、双闸板防喷器两者功能整体集成，取消了法兰连接及法兰颈部尺寸，节约空间，减少连接件，使泄漏的可能性降至最低。因此具有高度低、现场维护操作安装简便、结构紧凑、节约安装与维护作业费用、提高生产效率、减少停产等特点。我公司研究设计了国内外首套车载修井机配套使用的F35（135/8in）-35（5000 psi）一体式防喷器组（通径为φ346.1 mm、压力级别为34.5 MPa）。

1 结构原理

多功能一体式防喷器组[1]可利用液压来打开和关闭胶芯2。当大活塞4在关闭腔液压油推动下向上运动推挤胶芯2时，胶芯2不断向上向心收缩，其间的橡胶被挤向井口中心，最终实现密封管柱（或全封闭井口）。当大活塞4在打开腔液压油推动下向下运动，此时胶芯2在本身弹力作用下复位，并最终处于自由状态，完全打开井口。其特征等同于环形防喷器。

同时可利用液压油来打开和关闭闸板总成13。当关闭腔液压油进入液缸6，推动小活塞11，带动活塞杆10进而带动闸板总成13向井口中心运动，并关闭空井口或环抱钻杆，然后旋转手动控制总成9推动锁紧轴8朝井口中心运动至贴合活塞杆10实现锁紧，最终实现关井。当旋转手动控制总成9带动锁紧轴8远离活塞杆10至完全到位，然后开启腔液压油进入液缸6，推动小活塞11带动活塞杆10，进而带动闸板总成13远离井口中心运动至完全到位，最终实现开井。其特征等同于闸板防喷器。其结构示意图如图1所示。

图1 一体式防喷器组结构图

2 主要技术参数

多功能一体式防喷器组技术参数如表3所示。

表3 技术参数表

液压工作系统的正常工作压力是10.5 MPa，工作的最大液压操作极限压力是31.5 MPa。采用API Spec 6A法兰（上、下均为栽丝结构）与其它井口设备连接，关闭及打开胶芯（环形胶芯及闸板）均采用液压操作。

3 关键技术

3.1 一体式防喷器组总体结构设计。

该产品是将环形防喷器、双闸板防喷器两者功能整体集成。由主壳体、环形胶芯总成、闸板液缸总成、闸板密封总成、侧门铰链总成和长短手总成组成。

3.2 一体式防喷器组壳体的铸造技术。

一体式防喷器组壳体采用铸件。为保证其整体铸造质量，不仅按照GB/T 20174-2006标准要求，控制S、P等有害成分的含量，而且还需完善铸造工艺设计流程：初步方案→三维建模→铸造模拟→修正方案→再次铸造模拟→最终方案→送出开模。

1）在铸造过程中，壳体中的厚大部位受热时间长，型砂易软化，形成粘砂后铸造缺陷，通过实验研究，采用耐火度较高的原砂有效解决了粘砂问题，提高了铸造成功率。

2）在冶炼过程中，铸造钢水的纯净度容易受到杂质和夹杂物的影响，产生铸坯裂纹，进而影响产品质量，通过试验研究，采用电弧炉+LF炉+VD炉组合冶炼方式，提高了铸坯质量。

3）在铸造热处理工序时，壳体中壁厚差异较大的部位，因应力集中而出现裂纹，通过实验研究，采用稳定、均匀的低温浇铸温度，保证了铸造质量。

4）在铸造模型制作时，木模外观复杂，整体难以从砂型中取出，通过试验及工艺技术改进，采用分模造型，将木模做成两半。在造型时可分别装在上、下砂箱中，起模方便，缩短了铸造周期。

3.3 一体式防喷器组壳体的机加工技术。

1）埋藏式长油孔的加工，加长钻头的设计及改造运用；

2）主通径与环形油缸密封部分加工成活，采用一次性装夹，保证其同轴度；

3）闸板窗口四角圆弧的加工采用先钻通孔、后镗孔的加工工艺，提高工作效率。

3.4 一体式防喷器组壳体的检测技术。

1）壳体的上部外形圆周、下部四方表面及所有内腔部位均采用超声波探伤；

2）超声波探伤时，为尽可能观察出壳体是否存在铸造缺陷，不仅采用横向探伤，还增加了纵向探伤手段；

3）壳体的上部外形圆周与下部四方之间的过渡大圆弧相贯处，采用渗透探伤方式，以保证壳体的铸件质量。

4 室内试验及现场应用情况

为满足钻井、修井现场使用的需要，对防喷器组进行强度、密封性能及通径试验[4]。

4.1 强度试验

为确保防喷器壳体及工作液缸在长期使用过程中不出现损坏、爆裂等安全事故，故壳体强度试验压力值应满足设计规范，为防喷器额定工作压力的1.5倍，即51.7 MPa（7500 psi）；液缸（含打开腔及关闭腔）强度试验压力值31.5 MPa。试验过程中，侧门与壳体间密封无泄漏、液缸总成无泄漏。试验完成后，检测结果显示壳体与液缸均无裂纹、损伤现象。

4.2 密封试验

为确保防喷器在长期使用过程中性能可靠、密封部位无泄漏等质量事故，故密封试验（含低压与高压）应满足设计规范，环形胶芯封零试验压力为2 MPa（300 psi）与10.5 MPa（1500 psi）；环形胶芯27/8in管柱密封试验压力为2 MPa（300 psi）与34.5 MPa（5000 psi）；闸板胶芯31/2in管柱密封试验压力为2 MPa（300 psi）与34.5 MPa（5000 psi）；闸板胶芯无管柱密封试验压力为2 MPa（300 psi）与34.5 MPa（5000 psi）。试验过程中，环形胶芯密封无泄漏、闸板胶芯密封无泄漏、侧门与壳体间密封无泄漏、液缸总成密封无泄漏。试验完成后，检测结果显示壳体、环形胶芯及闸板胶芯均无裂纹、损伤现象。

4.3 通径试验

通径试验务必在防喷器环形胶芯处于自由状态、闸板处于完全开启状态时，钻具能顺利通过防喷器的垂直主通径。

4.4 现场应用

2019年8月，在国外印尼Kasuri区块成功安装了一台F35-35型一体式防喷器组。经过现场作业程序调整、安装时间测算及安全风险评估等试验，与常规防喷器相比较，总体高度降低了230 mm；质量减轻了3500 kg。与常规防喷器优势对比如表4所示。

表4 一体式与常规防喷器优势对表比

5 结论

1）多功能一体式防喷器组的设计及制造均属国内外首创，降低了总高度，减轻了总质量。经过厂内及现场试验验证，省时省力的效果突出，完全满足修井作业配置要求，为后期的新产品推广提供有力的支撑。应用前景广阔，具有广泛的推广应用价值。

2）多功能一体式防喷器组的未来发展，不仅用于修井作业市场，而且能在钻井作业中发挥巨大的潜能，不论防喷器本体是铸件还是锻件，将来完全能取代传统防喷器组，它的一体式结构特点是具有降低平台高度、节约钻井时间、控制安全风险的优势，将给钻井配套设备市场带来极为深远的影响。

3）国内外不压井作业机中的井控设备包含有环形防喷器、单闸板防喷器、钻井四通、单闸板防喷器，层层重叠安装导致不压井作业机具有高度较高、质量较重、安装费时费力等特点，尤其是给运输带来很大的难题。

我国现阶段正在大力普及不压井作业机在油田市场上的应用，其年需求量正呈现稳步的上升趋势，而一体式防喷器组具有的结构紧凑、高度降低、质量减轻的优势特点在不压井作业机的配套井控装备中将是一个良好的补充。