旋轉防噴器鎖塊式鎖緊機構研制

屈志明，王紅杰，楊永寧，吳占偉

（河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北任丘 062552）①

旋轉防噴器鎖塊式鎖緊機構研制

屈志明，王紅杰，楊永寧，吳占偉

（河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北任丘 062552）①

通過對國外旋轉防噴器鎖緊機構的研究，從中發現不足之處；研制了新型的鎖塊式鎖緊裝置。該裝置采用液控操作，由活塞帶動嵌在殼體上的鎖塊完成鎖緊和解鎖功能，且具有顯示機構和機械鎖緊功能。克服了現有鎖緊機構外形龐大、費時費力的缺點。廠內試驗及現場應用表明：該機構結構合理，操作方便，能可靠地鎖緊和解鎖。

欠平衡鉆井；旋轉防噴器；鎖塊

欠平衡鉆井技術是20世紀90年代初興起的提高勘探開發效益的鉆井新技術，美國和加拿大應用最多，技術和裝備最先進。我國欠平衡技術開始于21世紀初［1］。目前，我國的欠平衡鉆井配套技術還不完善，相應的配套裝置也不成熟［2］。國內各大油田使用的旋轉防噴器大都依賴于進口，以Williams公司的7100型旋轉控制頭為主。

旋轉防噴器是井口安全控制系統的重要設備，也是欠平衡鉆井、地熱鉆井、煤層氣鉆井的必要設備之一，安裝在防噴器組的最上部。利用旋轉防噴器封住井口環形空間，同時保持管柱的旋轉作業［3-4］。旋轉防噴器通常由殼體總成和旋轉總成構成；常用的旋轉控制設備中，旋轉密封總成與殼體總成的鎖緊連接有螺栓連接和卡箍連接2種結構形式。對于螺栓連接結構形式，需操作人員到鉆探平臺下拆卸和安裝，拆卸耗時耗力，操作效率低。對于卡箍連接鎖緊結構形式，對鉆探平臺下的空間要求較大。在FX35-10.5／21型旋轉防噴器的設計中，設計了一種新型的鎖塊鎖緊聯接形式，有效地克服了螺栓連接和拆卸費時、費力及卡箍要求連接空間大的缺點。

1 旋轉防噴器鎖緊機構簡介

1.1 卡箍式鎖緊結構形式

目前，國內市場上常用的Williams 7100型旋轉防噴器采用卡箍式鎖緊裝置，如圖1所示。鎖緊卡箍將旋轉總成中的靜止外筒體與底部支承座固連在一起［5］。該鎖緊機構由2個半圓形的卡箍組成，在卡箍內部環槽內有上下2個斜面，分別與支撐座和筒體連接。在卡箍的一側，設計有外伸的法蘭，由液壓驅動旋轉水平方向的螺栓，實現鎖緊和解鎖功能。另外一側有1對互鎖的鉸鏈，用螺栓和螺母連接。卡箍式鎖緊結構的防噴器外形龐大，要求鉆探平臺下的空間較大。

圖1 美國Williams公司7100型旋轉防噴器

1.2 螺栓式連接結構

Shaffer公司生產的旋轉防噴器利用了球型環形防噴器密封壓力較高、密封效果好的優點，在環形防噴器的基礎上增加了旋轉功能，如圖2所示。殼體總成和旋轉總成采用多根螺栓連接，需要人工到鉆探平臺下拆卸和安裝，浪費大量的人力和時間。該旋轉防噴器結構復雜、價格昂貴、后續的維修成本較高，國內較少應用。

圖2 Shaffer公司的旋轉防噴器

2 鎖塊式鎖緊機構的研制

2.1 結構組成

為了避免螺栓式連接和卡箍式連接旋轉防噴器的缺點，研制了新型的鎖塊鎖緊機構，如圖3所示。該機構由鎖緊機構和顯示機構組成。鎖緊機構包括殼體、活塞、鎖緊缸、鎖塊、軸承套、上壓塊、下壓塊等；顯示機構由拉環、顯示桿和彈簧等組成。鎖塊鎖緊機構由液壓操作完成鎖緊和解鎖功能，省時省力，且外形結構較小，所需空間小。

2.2 工作原理

在工作時，來自液控系統的液壓油經由上壓塊的關閉油路進入鎖緊液缸內，推動活塞向下運動，同時使鎖塊產生徑向位移，最終鎖塊內部的上下2個斜面與軸承套斜面緊密接觸，實現鎖緊功能，如圖4所示。當解鎖時，液壓油經由下壓塊的開啟油路進入鎖緊液缸內，推動活塞向上運動，鎖塊退到活塞的環形空間內，旋轉總成與殼體脫開，鎖塊解鎖［6］，如圖5所示。

圖4 鎖緊活塞鎖緊位置

圖5 鎖緊活塞解鎖位置

2.3 結構設計

為節省空間，保證殼體總成與旋轉總成連接可靠，在殼體上部沿周向均布設計4個開窗，用于鎖塊嵌入殼體內部進行安裝。開窗的大小由所承受的載荷確定。在設計時，既要考慮開窗對殼體強度的降低以及開窗上部拐角處應力集中的產生，又要保證鎖塊具有足夠的承載能力。在鎖塊的內外圓弧處均設計有斜面，內圓弧的斜面與軸承套斜面相匹配，用于鎖緊和承載，外圓弧的斜面用于導向，與活塞配合更為平緩地完成鎖塊的徑向運動。在活塞的下面設計有一定高度環形槽，作為鎖塊解鎖時后退的空間。在殼體和軸承套之間采用雙層密封，將油壓密封和井壓密封分開控制，使密封更可靠。

為了避免誤操作，在鎖緊液缸上設計有鎖定顯示機構，可以顯示鎖緊活塞是否鎖定到位，同時也可以將鎖緊活塞機械鎖定在鎖緊位置，防止活塞脫開。當活塞處于鎖緊狀態時，拉環處于a位，當解鎖時，顯示桿壓縮彈簧，沿殼體的徑向向外運動，完全解鎖后，拉環處于b位（如圖3），表示處于解鎖狀態。當需要機械鎖緊時，需手動拉動顯示機構的拉環，使顯示桿嵌入活塞的凹槽內。

3 試驗

依據API Spec 16RCD規范，采用上述鎖塊式鎖緊結構，設計制造了FX35-10.5／21型旋轉防噴器，其產品圖片如圖6所示。該防噴器的最大靜密封壓力為21 MPa，最大動密封壓力為10.5 MPa，承壓起下鉆額定壓力為7 MPa。樣機組裝完成后，進行了各項出廠試驗，包括靜水壓強度試驗、靜壓試驗、動壓試驗、承壓起下鉆試驗。其中，旋轉防噴器旋轉動密封試驗：試驗井壓10.5 MPa，轉速為118～ 121 r／min，累計運轉時間為200 h（標準要求100 h）。通過對鎖緊結構的試驗，驗證該鎖緊機構操作方便，動作靈活，鎖緊可靠。

該防噴器在2010-09通過了中石油集團科技評估中心主持的專家技術鑒定。隨后，該防噴器投入現場使用，累計服役時間為2 a，防噴器運轉正常，鎖緊機構安全可靠。

圖6 FX35-10.5／21型旋轉防噴器

4 結論

1） 該鎖緊機構由液壓操作完成，鎖緊和解鎖方便快捷，減少或取消了人工高空大強度作業，降低了勞動強度，縮短了更換膠芯的時間。

2） 設計了鎖定顯示機構，可以檢查鎖緊活塞是否鎖定到位，直觀地顯示活塞的運動位置，極大地方便了現場的管理。

3） 必要時可采用機械鎖緊，防止誤操作導致解鎖。

4） 該機構外形尺寸小，節省了安裝空間。該機構已獲得國家實用新型專利。

［1］ 張衛萍，李宗清，楊德京.旋轉控制頭膠芯失效形式分析［J］.石油礦場機械，2003，32（3）：38-39.

［2］ 程艷，鄭沖濤.國內欠平衡鉆井主要裝備知識產權保護現狀分析［J］.鉆采工藝，2008，31（1）：56-59.

［3］ 曹月臣.旋轉環形防噴器結構分析及應用［J］.石油礦場機械，2013，42（7）：90-92.

［4］ 鄭泳，肖力彤，崔凱.Cameron式2FZ35-35型雙閘板防噴器研制［J］.石油礦場機械，2011，40（10）：80-82.

［5］ 陳家慶，王穎君，趙增元.Williams高壓旋轉防噴器國產化要點淺析［J］.石油礦場機械，2002，31（3）：1-5.

［6］ 李三平，蘇尚文，屈志明，等.一種鎖塊鎖緊聯接裝置：中國，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，工程師，主要從事井控產品的研發和管理工作，E-mail：18730785568＠139.com。