防噴器承壓起下鉆模擬試驗裝置研制

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(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

防噴器的可靠性研究是鉆井裝備制造行業和使用單位一直關注的問題，對防噴器進行承壓起下鉆模擬試驗是檢測防噴器可靠性的重要手段。API Spec 16A規范要求檢測防噴器性能，需進行防噴器承壓起下鉆壽命試驗。在規定滲漏率的情況下，要求鉆桿在一定井壓、一定速度下通過關閉的防噴器，檢驗防噴器的密封能力，并記錄試驗期間的井筒壓力和起下鉆速度[1]。河北華北石油榮盛機械制造公司承擔了國家的深水鉆井防噴器組及控制系統研制任務，設計制造了F48-70型水下防噴器組。為檢測防噴器組性能，需進行承壓起下鉆試驗。調研了國內幾家檢測機構，雖有類似的承壓起下鉆試驗裝置，但在起下鉆速度、防噴器放置空間等方面均達不到要求。為保證水下防噴器組有較高的可靠性，依據鉆井作業的實際工況和工作參數，研制了能夠模擬35 MPa帶壓井筒，起下鉆速度600 mm/s的試驗裝置。此試驗裝置可進行水下防噴器組性能試驗，還能夠完成旋轉防噴器及其他常規防噴器的承壓起下鉆試驗和技術研究。該試驗裝置有助于增強防噴器檢測和試驗能力，提高防噴器膠芯的質量，為防噴器現場應用提供準確的試驗數據[2-3]。

1 總體技術方案

研制的防噴器承壓起下鉆模擬試驗裝置由液壓控制系統、井口系統、蓄能器緩沖系統、電氣控制系統等組成。其中，液壓系統為試驗裝置提供起下鉆所需的起升和下壓動力，能夠精確控制起下鉆速度和行程，模擬起下鉆過程[4]。井口系統包括模擬井筒及增壓裝置，用于建立試驗過程中封閉帶壓環境，實現井筒增壓、穩壓、安全泄壓等功能。蓄能器緩沖系統用于穩定鉆桿在起下過程中由于體積變化帶來的井筒壓力波動[5-6]。電氣控制系統由配電裝置、電機驅動系統、控制系統、傳感器系統、電液比例閥組、數據采集記錄系統等組成。能夠依據試驗要求設定井筒壓力、起下鉆速度、起下鉆行程等，實時記錄試驗過程中各項數據和變化曲線，并生成試驗報表。

試驗裝置主要技術參數如表1所示。

表1 試驗裝置技術參數

2 關鍵部件研制

2.1 液壓動力及控制系統

液壓動力及控制系統主要包括泵組控制單元、液壓油箱冷卻單元、防噴器控制單元、壓力檢測裝置等。液壓動力及控制系統三維模型如圖1。

1—油箱單元；2—電機泵組；3—蓄能器；4—比例控制閥組；5—儀表盤；6—冷卻裝置；7—過濾裝置。

泵組控制單元采用5臺電機驅動恒壓變量泵并聯供液，單泵排量270 mL/r，系統總流量為2 025 L/min。單組電機功率為90 kW，裝機總功率為450 kW。系統工作壓力由主泵設定，電比例閥TDA控制起下液壓缸往復運行的速度和方向轉換，起下油缸兩側設有溢流閥，用于限制油缸兩腔的最高壓力。泵組出口、起下油缸塞腔和油缸桿腔配置壓力表及壓力傳感器，用于觀察和記錄液壓系統工作壓力。液壓油箱總容積為10 000 L。液壓系統配置單獨的循環冷卻裝置來控制油溫，冷卻裝置采用風冷形式，循環流量為1 000 L/min，散熱功率為135 kW。防噴器控制單元采用1臺高壓葉片泵提供油源，系統流量為295 L/min。配置50 L蓄能器，蓄能器出口壓力由比例減壓閥設定，能夠精確調節井液滲漏量。泵出口及防噴器關腔和開腔配置壓力表及壓力傳感器，可以觀察和記錄系統工作壓力[7]。

2.2 井口系統及起下裝置

井口系統由模擬井筒、升高法蘭、轉換短節組成。模擬井筒和升高短節采用28-35規格連接法蘭，?280 mm通徑，井筒深度2 000 mm。升高短節預留4個25.4 mm(1 英寸)SAE法蘭接口，用于連接緩沖井壓的蓄能器組。連接法蘭上開NPT 1型接口,連接軟管線及測量容器，計量試驗過程中泄露量[8]。起下裝置由液壓缸和起升框架組成，液壓缸用于帶動試驗芯軸運動，連接短節與液壓缸用起升框架連接，框架采用圓柱形筒形結構，對稱開觀察孔，用于觀察試驗鉆桿的起下情況。各部件之間采用止口定位。連接短節與防噴器連接法蘭上加工定位孔，配定位銷軸定位。裝置如圖2所示。

2.3 井口增壓系統

井口增壓系統的最高試驗壓力為35 MPa。系統主要有大流量注水單元、高壓增壓單元和壓力控制閥組組成，系統核心部件采用Haskel型氣動增壓泵，增壓泵可在0.6 MPa的低壓空氣驅動下，將介質水增壓至35 MPa。壓力控制閥組集中在控制閥匯上，配合電氣控制系統，能夠實現高壓泵自動升壓、自動卸壓、容器自動卸壓、自動保壓、分段試壓等控制功能。系統一但超壓，安全閥自動彈起，將多余壓力泄放，保證系統使用安全[9]。

井口增壓系統原理如圖3所示。

1—起下鉆液壓缸；2—活塞軸；3—試驗芯軸；4—轉換法蘭；5—升高法蘭；6—模擬井筒；7—防噴器；8—起升框架。

圖3 井口增壓系統原理

2.4 電氣控制系統

承壓起下鉆試驗臺的電氣部分主要由配電裝置、電機驅動系統、控制系統、傳感器系統等組成。采用西門子S7-1200 型PLC和7-200smart型PLC作為主控制器，組成分布式結構控制系統，共同實現系統驅動、高壓試驗控制、數據采集等功能[9-10]。系統的操作指令由工控機和觸摸屏組成的人機界面下達給控制系統，控制系統根據指令控制電動油泵的起停及電液比例控制裝置來驅動主液缸實現給定的起下速度和行程。液缸內部安裝有位置速度傳感器，可實時采集主液缸的位置和速度信號，實現對起下速度和距離的精確控制。電控系統操作臺如圖4。

圖4 電控系統操作臺

3 現場模擬試驗

進行了2FZ 48-70型水下防噴器的承壓起下鉆試驗。起下鉆速度速度設定為600 mm/s,井筒壓力設定為21 MPa，完成了5 635 m行程承壓起下鉆試驗。試驗過程中井壓波動為18.9～22.7 MPa，控制在10%偏差范圍內。試驗過程中電子測溫儀測量鉆桿溫度為14～18 ℃；井筒內水溫20.7 ℃。試驗芯棒總重力約8 kN，起下鉆液缸下行時塞腔壓力12 MPa，下行力為437.2 kN，膠芯對鉆桿摩阻力為69 kN，約占總下行力的16%，接近理論計算數值。直至試驗結束,防噴器關閉壓力為5 MPa，防噴器密封性能良好，滿足API 16A設計要求。試驗現場如圖5所示。

圖5 2FZ48-70型雙閘板防噴器承壓起下鉆試驗現場

4 結論

1) 該試驗裝置能夠模擬35 MPa井筒帶壓環境和600 mm/s起下鉆速度，可用于防噴器承壓起下鉆模擬試驗，為防噴器使用性能和密封膠芯的可靠性研究提供有效的試驗數據。

2) 對2FZ 48-70型雙閘板防噴器進行承壓起下鉆試驗，試驗結果符合API 16A設計規范要求，證明該試驗裝置滿足防噴器性能測試要求。

3) 井口系統用于模擬井筒帶壓環境，不僅用于承壓起下鉆試驗，也可為防噴器的水壓試驗和氣密試驗提供一個良好的測試平臺。

4) 起下鉆試驗速度達到600 mm/s時，井壓波動為18.9～22.7 MPa，接近10%壓力波動偏差，如果進行更大井壓載荷試驗，需增加蓄能器緩沖單元容積。

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[1] API Spec 16A.Specification for Drill Through Equipment[S].Third Edition.2004.

[2] API Spec 16D. Specification for Control Systems for Drilling Well Control Equipment[S].2004.

[3] API STD 53. Blowout Prevention Equipment Systems for Drilling Wells[S].2012.

[4] 顧和元，侯國慶，郭雪，等.水下防噴器組控制系統深水模擬試驗裝置研制[J].石油礦場機械，2013，42(4):1-5.

[5] 吳國輝，許宏齊，張寧，等.防噴器控制系統的蓄能器容積計算[J].石油礦場機械，2014， 43(6):27-30.

[6] 左其川，趙煥寶，雷廣進，等.不壓井作業模擬試驗裝置的研制[J].石油礦場機械，2013，42(9):69-70.

[7] 許宏奇，侯國慶，陳艷東，等. “3000米深水防噴器組及控制系統的研制”科技報告[R].中國科學技術信息研究所， 2014,738736188-2007AA09A101/01.

[8] 肖文生，于桂杰.起下鉆鉆柱縱振理論分析[J].石油礦場機械，2010，39(12):24-26.

[9] 楊進，劉書杰，周建良，等.深水石油鉆采工程模擬試驗裝置的研制[J].石油礦場機械，2011，39(8):1-3.

[10] 李博，李迅科，葛斐，等.深水防噴器組控制系統的模擬分析[J].石油機械，2013，41(11):74-78.