閘板防噴器增力缸式楔塊液壓鎖緊機構的研制

廖偉恒 李子良 范俊 張軍鋒

【摘? 要】國內使用的楔塊式液壓鎖緊閘板防噴器經常出現不能解鎖的情況。為此，論文研制了增力缸式楔塊液壓鎖緊機構，成功解決了這一問題，從而確保了井控安全，減輕了井隊現場操作工人的勞動強度，提高了井場作業的工作效率。

【Abstract】The wedge-type hydraulic locking ram-type blowout preventer used in China is often unable to be unlocked. For this reason， the paper develops a wedge-type hydraulic locking device with booster cylinder， which successfully solved this problem， thus ensuring the safety of well control， reducing the labor intensity of on-site operators in the drilling team， and improving the work efficiency of the well site operation.

【關鍵詞】增力缸;楔塊;液壓鎖緊機構;防噴器

【Keywords】booster cylinder; wedge; hydraulic locking device; blowout preventer

【中圖分類號】TE921? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）03-0164-02

1 引言

閘板防噴器是井控裝置的關鍵部件，主要用于鉆井、修井、試油等過程中控制井口壓力，有效防止井噴事故發生，實現安全施工[1]。閘板防噴器的鎖緊形式分為手動鎖緊和液壓鎖緊兩種。由于液壓鎖緊閘板防噴器的自動化程度高、工作可靠[2]，近年來被油田用戶廣泛使用，特別是海洋水面和水下鉆井均采用液壓鎖緊閘板防噴器。國內油田使用的液壓鎖緊閘板防噴器多為楔塊式，在使用過程中，經常需要長時間關閉防噴器閘板總成，閘板總成的前密封橡膠件就會因防噴器長時間關閉，將其壓縮后的反作用力通過防噴器閘板軸的斜面反作用在楔形活塞的斜面上，井壓越高，井壓對閘板總成的作用力越大，使得兩斜面間的正壓力越大，兩斜面相對運動時摩擦力也越大，最終可能會出現楔形活塞難以解鎖，閘板總成無法打開的情況。為解決此類問題，滿足現場使用要求，保障井控安全，經過多次研究探索，研制了增力缸式楔塊液壓鎖緊機構。

2 閘板防噴器楔塊式液壓鎖緊機構的研究現狀

2.1 國外現狀

美國CAMERON公司是全世界最知名的防噴器制造商，該公司的液壓鎖緊閘板防噴器采用楔塊式結構，利用斜面自鎖完成防噴器的鎖緊。鎖緊機構主要由楔形活塞、鎖緊液缸、閘板軸、鎖緊活塞等零件組成，其缺點為解鎖需要單獨油路，控制系統需要增加一條管線才能滿足使用要求。

2.2 國內現狀

國內楔塊式液壓鎖緊閘板防噴器大都仿照美國CAMERON公司的斜面鎖緊機構進行研制，并在其基礎上增加了順序閥，使防噴器解鎖和閘板打開為同一油路，但在閘板長期關閉后，仍經常出現不能解鎖的情況。

3 結構設計及工作原理

3.1 結構設計

在分析研究國內外閘板防噴器楔塊式液壓鎖緊機構的優缺點后，對其結構進行了改進和創新。改進后的楔塊式液壓鎖緊機構主要由解鎖增力缸、增力缸活塞、增力缸缸蓋、楔形活塞、鎖緊液缸、鎖緊活塞、解鎖缸蓋、鎖緊缸蓋、順序閥組成（見圖1）。由于解鎖增力缸的設置，大大降低了解鎖壓力和手動解鎖的可靠性，提高了防噴器的可靠性。

1解鎖缸蓋;2解鎖增力缸;3增力缸活塞;

4增力缸缸蓋;5楔形活塞;6鎖緊液缸;

7鎖緊活塞;8鎖緊缸蓋;9順序閥

3.2 工作原理

①關閉閘板并鎖緊，鎖緊位置如圖2a所示。液控系統高壓油進入左右油缸閘板關閉腔時，推動活塞帶動左右閘板總成沿殼體閘板腔分別向井口中心移動，實現封井。同時，高壓油進入左右鎖緊液缸鎖緊腔，推動楔形活塞，使楔形活塞的楔面與閘板軸端的楔面靠緊，實現自動鎖緊閘板，這時可卸掉來自液控系統的高壓油。

②解鎖并打開閘板，解鎖位置如圖2b所示。液控系統高壓油首先進入左右鎖緊液缸的解鎖腔及解鎖增力缸，推動楔形活塞，使楔形活塞的楔面與閘板軸端的楔面脫開，當將要到達完全解鎖位置時，楔形活塞開始壓縮設置于解鎖位置的單向閥的閥桿，直到完全壓縮并完全打開單向閥（亦即楔形活塞到達完全解鎖位置），使高壓油進入油缸的閘板開啟腔，推動活塞帶動左右閘板總成向離開井口中心方向運動，打開井口。

a.鎖緊位置? ? ? ? ? ? ? ? ?b.解鎖位置

1解鎖缸蓋;2解鎖增力缸;3增力缸缸蓋;4楔形活塞;

5鎖緊液缸;6鎖緊缸蓋;7順序閥;8鎖緊活塞;

9閘板軸;10增力缸活塞

4 改進創新

增力液缸通過增力缸蓋與鎖緊液缸解鎖端串聯，增力液缸直徑與鎖緊液缸解鎖端直徑相同，在相同的解鎖液控壓力下，解鎖力提高一倍。同時，在增力活塞運動過程中，可對楔形活塞產生沖擊力，降低解鎖難度。

5 工廠試驗

為了進一步驗證帶增力缸的楔塊式液壓鎖緊機構的可靠性，河北華北石油榮盛機械制造有限公司按照API SPEC 16A—2017 Specification for Drill-through Equipment規范中4.7.3.3的要求[3]，對FZ35-70帶增力缸楔塊式液壓鎖緊閘板防噴器進行了疲勞試驗。每開關7次進行1次壓力試驗，包括低壓1.4～2.1MPa和高壓70MPa試驗[4]。共完成546次開關和78個壓力循環，在每第7次壓力循環后，卸掉液壓進行鎖緊密封試驗。

試驗過程中防噴器鎖緊和解鎖靈活，解鎖液控壓力為5～6MPa。試驗結束后對液壓鎖緊機構進行拆解，各零件均完好。

6 現場應用

從2018年開始，已有50余臺帶增壓缸楔塊式液壓鎖緊閘板防噴器發往現場使用，分別經受了海洋水面環境、沙漠環境、奇景環境等惡劣工況的考驗。截至目前，防噴器未出現不能解鎖的情況。

7 結論

①增力液缸通過增力缸蓋與鎖緊液缸解鎖端串聯，在相同的解鎖液控壓力下，解鎖力提高了一倍。同時，在增力活塞運動過程中，可對楔形活塞產生沖擊力，降低解鎖的難度。

②生產出的樣機完成疲勞試驗，試驗結果符合API SPEC 16A—2017 Specification for Drill-through Equipment規范的要求。

③經各種工況使用，帶增壓缸楔塊式液壓鎖緊機構性能優越，可滿足使用要求。

【參考文獻】

【1】劉清友，陳紹偉，艾買提江，等.閘板防噴器液壓鎖緊裝置現狀研究[J].石油礦場機械，2007，36（10）：1-4.

【2】朱海燕，劉清友，肖曉華，等.閘板防噴器液壓鎖緊裝置現狀及發展研究[J].石油鉆探技術，2008，36（4）：83-86.

【3】API SPEC 16A—2017 Specification for Drill-through Equipment[S].

【4】孟慶榮，李俊，杜平，等.閘板防噴器液壓鎖緊裝置的改進[J].石油礦場機械，2011，40（11）：51-53.