海洋石油鉆井平臺(tái)防噴器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維造型畢業(yè)論文

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目錄1 緒論 .21.1 課題研究背景和意義 .21.2 深海防噴器組國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 .31.3 課題研究?jī)?nèi)容 .42 深海防噴器的組成及工作原理 .52.1 組成結(jié)構(gòu) .52.2 工作原理 .63 深海防噴器的設(shè)計(jì)要求、選配組合及材料選擇 .73.1 設(shè)計(jì)要求 .73.2 防噴器壓力級(jí)別選擇 .73.3 單向閥的設(shè)計(jì) .83.3.1 設(shè)計(jì)參數(shù) .83.3.2 幾何尺寸的確定 .83.3.3 受力計(jì)算和性能計(jì)算 .93.4 減壓閥的設(shè)計(jì) 103.4.1 設(shè)計(jì)參數(shù) 103.4.2 幾何尺寸的確定 113.4.3 靜態(tài)特性計(jì)算 123.5 防噴器的選配組合 133.6 材料選擇 154 環(huán)形防噴器設(shè)計(jì) 164.1 環(huán)形防噴器的組成和工作原理 164.2 環(huán)形防噴器的產(chǎn)品選型 184.3 環(huán)形防噴器三維設(shè)計(jì)圖 205 閘板防噴器 215.1 閘板防噴器的類型和工作原理 215.2 閘板防噴器的產(chǎn)品選型 235.3 閘板防噴器三維設(shè)計(jì)圖 246 鉆井四通 266.1 鉆井四通作用 266.2 鉆井四通三維設(shè)計(jì)圖 26結(jié) 論 28致 謝 29參 考 文 獻(xiàn) .301 緒論1.1 課題研究背景和意義石油的勘探鉆采作業(yè)在科技的推動(dòng)發(fā)展下，已經(jīng)漸漸成為全球經(jīng)濟(jì)的重要支柱，推動(dòng)著現(xiàn)代社會(huì)正常運(yùn)行下去。由于世界各國(guó)對(duì)石油的需求量增長(zhǎng)，陸地鉆油采集及對(duì)淺海域的常規(guī)開(kāi)發(fā)已趨于飽和，人們將眼光延伸至廣闊的海洋，對(duì)石油的鉆采勘探向著深水和超深水領(lǐng)域發(fā)展。隨著海洋石油勘探和開(kāi)發(fā)的進(jìn)程日益深入，深水鉆井漸漸成為一種主流的發(fā)展趨勢(shì)。如圖 1-1，為海洋鉆井示意圖，標(biāo)注 1-5 分別為鉆井船、隔水管、水下控制箱、環(huán)形防噴器、閘板防噴器。而保證安全鉆井最關(guān)鍵的設(shè)備，便是深海防噴器組。深海防噴器也叫水下防噴器，在石油鉆井時(shí)安裝在井口套管頭上，用于控制井口壓力，是井控設(shè)備中的核心設(shè)備。是海洋石油鉆井行業(yè)水下器具的部件之一，是設(shè)置在海底用來(lái)控制和防止井噴，保證海下作業(yè)順利完成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一 【1】 。圖 1-1 海洋鉆井示意圖防噴器最重要的作用是控制井內(nèi)壓力，防止井噴、井涌等危險(xiǎn)事故發(fā)生。在考慮到人員和設(shè)備安全的同時(shí)，也要求具有規(guī)避污染深海生態(tài)環(huán)境的作用。井噴是深海石油鉆探作業(yè)安全生產(chǎn)中的重大事故，主要是由壓力作用造成的。同時(shí)，失效的元器件或是失誤的人為操作都可能會(huì)導(dǎo)致井噴、井涌的產(chǎn)生。在鉆井作業(yè)的過(guò)程中，應(yīng)該保持地層壓力，使鉆井液密度始終大于地層流體壓力 【2】 。因?yàn)楹Ｑ筱@井的地理位置的緣故，導(dǎo)致人員及設(shè)備的救援困難性大大提升了，深水防噴器組的安全性能和可靠性要求也相應(yīng)變得極其高。深海防噴器組集電子、機(jī)械、液壓等多項(xiàng)技術(shù)于一體，技術(shù)含量高，產(chǎn)品附加值高。鉆井作業(yè)的水下深度、油氣層壓力和海底至目的層深度的不同，會(huì)導(dǎo)致深海防噴器組不同配置的產(chǎn)生。目前深海防噴器組已經(jīng)成為深海鉆井生產(chǎn)能夠安全作業(yè)的重要技術(shù)手段，也是石油工業(yè)走向海洋的的基礎(chǔ)。1.2 深海防噴器組國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀美國(guó)從 20 世紀(jì) 50 年代開(kāi)始研究生產(chǎn)水下防噴器，經(jīng)過(guò)三十年速度發(fā)展。90 年代，Shaffer 研發(fā)了以快速更換閘板為特點(diǎn)的 NEXT 型閘板防噴器。2008 年，美國(guó)JAMES I.LIVINGSTONE 申請(qǐng)了一個(gè)井下防噴器專利，分為兩部分：能夠與井壁形成環(huán)形空間和內(nèi)部通道的內(nèi)管。同時(shí)該防噴器還還一個(gè)單向閥和球閥，分別負(fù)責(zé)關(guān)閉井下防噴器的環(huán)形通道和內(nèi)部通道 【3】 。近年來(lái)，為使用井口回壓較高的欠平衡鉆井，美國(guó) Williams 公司研發(fā)出了 7000型和 7100 型高壓旋轉(zhuǎn)防噴器。該款防噴器有 2 個(gè)環(huán)形膠芯，大大提升了密封的可靠性。在深水防噴器組的設(shè)計(jì)生產(chǎn)、安全性能檢測(cè)方面，國(guó)外的防噴器公司積累了很多經(jīng)驗(yàn)。和深海防噴器組有關(guān)的科技一直被國(guó)外所壟斷，國(guó)內(nèi)廠商完全只能依靠進(jìn)口。從我國(guó)對(duì)于防噴器制造方面使用的規(guī)范性文件來(lái)看，一九八五年是一個(gè)分水嶺。一九八五年以前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的防噴器型號(hào)都表示為 KPY（KPY 為勘探液壓防噴器的漢字拼音字母）公稱通徑—最大工作壓力的形式。其中 cm 是公稱通徑的標(biāo)準(zhǔn)單位并且取其圓整值，kg/cm 2 是最大工作壓力的標(biāo)準(zhǔn)單位 【4】 。如型號(hào)為 KPY23-210 的防噴器，其最大工作壓為 210kg/cm2，公稱通徑為 230cm。一九八五年以后，防噴器型號(hào)的字頭仍然由漢語(yǔ)拼音字母組成。如圖 1-2，為一九八五年以后的防噴器型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，公稱通徑的單位不變，而最大工作壓力的單位則改變，以 MPa 表示。例如型號(hào)為 FZ23—21 的單閘板防噴器，其最大工作壓力為 21MPa，公稱通徑為 230mm。圖 1-2 1985 年后防噴器型號(hào)2008 年，為了打破國(guó)外對(duì)深海防噴器技術(shù)上的壟斷，我國(guó)正式立項(xiàng)“3000 米深海防噴器組及控制系統(tǒng)的研制”課題。2012 年 10 月，國(guó)內(nèi)首套 3000 米深水防噴器組及其控制系統(tǒng)，被華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司研制并通過(guò)國(guó)家科技部驗(yàn)收。作為國(guó)家“863”計(jì)劃“南海深水油氣勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)與裝備”的子課題之一，該項(xiàng)目的成功研發(fā)，填補(bǔ)了我國(guó)防噴器制造方面的不足甚至空白，是我國(guó)石油鉆采作業(yè)的重大突破，具有極其深遠(yuǎn)的意義。以目前國(guó)內(nèi)海工行業(yè)的發(fā)展水平來(lái)看，海洋工程可以以其深度劃分為海岸、淺海和深海工程。如何改善石油鉆井平臺(tái)，以便適應(yīng)深水、超深水等環(huán)境作業(yè)的安全性能要求，是未來(lái)深海防噴器設(shè)計(jì)所一直追求的目標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)的深海防噴器，大多是在國(guó)外成熟設(shè)計(jì)的產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，一旦修改幅度過(guò)大，便會(huì)產(chǎn)生各類的問(wèn)題。究其原因，缺乏創(chuàng)新，對(duì)設(shè)計(jì)理念的本質(zhì)的理解匱乏才是根本。1.3 課題研究?jī)?nèi)容當(dāng)今情況下，我國(guó)海洋油氣開(kāi)發(fā)已經(jīng)有近四十年歷史,但從科技和創(chuàng)新的角度來(lái)看, 深水防噴器組的生產(chǎn)制造技術(shù)主要被國(guó)外的少數(shù)大型公司所壟斷。國(guó)內(nèi)對(duì)于深海防噴器的相關(guān)研究與國(guó)際第一列隊(duì)的科技相比存在很大差距，基本處于劣勢(shì)地位。為此，如何在較短時(shí)間內(nèi)突破國(guó)外相關(guān)技術(shù)壟斷，努力進(jìn)入世界水平第一梯隊(duì)，適時(shí)進(jìn)入深海、超深海油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，形成具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)裝備體系，是我國(guó)石油工業(yè)急需解決的難題 【5】 。本文主要完成以下研究?jī)?nèi)容：1.根據(jù)防噴器結(jié)構(gòu)示意圖，考慮提高自動(dòng)化程度，其精準(zhǔn)要求和安全要求，制定設(shè)計(jì)海洋井口防噴器的總體設(shè)計(jì)方案；2.選擇合理的總體設(shè)計(jì)方案，利用 SolidWorks 軟件開(kāi)展防噴器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)；3.利用軟件設(shè)計(jì)海洋鉆井平臺(tái)防噴器的三維造型。2 深海防噴器的組成及工作原理2.1 組成結(jié)構(gòu)防噴器是鉆井井口裝置的主要組成部分。它是保安全、快速、優(yōu)質(zhì)鉆開(kāi)高壓油、氣層的關(guān)鍵設(shè)備。海底防噴器組具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)易，耐高壓耐腐蝕等特點(diǎn)。同時(shí)因?yàn)樘幵诤Ｑ蟓h(huán)境下工作，需要耐腐蝕耐低溫，其性能必須絕對(duì)可靠。防噴器作為鉆油作業(yè)環(huán)節(jié)中十分重要的一環(huán)，需要具備以下的特點(diǎn)：1.動(dòng)作迅速。環(huán)形防噴器的液動(dòng)封井時(shí)間通常小于 30 秒，閘板防噴器的液動(dòng)封井時(shí)間通常為 3—8 秒，而打開(kāi)液動(dòng)放噴閥的時(shí)間則通常為 3 秒。2.操作方便，安全可靠。井口防噴器的開(kāi)，關(guān)均采用液壓操作。3.現(xiàn)場(chǎng)維修方便。無(wú)論是閘板防噴器的閘板，還是環(huán)形防噴器的膠芯，如果壞了都可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修和更換。圖 2-1 一般防噴器三維建模深海防噴器組通常由環(huán)形防噴器、閘板式防噴器組成，如圖 2-1，為一般防噴器的三維模型圖，由上至下分為一個(gè)環(huán)形防噴器、三個(gè)閘板防噴器和一個(gè)管道四通。深海防噴器組的性能要求隨著水下深度的增加，也變得越來(lái)越高，防噴器組的高度變化會(huì)影響下部結(jié)構(gòu)。尤其是在無(wú)導(dǎo)向繩作業(yè)的情況下，這就需要防噴器與下部結(jié)構(gòu)留下足夠的間隙。2.2 工作原理鉆井過(guò)程中地層流體壓力大于井液密度，液控系統(tǒng)的高壓油進(jìn)入左右液缸關(guān)閉腔，推動(dòng)其活塞帶動(dòng)左右的閘板沿閘板室限定的軌道同時(shí)向井口中心移動(dòng)。閘板防噴器的閘板有四種，包括全封式和半封式。其中全封式閘板可以封住整個(gè)井口，而當(dāng)有鉆桿存在的時(shí)候，半封式可以封住井口的環(huán)形斷面。根據(jù)閘板防噴器傳遞的信號(hào)源，系統(tǒng)性地由下至上，一層一層實(shí)現(xiàn)防噴器的封井動(dòng)作。若最后若仍未實(shí)現(xiàn)封井動(dòng)作，則在緊急情況下啟動(dòng)最上層的環(huán)形防噴器，可處理任何尺寸的鉆具和空井。3 深海防噴器的設(shè)計(jì)要求、選配組合及材料選擇3.1 設(shè)計(jì)要求防噴器的技術(shù)要求：1. 滿足水下三千米的壓力要求，設(shè)計(jì)出海洋鉆井平臺(tái)防噴器的總體設(shè)計(jì)；2. 設(shè)計(jì)海洋鉆井平臺(tái)防噴器的三維造型。防噴器的工作要求：1. 根據(jù)示意圖，制定海洋井口防噴器的總體設(shè)計(jì)方案；2. 選擇合理的總體設(shè)計(jì)方案，開(kāi)展防噴器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)。3.2 防噴器壓力級(jí)別選擇表 3-1 API 推薦防噴器尺寸深海防噴器的工作環(huán)境是水下三千米，根據(jù)公式：（公式 3-1）ghP??式中——水的密度 3/10mk——引力取 gN/?計(jì)算得水下三千米壓力 MPap30深海三千米的液壓防噴器一般不會(huì)選用造耐壓艙，原因是質(zhì)量太重且海域狀況不一樣。如今選用的相對(duì)完善方案是壓力補(bǔ)償?shù)姆绞?，即利用壓力補(bǔ)償器使防噴器內(nèi)部壓力和環(huán)境壓力一致。這樣設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)就和常規(guī)一樣，降低系統(tǒng)的密封要求的同時(shí)，也減小了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的尺寸。則（公式 3-2）MPap6023??如表 3-1，考慮到深海工作環(huán)境的復(fù)雜性，采取 API 為 15M 的防噴器，最小垂直孔徑選擇為 mm。）（ 16/74.93.3 單向閥的設(shè)計(jì)3.3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)單向閥的額定壓力 60MPa，額定流量 200L/min，設(shè)低開(kāi)啟壓力 20MPa，其壓力損失為 0.4 MPa。設(shè)高開(kāi)啟壓力 40MPa，其壓力損失為 0.8 MPa。3.3.2 幾何尺寸的確定（1）進(jìn)、出油口直徑:（公式 3-3）m73.26.4??gVQd式中 一一額定流量 200 C L/mingQ——進(jìn)、出油口直徑 d 處油液流速，取 =6 (m/s)gVgV取 d=38mm。（2）閥座內(nèi)孔直徑 zD（公式 3-4）3)~(1-dz?取 =36mm。z（3）閥芯錐角的半角 和閥座錐角的半角z?z?（公式 3-5）?45z?（公式 3-6）)3~1(z????取 。?46z??（4）錐閥閥口最大開(kāi)口量 max?（公式 3-7）][2sinax szzpgDCQ?????將額定流量 =200lL/ min，流量系數(shù) C=0.77，閥座內(nèi)孔直徑 =36mm，閥芯錐gQzD角的半角 ，重力加速度 ，油液重度 。 ?46z??29.8m/sg? 24kg103.????sm?低開(kāi)啟壓力損失 = 0.4MPa 時(shí)， ；高開(kāi)啟壓力損失 =0. 1][sp?.61ax?? 2][sp?8MPa 時(shí)， 。m3.4ax??通過(guò)額定流量時(shí)，錐閥閥口開(kāi)口量低開(kāi)啟壓力損失 = 0.4MPa， =6.1mm 1][sp??；高開(kāi)啟壓力損失 =0. 8MPa， =4.3mm 。2][sp??（5）閥芯徑向孔直徑 jd（公式 3-8）jajZVQg?4?= 200L/mm， = 6m / S , 為閥芯徑向孔數(shù)，取 = 4。計(jì)算得出gQaj j jZ13.3mm。?jd3.3.3 受力計(jì)算和性能計(jì)算（1）閥芯將開(kāi)始移動(dòng)時(shí)所受的液壓作用力 kqF（公式 3-9）][42kqzkqpDF??低開(kāi)啟壓力下 =20MPa , =20358 N；高開(kāi)啟壓力下 =40MPa，1][kqpkq 2][kqp=40715N。kqF（2）錐閥閥口處在設(shè)定的壓力損失 下，油液作用于閥芯上的液壓力][sp?ayF（公式 3-10）][42szayDF??低開(kāi)啟壓力損失下 =0.4MPa , =407N；高開(kāi)啟壓力損失下 =0. 1][sp?ayF2][sp?8MPa， =813N。ay（3）閥芯運(yùn)動(dòng)阻力 vF（公式 3-11）rDLVv????閥芯與閥體孔的配合直徑 D=36mm ,閥芯與閥體孔的接觸長(zhǎng)度 L=80mm，閥芯運(yùn)動(dòng)速度 V=0.25m / s，油液動(dòng)力粘度, ，閥芯與閥體孔的單邊配合間spa???3-102.7?=0.003mm，帶入得 = 5.4N。r?vF（4）錐閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力 w（公式 3-12）zszpDCF???2in][??錐閥流量系數(shù) C=0.77，閥座內(nèi)孔直徑 =36mm，閥芯錐角半角 。z ?46z??低開(kāi)啟壓力損 = 0.4MPa , = 6.1mm , = 266N；高開(kāi)啟壓力損失1][sp??wF=0.8MPa , =4.3mm， =299N。2][sp?wF3.4 減壓閥的設(shè)計(jì)3.4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)減壓閥的額定壓力 =60MPa，額定流量 =200L/min，調(diào)壓范圍 21 MPa-gpgQ55MPa，流量變化進(jìn)口壓力變化引起的出口壓力變化量的允許值 0. 5 MPa，外泄漏量允許值 0.1L/min。3.4.2 幾何尺寸的確定（1）進(jìn)、出油口直徑（公式 3-13）m73.26.4??gVQd式中 一一額定流量 200 L/mingQ——進(jìn)·出油口直徑 d 處油液流速，取 =6 m/sgVgV取 d=28mm。（2）主閥芯大直徑 D 和小直徑 1從強(qiáng)度考慮（公式 3-14）d21?通過(guò)主閥芯與閥體間環(huán)形通道的流量公式為：（公式 3-15）VdDQ)(421???上式中流量 以額定流量 帶入，環(huán)形通道種油液流速 V ，取g sm/6?，Dd21?則轉(zhuǎn)化公式得到:（公式 3-16）gQD2.?將額定流量帶入，得 ，取 D=32mm , ,=16mm。m1.31d（3）阻尼孔直徑 和長(zhǎng)度0d0L理論上:（公式 3-17）md2.1~80?（公式 3-18）L570取 =1.0mm， =200mm。0d0（4）主閥口最大開(kāi)口量 max1?為了閥口在最大開(kāi)口量 時(shí)，油液流經(jīng)閥口不產(chǎn)生擴(kuò)散損失，應(yīng)使開(kāi)口面積ax1max1D??不大于主閥芯與閥體間環(huán)形截面積 。即：）（ 214dD??（公式 3-19）)(21max1D???將 D , 帶入，得到 。1d6ax1（5）導(dǎo)閥芯錐角半角 2?導(dǎo)閥過(guò)流面積和導(dǎo)閥芯與導(dǎo)閥座的接觸應(yīng)力的大小與 有關(guān)， 值小，過(guò)流面2?2積和接觸應(yīng)力大，反之就小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取 。?02?3.4.3 靜態(tài)特性計(jì)算（1）主閥芯最小位移量 和最大位移量min1xax1m最小位移量 ：min1x（公式 3-20）)(2max21gaxin1 pDCQ?????最大位移量 ：ax1m（公式 3-21）)(2min21axa1 pDCQg?????式中： 主閥口最大開(kāi)口量， 額定流量， 主閥閥口流量系數(shù)，取 ax1mg1C1C=0.6， D 主閥芯大直徑， 液壓油密度， 額定壓力， 出口最高調(diào)定壓力，ppmax2p出口最低調(diào)定壓力。min2p將數(shù)值帶入，得 =6.3mm, =6.4mm。min1xax1m（2）主閥彈簧剛度 和預(yù)壓縮量1rK1rX（公式 3-22）AxKGxDACQprrg 111ma2)(cos????????式中： 油液流過(guò)阻尼孔所造成的壓力降，G 主閥芯重力，A 主閥芯大直徑 D處截面積， 主閥口液流角，取 ， 主閥芯位移量。1??61??1x常設(shè)定 O.1MPa , ，主閥彈簧剛度 和預(yù)壓縮量minp?Mpa2.0minax???p 1rK，可以通過(guò)作圖法來(lái)求得 =382N/mm。1rX1rK由于閥芯重量產(chǎn)生的壓力相對(duì)于其他的壓力很小，所以 項(xiàng)，可以省略。AG將 ， ， 帶入，得到 =-3.8mm。max1?inp?1rK1rX（3）最低調(diào)定壓力和最高調(diào)定壓力時(shí)，阻尼孔所造成的最低壓力降和最高壓力降的核算（公式 3-23）)(67.1cos1max211DACQpGxXKpgr ????????）（將 = 6.3mm ， =6.4mm，帶入得：min1xmax1（公式 3-24）)(67.1cosmax2ax11in DACQpGXKp gr ????????）（（公式 3-25）)(.csin1ax1211max gr）（得 =0.2MPa， =0.34MPa。inp?axp?3.5 防噴器的選配組合深海防噴器組合的合理性和安全性，取決于石油鉆井作業(yè)時(shí)的危險(xiǎn)性和井身結(jié)構(gòu)、交通運(yùn)輸條件、人員技術(shù)素質(zhì)、深海壓力氣象海流、工藝技術(shù)難度、防護(hù)程度、深海流體類型和環(huán)境保護(hù)要求等諸多因素。簡(jiǎn)而言之，要求安全、合理和低成本。選擇防噴器組合時(shí)，主要考慮因素：1.通徑大小。公稱通徑應(yīng)該與其套管的尺寸想匹配。2.耐壓能力。對(duì)于可能出現(xiàn)的預(yù)期壓力，壓力等級(jí)必須大于其井口最高壓力。3.類型和數(shù)量。在空井或井內(nèi)有鉆具的情況下，能夠保證迅速并正常關(guān)井。表 3-2 IADC 推薦防噴器組圖 3-3 常見(jiàn)的 70MPa、105MPa 井口防噴器組合形式防噴器的設(shè)計(jì)、制造均按照 API Spec 16A 規(guī)范。如表 3-2 和圖 3-3 分別為 IADC推薦的防噴器組合和常見(jiàn)的 70MPa、105MPa 井口防噴器組合形式。本文防噴器脫變于“海洋石油 981” 超深水鉆井裝置中的防噴器組合。如圖 3-4，ф179.4 mm 鉆桿正常作業(yè)期間，可首選 ф179.4 mm 管子閘板達(dá)到長(zhǎng)期關(guān)井的效果。而如果不能有效關(guān)井，則可依次選擇關(guān)閉兩個(gè)變徑閘板中的任意一個(gè)；若還不能有效關(guān)井，則選擇關(guān)閉另一個(gè)變徑閘板。在這種情況下，可提供使用的 ф179.4 mm 鉆桿的閘板已經(jīng)有三個(gè)之多。所以在 ф179.4 mm 鉆桿作業(yè)中，有一個(gè) ф179.4 mm 管子閘板防噴器的同時(shí)，還有兩個(gè)變徑閘板防噴器可以選擇，其可靠性已經(jīng)達(dá)到了三重冗余性地標(biāo)準(zhǔn) 【6 】 。三重冗余性不僅使用簡(jiǎn)單，無(wú)需時(shí)間和科研的投入，而且可以在理論上達(dá)到零故障的效果。圖 3-4 “海洋石油 981” 防噴器組配置示意圖3.6 材料選擇高壓高溫應(yīng)用正在推動(dòng)石油和天然氣勘探和生產(chǎn)技術(shù)的限度。高溫高壓加上惡劣環(huán)境的存在對(duì)油井管來(lái)說(shuō)意味著一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的情況下。在這種情況下,要求管道不僅包括特征相關(guān)的材料特性,還有連接屬性和幾何公差都要滿足設(shè)計(jì)件。材料的性能要求包括在各種溫度下的力學(xué)性能。此外，如果硫化氫是存在于環(huán)境中，抗硫化氫應(yīng)力腐蝕是必需的，這也取決于其他環(huán)境條件。由于二氧化碳、氯化物含量和高壓環(huán)境的存在，高度腐蝕速率對(duì)材料性能是個(gè)極大的挑戰(zhàn)。由于深海三千米復(fù)雜的工作環(huán)境，防噴器材料不僅需要耐高壓，還要考慮到海水對(duì)防噴器材料的腐蝕問(wèn)題。為此，深海防噴器材料選擇采用鉻鎳鉬（25CrNiMo ） ，強(qiáng)度高，切削性好，淬透性低。焊接性差，焊前需經(jīng)高溫預(yù)熱，焊后需消除應(yīng)力。防腐蝕。防噴器承壓件均使用防硫材料的鍛件，防噴器表面鍍鋅，防噴器內(nèi)接觸高壓油的部位需要滿足 NACE MR-0175，抗硫化氫應(yīng)力腐蝕。4 環(huán)形防噴器設(shè)計(jì)4.1 環(huán)形防噴器的組成和工作原理環(huán)形防噴器是由于其封井元件——膠芯，呈環(huán)狀而得名。以前也曾稱萬(wàn)能防噴器，多效能防噴器或球形防噴器。從結(jié)構(gòu)上來(lái)講，環(huán)形防噴器的種類較多。目前根據(jù)膠芯形狀常用類型分為錐形防噴器、球形防噴器和組合防噴器，一般與閘板防器配套使用。如圖 4-1 和 4-2，分別為球形防噴器和錐形防噴器自上而下的結(jié)構(gòu)分析圖。環(huán)形防噴器能完成以下作業(yè)：1.當(dāng)井內(nèi)存在鉆具時(shí)，能夠密封各種形狀和尺寸的鉆桿；2.當(dāng)井內(nèi)沒(méi)有鉆具時(shí)，能夠短時(shí)間全封井口；3.當(dāng)使用緩沖儲(chǔ)能器時(shí)，能夠進(jìn)行強(qiáng)行起下鉆作業(yè)。 環(huán)形防噴器的工作原理是：環(huán)形防噴器頂蓋和殼體通過(guò)螺栓連接，通過(guò)在活塞缸上下的兩個(gè)液壓孔，可以控制活塞缸內(nèi)活塞的上下運(yùn)動(dòng)。鉆井時(shí)，鉆桿從防噴器通孔穿過(guò)，自然狀態(tài)下活塞處于活塞缸底部，膠芯處于開(kāi)閉狀態(tài)。當(dāng)井底高壓油向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，流經(jīng)支持筒將活塞向上推動(dòng)，使膠芯產(chǎn)生向上運(yùn)動(dòng)的力。同時(shí)膠芯又被頂蓋和墊片抵住，被迫向中心擠壓形成密封，封閉井口。圖 4-1 球形防噴器結(jié)構(gòu)分析圖 圖 4-2 錐形防噴器結(jié)構(gòu)分析圖4.2 環(huán)形防噴器的產(chǎn)品選型本文的環(huán)形防噴器選擇錐形防噴器。錐形防噴器的殼體與頂蓋均過(guò)經(jīng)熱處理，生產(chǎn)較為容易，成本較低，其外徑小于其它類型的環(huán)形防噴器，但高度較高。目前錐形膠芯類環(huán)形防噴器的殼體與頂蓋連接有三種形式：爪塊連接、大絲扣連接、法蘭連接。錐形防噴器的關(guān)鍵零件在于膠芯，具有如下特點(diǎn)：1.膠芯外側(cè)面呈園錐形,錐面母線與膠芯軸線夾角為 20°～25°膠芯，橡膠硫化在支承筋腹板的四周；2.井壓助封。如圖 4-3，為錐形防噴器的井壓助封原理圖。井內(nèi)壓力作用在活塞下端，推動(dòng)活塞上行，從而使膠芯閉合更加緊密；圖 4-3 井壓助封原理圖3.貯膠量大，膠芯筋板之間的橡膠均可擠向井口形成密封；4.膠芯工作以后逐步復(fù)原，能完全恢復(fù)到自環(huán)形防噴器膠芯由狀態(tài)，不影響鉆具通過(guò)；5.更換膠芯容易；6.壽命可測(cè)。華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司作為目前全球最大陸地防噴器制造商，一直關(guān)注中國(guó)海洋石油裝備的國(guó)產(chǎn)化，并在國(guó)家的大力支持下，研制出國(guó)內(nèi)首套 3000 米深水防噴器組及其控制系統(tǒng)。本文選取榮盛公司生產(chǎn)的 FHZ18—70 型號(hào)的環(huán)形防噴器，其技術(shù)參數(shù)如表 4-4：表 4-4 FHZ18—70 環(huán)形防噴器技術(shù)參數(shù)表4.3 環(huán)形防噴器三維設(shè)計(jì)圖如圖 4-5 為本文設(shè)計(jì)的環(huán)形防噴器三維模型圖，其中 1、2 部分為頂蓋和殼體。9 部分為墊片，起密封作用。5 部分為膠芯。4 部分為活塞，高壓油向上頂時(shí)，活塞會(huì)隨之向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)膠芯向中心運(yùn)動(dòng)，起到封閉井口作用。3 部分為支持筒，高壓油流經(jīng)的地方。6、7、8 部分為螺栓，起連接作用。圖 4-5 環(huán)形防噴器三維模型圖5 閘板防噴器5.1 閘板防噴器的類型和工作原理作為井控裝置重要的組成部分之一，閘板防噴器具有使用安全、開(kāi)關(guān)靈活、維修簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。閘板防噴器按其閘板室的數(shù)量可分為單閘板防噴器、雙閘板防噴器和三閘板防噴器三類。常見(jiàn)的閘板防噴器的結(jié)構(gòu)由以下部件組成：殼體、缸蓋、活塞、鎖緊軸、油缸、閘板活塞桿、和側(cè)門 【7】 。按閘板本身的結(jié)構(gòu)可以分成全封、半封、剪切和變徑。如圖 5-1 至 5-4，分別為全封閘板、半封閘板、剪切閘板、變徑閘板。圖 5-1 全封閘板圖 5-2 半封閘板圖 5-3 剪切閘板圖 5-4 變徑閘板閘板防噴器的外形類似方形，中間有供各類閘板水平運(yùn)動(dòng)的閘板室。閘板防噴器的上下部有三種連接方式：法蘭連接、栽絲連接、卡箍連接。閘板防噴器的用途如下： 1.當(dāng)井內(nèi)沒(méi)有鉆具時(shí)，能夠全封井口；2.當(dāng)井內(nèi)存在鉆具時(shí)，能夠封閉套管與鉆具之間的環(huán)形空間；3.在特殊情況下，可以使用剪切閘板切斷鉆具，實(shí)現(xiàn)封井目的；閘板防噴器的工作原理：當(dāng)閘板關(guān)閉時(shí)，高壓油進(jìn)入油缸關(guān)閉腔，高壓油向上運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)活塞、活塞桿。活塞桿推動(dòng)閘板向中心運(yùn)動(dòng)，使左、右閘板總成沿著閘板室內(nèi)導(dǎo)向筋限定的軌道，分別向井口中心移動(dòng)，達(dá)到封井的目的。5.2 閘板防噴器的產(chǎn)品選型閘板防噴器具有以下特點(diǎn)：1.閘板浮動(dòng)。保證其密封可靠。 2.閘板自動(dòng)清砂。閘板室內(nèi)部有波浪形曲線，退閘時(shí)可以起到清砂作用。3.井壓助封。在井內(nèi)有壓力的情況下，會(huì)產(chǎn)生一種向上的助封推力。井內(nèi)壓力愈大，其助封力愈大。4.閘板自動(dòng)對(duì)中。閘板上有凹凸的槽門，方便關(guān)閘時(shí)的自動(dòng)對(duì)齊。本文中的閘板防噴器以榮盛公司生產(chǎn)的 2FZ18—105 型號(hào)的鍛件閘板防噴器為原型，其技術(shù)參數(shù)如下：表 5-5 FZ18-105 閘板防噴器技術(shù)參數(shù)表 5.3 閘板防噴器三維設(shè)計(jì)圖如圖 5-6，為雙閘板防噴器的三維模型圖。1 部分為閘板防噴器的殼體， 3 和 4部分為側(cè)門和側(cè)門腔，6 部分為活塞桿，7 部分為鎖緊裝置外殼，8 和 9 部分為剪切閘板總成，10 部分為全封閘板總成，2 和 5 為螺栓，起連接作用。圖 5-6 雙閘板防噴器三維模型圖如圖 5-7，為三閘板防噴器的三維模型圖，其中 1 部分為閘板防噴器的殼體，3和 4 部分為側(cè)門和側(cè)門腔，6 部分為活塞桿，7 部分為鎖緊裝置外殼，8、9 部分為半封閘板總成，9 部分為變徑閘板總成，2 和 5 為螺栓，起連接作用。