闸板防喷器液压锁紧装置研究现状.pdf

专题研究 收稿日期2007203226 基金项目中石油集团应用基础研究计划项目06A20201 作者简介刘清友19652 , 男,重庆开县人,教授,博士生导师,主要研究方向为石油钻采设备的CAD/ CAM。 文章编号 1001234822007 1020001204 闸板防喷器液压锁紧装置研究现状 刘清友1,陈绍伟1,艾海提江2,王晓菊2,李晓明2 1. 西南石油大学 机电工程学院,成都610500 ;2.塔里木油田公司 工程技术服务部,新疆 库尔勒841000 摘要在对国内外液压锁紧装置研究现状进行分析的基础上,介绍了几种不同液压锁紧装置的结构 特点和优、 缺点。通过资料分析可知,闸板防喷器液压锁紧装置的研制正朝着类型多样、 降低闸板 胶芯磨损、 密封管径范围大、 自动化程度及可靠性更高等方向发展。从目前油气勘探开发的需求来 看,国内应大力开展液压锁紧装置的研究工作,包括理论研究、 检验标准的统一制定、 现场应用反馈 信息的收集整理等。 关键词闸板防喷器;液压锁紧装置;楔面自锁;单向棘齿 中图分类号TE931. 103 文献标识码A Current Status of the Research on Ram Preventer Hydraulic Locking Device LIU Qing2you1, CHEN Shao2wei1, AIHAITIJ IANG 2 , WANG Xiao2ju2, LI Xiao2ming2 1. College of Mechanical and Electronic Engineering , Southwest Petroleum University , Chengdu610500, China; 2. Engineering Technology Service Department , Tarim Oilf iled , Kuerle841000, China Abstract Ram preventer locking device is one of important equipment for killing well reliably. At present , the hydraulic locking device is used in lock of Ram preventer mainly. It has advantages of convenience and reliability. Based on the analysis of developing actuality , the structural char2 acteristics of several types of hydraulic locking device are discussed. It can be seen that various types , consideration of ram rubber wear and tear , range of sealing drill tools , automation level and high reliability are the directions of development of Ram preventer hydraulic locking device. From the need of development of oil , the domestic research of launching hydraulic locking device should be carried out , including the research of theory , establishment of test standard and collec2 tion and arrangement of feedback ination from well site. Key words ram preventer ; hydraulic locking device ; wedge lock ; unidirectional ratchet 闸板防喷器锁紧装置是保证闸板关闭可靠、 封 井安全的重要设备,分为手动锁紧装置和液压锁紧 装置。手动锁紧的作用是在防喷器液压关井后,采 用机械方法将闸板锁紧,保证闸板长期可靠封井,主 要包括液压关闭锁紧轴随动结构、 花键轴套结构、 液 压关闭锁紧轴不随动结构3类[1],其特点是利用人 工旋转手轮带动锁紧轴旋转关闭和锁紧闸板。虽然 可以达到防喷器闸板关闭和锁紧的目的,但是手动 锁紧结构的缺点是操作主要靠人工完成,劳动强度 大,效率低,特别是在紧急情况,例如,井中有有害气 体或液体喷出的情况下,操作困难或无法完成锁紧。 闸板防喷器液压锁紧装置是利用液压系统实现 闸板的锁紧和解锁。当闸板防喷器利用液压实现关 井后,随即在液控油压的作用下自动完成闸板锁紧 2007年 第36卷 石 油 矿 场 机 械 第10期 第1页 OIL FIELD EQUIPMENT 2007 ,3610 1～4 动作;当利用油压开井时,在液控油压作用下完成闸 板解锁动作,然后实现液压开井。闸板防喷器液压 锁紧装置由于自动化程度高,工作可靠,常用于海洋 钻井等一些特定作业要求的环境。由于液压锁紧装 置能够较好地满足井控操作的需要,因而在油田的 应用越来越广泛。 1 国内外发展情况 为了加快井控装置的自动化,解决海洋和恶劣 环境下防喷器闸板的锁紧问题,国外从20世纪60 年代开始该装置的研制工作,其中以Camron公司、 Shaffer公司、Hydril公司研制的闸板防喷器液压锁 紧装置为代表,在油田应用比较广泛。Camron公 司研制的锁紧装置是利用斜面活塞的楔面自锁原理 实现闸板轴的锁紧[2],最初闸板的关闭和锁紧装置 的操作是分开控制的,随后引入了机械顺序阀实现 防喷器闸板和斜面活塞的顺序动作,从而提高了自 动化程度。Shaffer公司在早期的SL、LWS型液压 锁紧装置上利用4块楔形锁紧块和弹簧实现闸板轴 锁紧,90年代中期,该公司采用4块楔形锁紧块和 半圆柱锁紧杆实现闸板的锁紧[3],主要解决了原产 品在闸板磨损后锁紧不可靠的问题。Hydril公司 对闸板防喷器锁紧装置的研制始于70年代中期,采 用锁紧螺母、 锁紧螺杆和单向离合器结合液压控制 实现防喷器闸板锁紧[426],80年代初,该公司又研制 了利用锁紧锥体、 锁紧楔块实现防喷器闸板锁紧的 装置[7],这些结构都在闸板磨损后的锁紧和装置的 维护上进行了改进。Baroid公司在90年代初提出 的锁紧槽杆和单向棘齿液压锁紧装置[8],也是利用 单向棘齿的防逆转机理,解决了防喷器闸板的多位 置锁紧和闸板胶芯磨损后的锁紧问题。 国内开展防喷器锁紧装置的研制时间较晚,生 产厂主要有河北华北石油荣盛机械制造有限公司 简称河北荣盛、 广汉川油井控装备有限公司简称 川油井控、 广汉思明石油钻采设备配套有限公司 简称广汉思明、 上海神开集团简称上海神开等。 20世纪90年代中期,河北荣盛采用环形锁紧块、 锁 紧活塞、 主活塞实现防喷器闸板的液力锁紧[9],近几 年,又研制了一种新型液压锁紧装置,采用锁紧螺 母、 锁紧螺杆和单向离合器实现闸板轴的锁紧[10], 这种锁紧装置类似文献[526 ]中提到的结构。广汉 思明、 川油井控和上海神开等研制生产的液压锁均 与国外Cmaron公司研制的斜面活塞楔面锁紧产品 类似[2]。 2 结构形式和特点 闸板防喷器锁紧装置的主要功能是在关闭闸板 后,利用液压操作机械装置实现闸板的锁紧。当需 开启闸板时,液压系统首先操作机械装置解锁,然后 再开启闸板,以便在闸板关闭后,维持关闭的密封压 力,保证可靠封井。闸板防喷器液压锁紧装置按锁 紧原理主要可以分为楔面自锁结构和单向棘齿防逆 转结构。 2. 1 楔面自锁结构 楔面自锁结构又可分成斜面活塞楔面自锁和楔 面锁块自锁结构等。Camron公司的液压锁紧装置 采用了斜面活塞楔面自锁结构,如图1 [2] 。 1 水平腔;2 斜面活塞;3 装置锁舌 图1 斜面自锁结构 在水平腔内封装中部开有锁舌孔的斜面活塞, 装置锁舌在壳体中心竖直腔的下段腔内,可穿过斜 面活塞的锁舌孔自由运动。锁紧的时候,油液从锁 紧进油道进入斜面活塞左端内推动斜面活塞向右运 动,使其斜面压住装置锁舌顶端斜面,实现装置的锁 紧。卸去油压后,自锁装置可以保证可靠的封井。 图2 机械顺序阀 该楔面结构可以部分 补偿闸板胶芯磨损带来的 密封影响。为了实现锁紧 面的楔面自锁,锁块的楔 面角一般取8 ～11,密封 行程较短。水平腔中斜面 活塞采用液压驱动,需要 增加附加的液压控制系统。为了实现斜面活塞和装 置锁舌杆的顺序动作,提高自动化程度,Camron公 司在产品中采用了机械顺序阀,如图2。防喷器打 开时,斜面活塞被油液驱动向左运动,当将要到达完 全解锁位置时,斜面活塞开始压缩机械顺序阀杆,直 到完全压缩并完全打开机械顺序阀亦即楔形活塞 到达完全解锁位置 , 高压油才进入液缸的闸板开启 腔,推动活塞带动左右闸板总成向离开井口中心方 2石 油 矿 场 机 械 2007年10月 向运动,打开井口。 类似装置在美国Cooper公司的产品[11]中也有 应用,如图3。 图3 槽形斜面自锁结构 不同的是该结构采用槽形斜面,目的是提高锁 紧面的摩擦力,增大斜面角度,增加锁紧装置的密封 行程,以补偿较大范围的闸板胶芯磨损。图4是2 种槽形斜面结构,图4a的锯齿斜面角φ为60 ～ 75,70 为最优值,图4b斜面活塞的斜面角φ为13 ～23,18 为最优值。 a 斜面锯齿形结构 b 斜面活塞结构 图4 槽形斜面结构 另一类楔面自锁结构利用4个锁紧楔块锁紧闸 板活塞,在Shaffer公司的产品采用过,参见文献 [3]。该装置可在一定范围内补偿闸板胶芯的磨损 量,保证闸板密封钻具的比压,并且锁紧楔面运动过 程中的接触都是面接触,不易产生应力集中。解锁 活塞位于闸板活塞内,不需要提供附加的液压系统 控制,该结构需要对原闸板进行复杂的改装和油道 布置,不利于推广使用。 2. 2 单向棘齿防逆转结构 在闸板防喷器锁紧装置上采用单向棘齿实现锁 紧,主要是利用单向棘齿啮合时,只能朝一个方向运 动,而另一方向运动受限的特点。按照棘齿空间布 置的特征,可将这类锁紧装置分为锁紧螺母、 螺杆、 单向离合器结构和锁紧槽杆、 单向棘齿结构2大类。 防喷器锁紧装置采用锁紧螺母、 螺杆、 单向离合 器结构实现锁紧始于20世纪70年代,C. Mack El2 lison[4]采用锁紧螺母、 锁紧螺杆锁紧环、 离合器结合 液压控制实现防喷器闸板锁紧。Richard A. Ol2 son[5]改进了C. Mack Ellison的结构,防喷器活塞 杆端部固定有螺杆,与之相配合的锁紧螺母与前离 合器板连接在一起,后离合器板固定在壳体上,离合 器棘齿实现防喷器闸板轴的锁紧。之后,Richard A. Olson[6]又在此基础上对原结构继续进行了改 进,去掉了解锁活塞,引入了解锁套筒,可以减少油 道设计。 图5是该类闸板防喷器锁紧装置的结构,主要 由液缸、 闸板活塞、 锁紧螺杆、 锁紧螺母、 单向离合器 等组成,前离合器环与后离合器环互相配合,均为圆 环状,其配合面均有棘齿,依靠弹簧力实现啮合和脱 离。只有前、 后离合器环脱离接触时,前离合器和锁 紧螺母才能反向旋转,即进入解锁状态。 1 液缸;2 闸板活塞;3 锁紧螺杆; 4 锁紧螺母;5 单向离合器;6 压板 图5 锁紧螺母 螺杆 单向离合器锁紧结构 关井时,高压油液推动闸板活塞向内运动,此 时,虽然离合器在弹簧的作用下处于啮合状态,但是 可以单向转动,因而锁紧螺母在锁紧螺杆上顺时针 转动,螺杆向关井方向运动,直到防喷器闸板将钻杆 密封为止,由于单向离合器限制了反向旋转,所以螺 杆不能后退开井,实现了闸板的锁紧;开井时,高压 油液首先作用在离合器活塞上,使前、 后离合器脱离 接触,此时,锁紧螺母可逆时针在锁紧螺杆上旋转, 防喷器闸板解锁,油压推动闸板活塞朝开井方向运 动,实现开井。 另一类单向棘齿防逆转结构锁紧装置是Baroid 公司制造的[8],与单向离合器棘齿的防倒转结构不 同的是,单向离合器的棘齿是在离合器板上呈圆形 均匀布置,而槽杆单向棘齿是平面或弧平面均匀 布置的。Denzil B. Smith等在20世纪90年代提出 了这种结构,该液压锁紧装置的活塞开有4个呈90 分布的锁紧槽杆空腔,可以容纳与之匹配的4个锁 紧槽杆,槽杆上的棘齿和棘齿锁块相互啮合和脱开, 实现闸板锁紧和解锁。 锁紧槽杆与棘齿锁块的啮合有2种结构,如图 3 第36卷 第10期 刘清友,等闸板防喷器液压锁紧装置研究现状 6 ,图6a是半弧形接触结构,图6b是平面接触结构, 图6b结构的优点是棘齿可以同时脱离和接触,不存 在半弧形结构一部分棘齿脱离,而另一部分棘齿仍 然接触的不足。 a 半弧形接触结构 b 平面接触结构 1 锁紧槽杆;2 棘齿锁块 图6 锁紧槽杆与棘齿锁块的啮合结构 这类利用单向棘齿防逆转结构的锁紧装置主要 优点有可多位置锁紧,密封行程较长;可在一定范 围内补偿闸板胶芯的磨损量,保证闸板密封钻具的 比压;操作简单,不需提供附加的液压控制系统,减 少控制系统的复杂性。但是,该装置这种通过锁紧 块和锁紧槽杆的单向棘齿相互啮合来实现锁紧的结 构比较复杂,当井压较高时,需要增加棘齿数,并且 对棘齿的性能及加工精度要求较高,加工时需要保 证棘齿一面的角度在85 ～90;维护费用较高,增加 了井控成本。 3 液压锁紧装置发展的特点 防喷器液压锁紧装置是最近40多年发展起来 的锁紧防喷器闸板必要的井控设备。目前,防喷器 液压锁紧装置的研制都是将油气井控制技术提高到 一个更科学、 更先进的水平为目的,从对国内外文献 资料的整理和分析可以看出液压锁紧装置发展的特 点。 a 类型多样化 从最初的利用楔面自锁原理 的斜面活塞锁紧装置和楔面锁块锁紧装置,逐渐向 利用单向棘齿防逆转结构的锁紧螺母、 锁紧杆、 单向 离合器组合的棘齿锁紧装置和锁紧槽杆、 单向棘齿 组合的锁紧装置发展。 b 功能日趋完善 最初的闸板防喷器液压锁 紧装置只是为了使人们摆脱手工操作带来的问题, 简单地利用液压代替手动,没有考虑闸板胶芯的磨 损、 密封管径的范围及现场油液质量等因素带来的 影响。现在的液压锁紧装置考虑了石油钻采现场对 锁紧装置的特殊要求,实用性更强。 c 控制系统越来越先进 从原来需要在防喷 器闸板关闭后利用液压锁紧闸板,到现在关闭与锁 紧顺序自动完成,自动化程度更高。 4 结语 目前,井控工作已经进入了一个新的阶段,作为 保证闸板防喷器可靠封井的液压锁紧装置也逐渐引 起人们的重视,对高压闸板防喷器的研制,也势必会 带动对其锁紧装置配套设备的研究,这是提高井控 工作的关键,更是强化人身安全和环境保护的需要。 液压锁紧装置已经在国外得到了迅速的发展和应 用,但是尚未形成对这一产品质量进行检验的统一、 可行的标准国内一般采用对防喷器闸板密封性能 的试验间接证明 , 也未见文献对闸板防喷器液压锁 紧装置的锁紧机理进行理论上的分析和研究,这也 制约了锁紧装置的发展和推广应用。与国外相比, 国内研制和应用工作开展得比较晚,进展缓慢,且大 都借鉴国外已有产品。目前,虽然国内一些生产厂 已经研制出闸板防喷器液压锁紧装置,但使用效果 不理想。因此,应在国内大力开展液压锁紧装置的 研究工作,包括理论分析与研究、 标准的统一制定、 现场应反馈信息的收集整理等。 参考文献 [1] 刘景伊,周全兴.钻井工具使用手册[ K].北京科学 出版社, 1990 2732275. 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