地面防喷器控制装置大排量气动油泵研制与应用.pdf

2 O 1 4年 第 3期 第 4 3卷 第 7 2页 石油 矿 oI L FI ELD 场 机械 E QUI P ME NT 2 O 1 4 ， 4 3 3 7 2 7 5 文 章 编 号 1 0 01 - 34 8 2 20 1 4 03 00 7 2 0 4 地面 防喷器控制装置大排量气 动油泵研制与应 用 方志猛 ， 李 英 ， 陈慧慧 ， 郭 晨 ， 王晓颖 ， 何伟红 ， 杜金凤 北 京石油机械厂 ， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 地面防喷器控制装置对气动油泵 系统的要 求越来越 高， 普通气泵很难满足要求。研制了一种 新型高压大排量气动油泵 ， 并对其主要零件的材料 、 参数和理论排量进行了设计计算。该泵有较高 的流量和压力输 出， 泵效高， 性能稳定 ， 结构 简单 ， 工作安全可靠。已广泛应用于国内外油田现场 ， 为今后 该 类泵 的研 制提 供 了理论 依据 和参 考 。 关键 词 防喷 器 ； 控制 装置 ； 气动 油 泵 ； 高压 ； 大排 量 中图分类 号 TE 9 3 1 ． 1 文 献标识 码 B De v e l o p me n t a n d Ap p l i c a t i o n o f H i g h Du t y Pn e u ma t i c Pu mp o f t h e Co n t r o l S y s t e m f o r S u r f a c e M o u n t e d BOP S t a c k s F ANG Z h i me n g， LI Yi n g， CHEN Hu i h u i ， GUO Ch e n， W AN ；Xi a o y i n g， HE W e i h o n g， DU J i n f e n g Be i j i n g Pe t r o l e u m Ma c h i n e r y C o ．， Be i j i n g 1 0 0 0 8 3， 7 1 l i n a Ab s t r a c t The s i t u a t i o n m a i nl y f o c u s e d o n i n t hi s a r t i c l e i s n o r m a l p ne u ma t i c pu m p c a n t f i t t h e hi gh l y i nc r e a s e d s ys t e m r e q ui r e m e nt ． Thi s a r t i c l e p r e s e n t s a n i nd e pe nd e n t r e s e a r c he d a nd de ve l o pe d h i g h pr e s s u r e， hi g h du t y p ne uma t i c pu m p， de c l a r e ma t e r i a l o f ma i n c o m p o ne n t s， s pe c i f i c a t i on a n d c a l c ul a t i o n o f t he o r e t i c a l f l o w． I n t he me a n t i m e， t he a r t i c l e s t a t e s t he a d v a n t a g e s of h i g h d ut y pne u m a t i c pu m p t o no r m a l pu m p hi g he r f l o w a nd hi g he r p r e s s ur e ou t p ut ．I t i s a hi g h e f f i c i e n c y h y d r a u l i c p o we r s u p p l y u n i t ． B a s e d o n t h e t e s t r e c o r d s ， f i e l d t r a c i n g a n d i n v e s t i g a t i o n s ， t h i s p n e u ma t i c pu m p i s r e l i a bl e． s i mp l e m e c h a ni s m a n d s a f e． f ul l y m e e t de s i gn r e q u i r e me nt s ．At pr e s e nt ， t hi s pr o du c t i s b e i ng wi d e l y a p pl i e d i n t h e f i e l d i n Ch i na a nd a b r o a d． I t a l s o p r ov i d e s mor e t he or e t i c a 1 f o und a t i o n a nd pr a c t i c a l r e f e r e nc e f o r f ur t h e r d e v e l op m e nt a n d r e s e a r c h． Ke y wo r d s BOP； c o nt r o l s y s t e m ； p ne u ma t i c p ump； hi gh p r e s s ur e； hi gh d ul y 地面防喷器控制装置 以下简称控制装置 是控 制井 口防 喷器组 、 液 动 节 流 阀 以及 压 井 阀 的重 要 设 备 ， 也 是钻 井 、 修 井 作 业 中防 止 井 喷 不 可 缺 少 的 装 置 。近年 来 ， 随着 对 外 出 口以及 国 内各油 田井 队 出 国打井 的 日益 增 多 ， 越 来 越 多 的控 制 装 置 打人 了 国际市 场。但 是， 现有 的控制 装置 已经不 能满足 A P I S p e c 1 6 D 2 n d规范对泵系统 的要求 』 。现有 的气动油泵只能满足高压小排量和低压大排量的要 求 ， 不 能 同时满 足 输 出高 压 和 大 排量 。而从 国外 进 口的气 动油泵 价格 昂贵 ， 安装 困难 ， 维修 不 便 。为 了彻 底解 决这 一 问题 ， 进 一步 稳定 国 内市 场 ， 开拓 际市场 ， 研制 开发 了高压 、 大排 量 气 动 油 泵 本 文 简 称 F泵 。 1 工作原理 F泵 主要 由 上部 动力 驱动 和下 部 的液 压 吸排油 2部分 组成 。 动 力驱 动 部 分如 图 1所示 ， 压缩 空 气 经泵 头组 收 稿 日期 2 O 1 3 0 9 一 l 9 作者简介 方 志猛 1 9 8 2 一 ， 男 ， 江 苏南通 人 ， 工程 师 ， 主要 从事 地 面防喷 器控 制装 置设计 工 作 ， E ma i l f a n g z md r i c n p c c o rn ．Cn 。 第 4 3卷第 3期 方志猛 ， 等 地面 防喷器控 制装置大 排量 气动油泵 研制与应用 件进入阀芯套组件的内腔 ， 并进入气缸上腔推动活 塞下行 ， 此时气缸下腔的气体经气管由排气 口排出。 随着活塞的下行 ， 带动阀芯杆组件下移 1个节距 ， 这 时 阀芯 套组件 上 的 上进 气 口封 闭 ， 压 缩 空 气 经 气 管 与下 进 气 口相通 ， 从 而实 现换 向 j 。 1 - 泵头组件 ； 2 阀芯杆组件 ； 3 一 阀芯套组件 ； 4 一气管 ； 5 活 塞； 6- 气缸 ； 7 - - 气缸 活塞杆 图 1 气 动油泵动力驱动部分 液压 吸排 油部 分 如 图 2所 示 ， 当动 力 驱 动部 分 带动 柱塞 杆上 移 时 ， 吸油单 向阀上移 打开 ， 液压 油从 吸油 口进 入柱 塞缸 下 腔 ， 柱 塞缸 上 腔 的 压 力 油经 排 油单 向阀排出。当动力驱动部分换向后 ， 吸油单 向 阀关闭 ， 柱塞缸上腔的压力 油经排油单 向阀从 出油 口排出。随着动力驱动部分的往复变换气流 ， 活塞 与气缸活塞杆即连续上下往 复运动。与此 同时 ， 柱 塞杆 也被 带动 上下 往 复 运 动 ， 实 现 气 动 油 泵 的 吸排 油过 程 。 因此 ， F泵 的 特 点 是 问 歇 吸 油 ， 连 续 排 油 ， 启 动平 稳 ， 并可 带载 启动 。 1柱 塞 杆 ； 2排 油 单 向 阀 ； 3 一 柱 塞 缸 ； 4吸 油 单 向 阀 图 2气动油泵液压吸排油部分 2 关键参数 普通气动油泵一般只能满足高压小排量或者低 压大排量 的情况 。而 F泵需要 同时满足输 出高压 和大排量的要求 ， 且泵的结构要简单、 合理。为了满 足输出高压 的要求 ， 初始设定 F泵 的液气 比为 5 0 1 。在 控 制 装 置 中 ， 通 常 压 缩 空 气 为 0 ． 5 3 ～ 0 ． 8 0 MP a ， 故 当气 源 压力取 最 大值 0 ． 8 0 MP a时 ， 油 路输 出最 高 压力 为 P一 0 ． 8 5 0 4 0 M Pa 控 制装 置 的工作压 力 为 2 1 MP a ， 静压 试验压 力 为 l I 5 倍 的工作压力， 即 3 1 ． 5 MP a ， 控制装置 中高 压溢 流 阀 的开 启压 力 为 3 4 ． 5 MP a ， F泵最 高 输 出压 力 为 4 0 MP a ， 满 足 了输 出高压 的要求 。为 了满 足输 出大 排 量 的要 求 ， 在设 计 时 考虑 了 F泵 的 以下几 个 关键 参数 。 2 ． 1 气 缸 的设计 计算 考 虑 到加 工 方便 和结 构 紧凑 问题 ， 初 步取 气 缸 直径 D一2 3 0 mm。气 缸壁 厚 为 一 Dp, 1 ZO p 其中P 一1 ． 5 p ⋯ 一 式中 P 为试验耐压力 ， MP a ； 为缸筒材料许用应 力 ， MP a 为缸 筒材 料 的抗 拉 强度 ， MP a ； P ⋯ 为试 验压 力 ， MP a ； 为安 全系数 。 取 P 一0 ． 8 MP a ， n 一8 ， 一4 2 0 MP a 选 材质 为 2 O号 钢 代 人式 1 可 求得 2 ． 6 3 mm。 考虑 到加 工 变 形 和 装 配 工 况 ， 选 取 一 8 mm， 则气缸外径 为 2 4 6 mm。因此 ， 气 缸选择壁 厚为 8 I n I i l 的 2 0号 钢 。 2 ． 2 柱 塞缸 的设计 计算 柱塞 缸 的关 键 参 数 主要 是 柱 塞缸 内径 ， 而 柱塞 缸 内径 的设 计 是和气 缸 活塞杆 直径 、 柱塞 杆直 径 、 气 缸直 径有 关 的 。为此 ， 初 步 选 取气 缸 活塞 杆 直 径 d 一 2 8 mm， 柱 塞杆 直径 d 一3 2 mm。 柱塞 缸 的理论作 用 力 推 力 F 和拉 力 F 是通 过气缸活塞 杆来传递 的， 所 以液压缸 的理 论作用 力 为 F1 7 c R P 2 F2 7 c R。 一 r P 。 3 式 中 R 为 气 缸 半 径 ， mm； r为 气 缸 活 塞 杆 半 径 ， mm。 取 R一1 1 5 mm、 r 一1 4 mm、 P 一 1 ． 2 MP a 代 人 式 2 ～ 3 ， 可求得 F 一4 9 8 3 1 ． 8 N， F 2 4 9 0 9 3 N。 由于 F F ， 所 以计 算 时选 取 F ， 则 柱 塞 缸 内 径 为 D 一 4 式 中 为 柱 塞 杆 直 径 ， mm； P 为 试 验 压 力 ， P 一 1 ． 5 。 初 步取 d 一3 2 mm， P 4 0 MP a ， 代 入 式 4 可 得 D 一4 5 mm。因此 ， 柱 塞缸 内径 选择 4 5 mm。 2 3 4 5 6 7 群 石油 矿 场机 械 2 ． 3液气 比的验 证 液气 比为 、一 D ， _、 一 二 式 中 D 为气 缸直 径 ， mm； D 为柱 塞缸 直 径 ， mm； d 为柱 塞杆 直径 ， mm。 取 D一2 3 0 mm、 D 一4 5 mm、 d 一3 2 mm 代 入 式 5 ， 可 得 液气 比为 5 2 。 8 。 因此 ， 式 5 验证 了气 缸 活塞 杆直 径 、 气 缸 直径 和柱 塞 杆 直径 选 取 是 合适 的， 能够满足液气 比取 5 0 1的要求 。 2 ． 4 理 论 排量 的计算 气动油泵的] ． 作原理是间歇吸油 ， 连续排油 ， 即 每 冲吸油 1次 ， 排 油 2次 ， 其 理论 排量 为 q 一 sz ㈦ q 一■ 丁丽 l b 式 中 S为 活塞行 程 ， r a m。 取 S 一1 1 0 mm、 D 一4 5 1 1 1 1 1 1 、 d 一3 2 mm， 代 人 式 6 可得 q l 7 2 ． 9 mI ／ 冲 。 因此 ， 式 6 再 次验证 了气 缸活塞 杆直 径 和柱塞 杆直 径 的选 取 是 合 适 的 ， 能 够 满 足 大排 量 的 要 求 。 故从 设计 角度来 说 ， F泵关 键参数 的选择 合 理 ， 满足 了输 出高 压 和大排 量 的要 求 。 2 ． 5密 封 的选择 常 规气 动 油 泵 的动 力 驱动 部 分 ， 在 气动 换 向部 分 采用 了平 面 的密封 形 式 ， 即通 过 两光 滑 平 面 的 上 下 滑动 实 现 ， 该 密 封 分 隔 进 、 排 气 部 分 。而 在 F泵 中 ， 阀芯 的往复运 动 需 要 经过 阀芯 套 圆周 上 均 匀 分 布 的小 孔 ， 因此 ， 该 密 封 的选 择变 得非 常重要 。密 封 选 择得 不好 ， 会 使 气 动 油 泵 的 进 排 气 相 通 ， 无 法 换 向， 发生卡 死 。考 虑 到 F泵 的设 计 要 结 构 简 单 、 拆 装方便 ， 选 用 了 形密封 圈 的形 式 。密封 圈 的材 料 选择 经过 多次 的反 复 试 验 ， 最后 采 用 了聚 氨酯 的 形 密封 圈 ， 该密封 具有 密封 性 能好 、 耐 磨 、 抗 老化 等 优 良性能 。 3试 验 验 证 为了测 试 新 型气 动 油 泵 的性 能 ， 在 元件 试验 台 进 行 了疲劳 试 验 ， 连续 运行 1 5 h ． 无 卡 阻 、 漏 油 和 漏 气现象 。 图 3 ～ 4为 F泵 的特 性 曲线 ， 分 别 表 示 在 不 同 的气 源压力 下 ， 油 压 和流 量 以及 冲次 的关 系 。 由 图 3 ～ 4可 以看 出 随着 气 源 压 力 的提 高 ， 泵 的最 大 油 压 、 流量 以及 冲次都 相应 的增加 ； 当气 源 压力为 0 ． 7 5 MP a 时 ， 泵 的输 出油压最 高 可达 3 7 ． 5 MP a ， 空载 即 油 压 为 0时 ， F泵 的最 大 流量 为 2 8 ． 5 L ／ rai n ， 最 高 冲次为 1 6 5／ mi n 。 图 3 F泵输 出油压 流培 的天系 图 4 F泵输 出油 与冲次的关系 AP I 1 6 D 2 n d规 范 要 求 泵 系 统 使 用 最 小 钻 杆 o 7 3 mm 2 英 寸 ， 关 闭环 形 防 喷器 ， 打 开 节 流 阀 ， 并在 2 mi n内达 到 操作 压 力 8 ． ／ 【MP a 。 由于 液压 油 的 压 缩 量 很 小 ， 每 个 大 气 压 的压 缩 量 约 为 1 ／ 5 0 0 0 0 ， 所 以 忽 略 不 计 ， 只 计 算 充 满 液 缸 所 需 流 量 。以 F KQ6 4 0 7 控 制 装 置 为 例 ， 包 含 一 个 F H3 5 3 5型 环 形 防 喷 器 和 2个 液 动 阀 。F H3 5 3 5 型 环形 防喷器 钻杆 尺寸 为 D 3 4 6 mm 1 3 ％ 英 寸 ， 关 闭所需最 大油 量 为 9 4 I ， 则 使用 最 小 钻杆 0 7 3 mm 2 英 寸 关闭环 形 防喷器所 需液 量 为 9 4 罴- 9 4 ～ 1 9 ． 8 7 4 ． 2 I 打开 1个液 动 阀 所 需 液 量 1 ． 5 I ， 因 此 共 需 要 7 7 ． 2 I 的流量 。图 5为普 通 气 动 油 泵 简称 A 泵 的特性 曲线 ， 可 以看 出 A 泵 在 空 载 时 ， 流量 约 为 9 I ／ rai n ； 在 操 作 压 力 8 ． 4 MP a时 ， 流 量 约 为 7 I ． ／ rai n ， 2 mi n达 到 1 4 I 。 冈此 ， 当 单 独 使 用 A 泵 时 ， 经 试验 ， 最 少 需要 5台 人 泵 才能 满足 AP I 1 6 1 3 2 n d 规 范 的要 求 。 由图 3可 以看 出 F泵 在 空 载 时 的 流 量 约为 2 8 ． 5 I ／ rai n ， 在 8 ． 4 MP a时 流量 约 为 1 6 ． 5 I ／ rai n ， 2 rai n达 到 3 3 I ， 在 单 独 使 用 F泵 时 ， 经试 验 ， 只需要 2个气 泵就 满 足 AP I 1 6 I 2 n d规 范 的要 求 ， 满足了 F泵输出大流量的要求。 如 ㈨ 0 一 一 趸 ． 1 1＼ 鲫退 0 0 0 O 0 0 0 O 9 6 3 一 ＼ 量 2 O l 4年 第 3期 第 4 3卷 第 7 5页 石油 矿 场机 械 OI L F I EL D EQUI P MEN T 文 章 编 号 1 0 0卜 3 4 8 2 2 01 4 03 0 07 5 - 0 3 套管外封 隔器模拟试验装 置研 制与应 用 伊伟锴 ， 吕芳蕾。 ， 温盛魁 ， 朱瑛辉。 ， 岳广韬 1 ． 中国石油大学 华东 石油工程学院 ， 山东 东营 2 5 7 0 6 1 ； 2 ． 胜利油 田分公司 采油工艺研究 院， 山东 东营 2 5 7 0 0 0 摘要 针对 目前套管外封隔器的工作性能无法进行有效检测的问题 ， 研制 了一种套管外封隔器模拟 试验装置。该试验装置设计有覆盖套管外封隔器工作 井眼尺寸范围的一 系列模拟 井筒， 可利 用配 套 的加 热 系统模拟 地 层环境 温 度 ， 可以在接 近 实际地层 工矿 条件 下检 测套 管 外封 隔器 的工作性 能 。 该 装 置设计 额 定试 验 压 力 3 0 MP a ， 额 定 试 验 温度 1 8 O。 C。应 用该 试 验 装 置 完成 了现 场 常 用 的 p l 3 9 ． 7 mm 5 英 寸 和 p 1 7 7 ． 8 H i m 7英 寸 2种 规格 套 管外 封 隔 器的性 能模 拟试 验 ， 得到 了其性 能 曲线 ， 为套 管外封 隔 器的现 场使 用提供 了第一 手的试 验数 据 ， 取 得 了很好 的 应 用效果 。 关 键词 水 平 井 ； 筛管 完井 ； 套 管 外封 隔器 ； 试 验装 置 ； 模 拟 试验 中图分 类号 T E 9 3 1 ． 2 文 献标 识码 B De v e l o p me nt a n d Ap p l i c a t i o n o f t h e ECP S i m u l a t i o n Te s t De v i c e YI W e i ka i ’ 。， I V Fa ng l e i 。， W EN Sh e n g kui ， ZHU Yi ng hui ， YUE Gua n g t a o 。 1 ． Co l l e g e o f Pe t r o l e u m En g i n e e r i n g， C h i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m ， Do n g yi n g 2 5 7 0 6 1 ， Ch i n a； 2 ． Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Pr o d u c t i o n Te c h n o l o g y， S h e n g l i Oi l fi e l d C o mp a n y， Do n g yi n g 2 5 7 0 0 0， Ch i n a 1 0 f 9 C 量 7 二6 4 3 l 油 压／ MP a 图 5 A泵输出油压与流量的关系 4 气动油 泵的应用 研制的 F泵装配简单 、 维修方便 ， 零件数量少 于普 通 的 A 泵 ， 节 省 了大 量 的装 配时 间 ， 现在 已经 开始 批 量生 产 ， 截 至 2 0 1 3 0 7已生 产 3 0 0 0多 台 ， 广 泛地 应用 于 国 内外 的油 田现 场 。现场 调研 表 明 该 气 动油 泵现场 运 行情 况 良好 ， 得 到 了用 户 的 称赞 和 肯定 ， 并 取得 了良好 的社会 效益 和经 济效益 。 5 结 论 1 研制开发 的高压大排量气 动油泵 ， 从设计 计算 和元 件 、 整机试 验情 况 判定 ， 设计输 入 均能满 足 设计 输 出 的要 求 。 2 现场跟踪调查表明 ， 高压大排量气动油泵 性能 稳定 ， 满 足输 出高压 和 大排量 的要 求 。 参考文献 [ 1 ] 石油天然气钻井井控编写组． 石油天然气钻井井控 中 国石油员工培训 系列 教材 [ M] ． 北 京 石油 工业 出版 社 ， 2 0 0 8 ． [ 2 ] Re c o mme n d e d P r a c t i c e s f o r B l o w o u t P r e v e n t i o n E q u i p me n t S y s t e ms f o r Dr i l l i n g W e l 1 s API RP5 3 Th i r d e d i t i o n [ R ] ． MA R CH， 1 9 9 7 ． [ 3 ] S Y ／ T 5 0 5 3 ． 2 ～2 0 0 7 ， 钻井井 口控制 设备及分 流设 备控 制 系统规范 [ s ] ． [ 4 ] 王 晓颖 ， 张立刚 ， 陈慧 慧． 防喷器控制 装置 三位 四通转 阀手柄 位 置 分 析 [ J ] ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 1 3 ， 4 2 2 66 69 ． 收 稿 日期 2 O 1 3 0 9 2 8 基金项 目 中石化胜利油 田分公 司攻关项 目“ 水平井管外封隔器模拟试验装置研究” YK S 0 9 0 5 作者简介 伊伟锴 1 9 8 1 ， 男 ， 黑龙江宁安人 ， 工程师 ， 主要从事修井工艺与完井工艺研究 ， E ma i l y i we i k a i 1 6 3 ． c o rn。 加 加 源 源 ＼ 一 ， 筑 气 、 } { ／ ／ 一