基于增压缸增压原理的钻井封井器试压装置设计

2011年10月第39卷第20期机床与液压MACHINETOOLHYDRAULICSOET2011VO139NO20DOI103969JISSN10013881201120018基于增压缸增压原理的钻井封井器试压装置设计刘永旺，管志川，魏文忠，苗同勇，赵伟。1中国石油大学华东石油工程学院，山东青岛266555；2中国石化胜利石油管理局，山东东营257001；3胜利石油管理局渤海钻井公司管具公司，山东东营257200摘要对维修过或者新购置来的井控装置钻井封井器进行试压是保证该装置安全进行的必要条件。常用的封井器试压打压装置由于打压慢、设备检修复杂、工作稳定性差等自身条件限制，不能满足工作量越来越多、工作环境要求越来越严格、工作效率越来越高的需要。根据增压缸增压原理设计了一套钻井封井器试压打压装置，对装置的整体结构及原理、关键参数的计算及装置存在的优点进行了介绍及分析。结果表明根据该原理设计出的试压装置能够满足试压工艺的需要，且占用空间小、使用方便、便于安装和维护等，具有可观的经济效益和社会效益。关键词封井器；试压；增压缸中图分类号TH13751；TE9311文献标识码A文章编号100138812011200493DESIGNOFTHEDRILLINGBLOWOUTPREVENTERPRESSURETESTDEVICEBASEDONTHESUPERCHARGEDPRINCIPLEOFPRESSURIZEDCYLINDERLIUYONGWANG，GUANZHICHUAN，WEIWENZHONG，MIAOTONGYONG，ZHAOWEI1COLLEGEOFPETROLEUMENGINEERING，CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM，QINGDAOSHANDONG266555，CHINA；2SHENGLIPETROLEUMADMINISTRATIONBUREAUOFSINOPEC，DONGYINGSHANDONG257001，CHINA；3BOHAIDRILLINGTUBETOOLSCOMPANY，SHENGLIPETROLEUMADMINISTRATIONBUREAU，DONGYINGSHANDONG257200，CHINAABSTRACTPRESSURETESTONTHENEWLYACQUIREDDRILLINGBLOWOUTPREVENTERORJUSTBEREPAIREDISANECESSARYCONDITIONFORDRILLINGSAFETYCOMMONDRILLINGBLOWOUTPREVENTERPRESSURETESTDEVICECANNOTMEETTHEPRESENTNEEDSOFWORKLOAD，WORKENVIRONMENTANDWORKEFFICIENCY，BECAUSETHESEDEVICESHAVEFLAWSSUCHASSUPPRESSEDSLOWLY，EQUIPMENTMAINTENANCEEOMPLEY，POORJOBSTABILITYANDOTHERSERFLIMITEDBASEDONTHESUPERCHARGEDPRINCIPLEOFPRESSURIZEDCYLINDER，ADRILLINGBLOWOUTPRESSURETESTDEVICEWASDESIGNED，ANDTHEDEVICESTRUCTUREANDPRINCIPLE，THEKEYPARAMETERSCALCULATIONSANDMERITSOFTHEDESIGNWEREDESCRIBEDTHERESULTSSHOWTHATTHEPRESSURETESTDEVICEBASEONTHISPRINCIPLECANMEETTHENEEDSOFPRESSURETEST，ANDHASADVANTAGESSUCHASSMALLVOLUMEOFSPACE，EASYTOUSE，EASYTOINSTALLANDMAINTAIN，ETCITHASCONSIDERABLEECONOMICBENEFITSANDSOCIALBENEFITSKEYWORDSBLOWOUTPREVENTER；PRESSURETEST；PRESSURIZEDCYLINDER随着科学钻井技术的广泛应用以及钻井总体技术水平的不断提高，井控技术在实现安全钻井过程中的作用变得日益重要。钻井封井器是井控的关键设备，对新购置来的或者维修过的封井器进行试压是保证封井器有效工作的必要条件，关系到井控工作的成功与否。针对现在钻井封井器检修的复杂性和多样性，以及越来越高的标准要求，如何提高工作效率、节省劳动力、减低劳动强度，成为试压作业面临的又一难题。现有的封井器试压打压装置由于受自身条件限制，存在打压慢、设备检修复杂、工作稳定性差等问题，影响到了试压打压作业的效率。为此，作者在分析已有钻井封井器打压装置优缺点的基础上，提出利用增压缸增压原理设计出的部件进行试压打压的理念，并对关键参数及设计的可行性进行了计算及分析，以期有效解决试压工作效率低的问题。1现行钻井封井器试压装置及存在问题现在使用的钻井封井器试压装置打压部件主要是以电动试压泵和气动试压泵为主，这两种打压泵在使用过程中都表现出了各自的优点，但不足之处也日益为人们所认识。11电动试压泵电动试压泵打压过程是通过电能驱动柱塞泵往复收稿日期20100918基金项目国家重点基础研究发展计划973计划项目2010CB226700；“十一五”国家科技支撑计划重点项目2008BAB37B062作者简介刘永旺1983一，男，在读博士研究生，主要研究方向为井下系统信息与控制工程，定向井设计及井下增压技术。EMAILDOCTORLIUYW126EOM。5O机床与液压第39卷运动、吸水然后向封井器内打入来实现的。这种打压方法的优点是泵排量大，压力上升比较快。然而缺点也比较明显，如噪声较大，噪声污染严重；装置所占用的空间较大，而且必须有专门的防护设施保证压力泄漏时不会伤到人；设备一旦损坏，自身的维护、保养等工作比较复杂，必须有专门的维修人员才能进行修理；如果因为泵自身原因而工作不正常，维修花费时间较长，对生产影响较大等。12气动试压泵气动试压泵是通过气源压力驱动柱塞泵往复运动、吸水、打压。此方法的优点是升压较平稳。缺点是由于泵排量低，上压较慢；由于本身是气驱动，噪声也较大；一般的气动试压泵均是由两个低压泵和两个高压泵组成，由于泵之间用耐高压管线连接，管线多，使得结构复杂，不易维修；容易发生微小的渗漏，影响试压结果。另外，气动试压泵作为一个高压制备设备，存在一定的危险性，加上自身占有的空间、防护等设施，空间占有就更大。以上两种试压装置各有优点，但各自的缺点在长期的使用和工作中也显现出来。在工作量越来越多、工作环境要求越来越高、生产设施越来越完善、工作效率越来越高的今天，在试压环节上，提高设备工作稳定性、缩减劳动强度、提高效率是非常有必要的，为此作者提出了利用增压缸来充当增压部件的方案。2新型钻井封井器试压装置的原理及结构设计21钻井封井器试压打压装置结构及工作原理该装置将试压泵更换为增压缸，利用原有液压控制台制备的较高压力的液压油压作为原始驱动压力，推动增压缸内活塞往复运动，利用吸入的流体试压介质清水，向封井器内增加压力来进行试压。基于增压缸增压原理的钻井封井器试压装置原理图如图1所示。L液压控制台2一电磁换向阀3一增压缸4、5一单向阀门6一钻井封井器卜工作液缸8一清水缸图1基于增压缸增压原理的钻井封井器试压打压装置原理图试压打压工作原理液压控制台1输出的较高压液压油进入增压缸3大缸的左腔，推动大活塞右移，为增压缸小缸的右腔输出高压清水提供动力，从而使得钻井封井器内获得高压。电磁换向阀3用于换向，使得液压油进入增压腔活塞杆部分的空腔，推动大活塞向左移动，同时清水通过单向阀门5进人到增压缸小缸右腔，为增压补充清水介质，该过程中单向阀门4关闭。22增压缸的结构设计增压缸是实现试压打压的关键部件，其结构参数关系到该设计的可行与否。增压缸的基本结构如图2所示。图2增压缸结构及参数增压缸大小活塞面积比的确定。设直径为D，的大活塞横截面积为S，压强为P；直径为D的小活塞横截面积为|S，压强为P。根据力的平衡原理，增压缸大小活塞受到的压力平衡，即作用于大活塞上的液压油的总压力与清水作用到小活塞上的压力平衡。即满足PLSLP2S2I液压控制台输出的额定工作压力为L05MPA，如果封井器最大额定工作压力为105MPA，则根据式1，横截面比例为105105101，考虑到压力损耗和最大工作压力余量，可将横截面比适当放大，取121时，就完全满足对105MPA封井器进行试压的要求。额定工作压力试压时泵入的试压介质量的确定。由于液体介质带有可压缩性，所以计算泵入试压介质的体积时，应该考虑到试压介质清水的体积压缩。根据液体体积压缩系数公式KAVVOAP2可以求出泵入量的表达式为,SVKPVO3已知清水的体积压缩系数为0046X10MPA，假设对120MPA额定工作压力的封井器进行试压打压，一般钻井封井器试压时灌入水的容量为120L，则AV0046VO55L，则还需泵人清水55L。增压缸的活塞冲程及直径的确定。冲程的确定需要根据以下公式_,IRDL4活塞直径的确定根据面积计算公式S5可以得出SS6D，即72VO在达到泵入介质量的前提下，优化活塞的冲程以及大小活塞的直径，可以使得增压部件的体积不至于过大或者过长。封井器最大额定工作压力为105MPA，试压时灌入水的容量为120L时，取活塞的有第20期刘永旺等基于增压缸增压原理的钻井封井器试压装置设计51效行程为05M，则可以确定增压缸内小端活塞直径大概为118MM，增压缸内大端活塞直径大概为433MM，增压部件的冲程及体积适中，这些参数的选择合理，设计可行。实际设计活塞直径应该略大于该值J，小端活塞直径取120MM，大端活塞直径取435MM，即可以实现试压的需要。23装置的组装及操作由于增压缸本身尺寸较小，所以安装起来相对灵活、简便。可以将其与控制台安装固定在一起。通过在吸水口和泵人口连接处分别装上高压单向阀门来控制压力介质清水的流向。泵人口与封井器通过高压管线连接，吸水口与稳定供水水源连接。通过操作控制台换向手柄即可操作增压缸的吸水和泵入。由前面分析计算得知，仅需要一次吸人、泵人操作基本上就能将封井器压力增至100MPA左右。如果将控制台的控制操作改为计算机自动操控，同时压力实时监控操作也由计算机来完成，那么将只用一个人操作就能完成增压和稳压全部试压过程，这样不仅能节省劳动力，降低劳动强度，还能节约劳动时间。3装置的主要创新点该增压装置存在以下优点1将气动试压泵或电动试压泵更换为增压缸，利用液压控制台本身自制备的高压液压源作为原始驱动压力源，不用再另外购置泵站，节约了购置成本。2装置安装及使用方便，另外由于装置本身原理简单，部件少，易于维护及保养。3操作简单，可以节省劳动力，提高工作效率，缩短试压工艺操作时间。用电动试压泵或气动试压泵打压时间为45MIN，利用该原理研制的装置打压时间仅为1020S。4该装置基本上不产生噪声，减轻了噪声污染，改善了工作环境的质量。4结论及建议1利用增压缸增压原理设计的这套试压打压装置流道简单，加工容易，并能很好地达到增压的效果。2钻井封井器打压装置有效地利用了液压控制台的液压，且结构合理，性能可靠，便于维修及操作，工作效率较高，具有较好的降噪效果。从结构及生产特点上说，该机可直接替代以往使用的电动试压泵或者气动试压泵，具有较好的应用前景。3建议将压力实时监控操作改由计算机来完成，这样不仅能进一步节省劳动力，且能够准确得出封井器的最高承压范围。参考文献【1】张斌提高井控装备质量、保证安全钻井作业J石油工业技术监督，2000，1621821【2】陈庭根，管志川钻井工程理论与技术M东营中国石油大学出版社，2006【3】雷天觉液压工程手册M北京机械工业出版社，1990【4】东北工学院机械零件设计手册编写组机械零件设计手册液压传动和气压传动M北京冶金工业出版社，1979【5】周开勤机械零件设计手册M3版北京高等教育出版社，1990【6】陆敏恂，李万莉液压流体力学与液压传动M上海同济大学出版社，2006上接第53页2减压阀减压阀是专为一挡离合器而设计的，其出口压力为125MPA，保障起步时更加平稳、无冲击。3启动安全阀保证变速器不在中位时，发动机不能启动，以防止在变速器挂挡的情况下启动发动机，引起机械意外行走，产生事故。4换向阀与变速阀换向阀用于操作第一离合器和第二离合器的动作使推土机换向，实现前进和倒退。变速阀用于操作第三离合器、第四离合器或第五离合器的动作，获得不同的进退速度。上述6个阀集成为一个操纵阀体，安装在变速箱壳体上，便于检查与调整。3结束语综上所述，国产大型推土机液压动力换挡技术已具备比较好的综合性能液力变矩器实现发动机超载不熄火；启动安全阀实现空挡安全启动；调压阀与快速回位