防噴器高溫高壓密封試驗裝置研制

李慎奎，劉士巖，郝 斌，王紅麗，王坤青，張 寧

(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

防噴器高溫高壓密封試驗裝置研制

李慎奎，劉士巖，郝 斌，王紅麗，王坤青，張 寧

(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

深井通常伴隨著高溫、高壓，為了確保鉆井安全，防噴器必須具有可靠的密封性。研制了一種防噴器高溫高壓密封試驗裝置，可對防噴器進行高溫、高壓的密封試驗。介紹了該裝置的總體方案、中央控制室、熱油站、安全控制系統、升壓系統、加熱線圈。進行了防噴器?89～?149 mm變徑閘板、?149 mm半封閘板的高溫高壓密封試驗，取得了良好的效果，為防噴器在高溫高壓環境下工作安全性提供重要技術支撐。

防噴器；高溫；高壓；密封；試驗

防噴器組是保證深井鉆井作業安全的關鍵設備，其作用是控制井口壓力，防止井噴、井涌，保證人員、設備安全，避免環境污染和油氣資源破壞。由于深井通常伴隨著高溫、高壓，發生井涌的風險高，工作環境十分惡劣，一旦井控失敗，將產生災難性的后果。防噴器作為鉆井安全的核心部分[1-3]，必須在高溫高壓環境下具有可靠的密封性，需滿足API 16A規定溫度的最高F級別，即溫度高達177.8 ℃的環境中，防噴器實現105 MPa超高壓力的可靠密封[4-8]。為了確保防噴器在高溫高壓環境中安全、穩定的工作，研制了深井防噴器高溫高壓密封試驗裝置。

1 防噴器

深井防噴器的核心功能是在高溫、高壓環境下具有可靠的密封性。例如，2FZ48-105型防噴器的4處密封起作用才能有效地密封井口，即：閘板頂密封與殼體的密封；閘板前密封與管柱、殼體及前密封相互間的密封；殼體與側門之間的密封；閘板軸與側門間的密封。2FZ48-105型防噴器如圖1所示。

圖1 2FZ48-105型防噴器

閘板的密封過程分為2步：一是在液壓油作用下閘板軸推動閘板前密封膠芯擠壓變形密封前部，頂密封膠芯與殼體間過盈壓縮密封頂部，從而形成初始密封；二是在井內有壓力時，井壓從閘板后部推動閘板前密封進一步擠壓變形，同時井壓從下部推動閘板上浮貼緊殼體上密封面，從而形成可靠的密封，亦即井壓助封作用。

2 試驗裝置

高溫高壓密封試驗裝置主要由中央控制室、熱油站、安全控制系統、升壓室、試驗區等部分組成?？傮w方案如圖2所示。

圖2 防噴器高溫高壓試驗裝置總體方案

工作原理：啟動熱油站，通過油泵將高溫油，經進油管線進入加熱盤管，通過盤管散熱使防噴器內高壓液體升溫，熱油經過盤管，從回油管線流回熱油站，再次被加熱，周而復始直至將防噴器內腔溫度升至試驗要求的溫度，進入保溫控制。關閉閘板，通過升壓室的升壓系統將防噴器內腔壓力升至試驗要求的壓力，保壓，進行防噴器高溫高壓下的膠件密封試驗。

3 盤管設計計算

3.1 熱平衡計算

盤管產生的熱量與防噴器吸收的熱量達到平衡時，可以實現一個穩定的試驗溫度。

由于防噴器外形結構比較復雜，為了方便計算，簡化處理為圓筒型結構，設有上下端蓋，如圖3所示。

圖3 2FZ48-105型防噴器外形及簡化模型

根據防噴器內腔的安裝空間及工作壓力，初定盤管尺寸?22 mm×6 mm，材料為合金鋼，導熱系數λ=45 W/(m2·℃)；防噴器內腔熱油溫度t1=177.8 ℃，外表面溫度t2=100 ℃；簡化模型內圓r1=0.24 m，外圓r2=0.638 m，長度L=1.88 m，厚度b=0.28 m；端蓋面積S=1.28 m2。當熱傳導平衡時，對防噴器進行熱傳導分析，根據傅里葉定律，計算傳遞熱量Q為

(1)

根據熱平衡原理，對盤管進行分析。盤管釋放熱量與防噴器吸收熱相等，將Q=74.307 kW，內圓rg1=0.005 m，外圓rg2=0.011 m，盤管內液體溫度tg2=280 ℃，外壁溫度tg1=240 ℃，導熱系數λ=35 W/(m2·℃)代入式(2)，盤管長度為

(2)

即盤管長度在6.8 m，盤管內液體溫度t2=280 ℃時，可以實現防噴器內腔試驗熱油溫度為177.8 ℃，達到熱平衡。

考慮模型簡化所造成的誤差，增加盤管的長度，取3倍系數，盤管長度為20.4 m。

3.2 強度校核

在280 ℃的高溫，105 MPa外壓環境下，盤管所處的環境極端惡劣，必須進行強度校核。

根據ASMEⅡ-D外壓或壓縮載荷作用下的幾何尺寸線算圖及外壓作用下確定部件殼體厚度用線算圖(如圖4～5)，進行強度校核。

已知盤管長度L=20.4 m，外徑D=0.022 m，厚度δ=0.006 m。

根據L/D=20.4/0.022=927≥50，查圖4，取L/D=5。

由D/δ=0.022/0.006=3.66，查圖4，系數A=0.6。

根據A=0.6，熱油溫度280 ℃，查圖5，確定參數B=300 MPa。

按ASME計算最大外壓許用應力為

pt=122.76MPa>105MPa,盤管強度滿足設計要求。

根據圖5，選取盤管的材料為20CrMo。

圖4 外壓或壓縮載荷作用下的幾何尺寸線算圖

圖5 SA-517所有級別建造時受外壓部件確定殼體厚度用線算圖

4 現場試驗

4.1 變徑閘板高溫高壓密封試驗

將2FZ48-105型防噴器更換?89～?149 mm變徑閘板，安裝?89 mm的試驗棒，防噴器內腔充滿試壓油，熱油站輸出熱油溫度設定為280 ℃。通過盤管加熱1 h后，試壓油溫至121 ℃，關閉閘板，完成試驗準備工作。

1) 變徑閘板膠件高溫低壓密封試驗。

變徑閘板膠件高溫低壓密封曲線如圖6，初始壓力為1.96 MPa，初始溫度121 ℃，穩壓4 min，結束壓力為3.47 MPa，結束溫度122 ℃，密封效果良好，符合API 16A規定的高溫低壓密封要求。

圖6 變徑閘板膠件高溫低壓密封曲線

2) 變徑閘板膠件高溫高壓密封試驗。

關閉閘板，升壓至試驗要求壓力，保溫、保壓。變徑閘板膠件高壓高溫密封曲線如圖7，初始壓力為104.74 MPa，初始溫度121 ℃，穩壓60 min，結束壓力為109.9 MPa，結束溫度123 ℃，密封效果良好，符合API 16A規定的高溫高壓密封要求，試驗合格。

圖7 變徑閘板膠件高溫高壓密封曲線

變徑閘板膠件試驗前、后形貌對比如圖8所示。

圖8 變徑閘板膠件試驗前、后形貌

4.2 半封閘板高溫密封試驗

將2FZ48-105型防噴器的?89～?149 mm變徑閘板更換為?149 mm半封閘板，安裝?149 mm的試驗棒，內腔充滿試壓油，熱油站輸出熱油溫度設定300 ℃，通過盤管加熱了3 h，試壓油至177.8 ℃，關閉閘板，完成試驗準備工作。

1) 半封閘板膠件高溫低壓密封試驗。

半封閘板膠件高溫低壓密封曲線如圖9，初始壓力為1.67 MPa，初始溫度180 ℃，穩壓4 min，結束壓力為1.61 MPa，結束溫度177 ℃，密封效果良好，符合API 16A的規定的高溫低壓密封要求。

圖9 半封閘板膠件高溫低壓密封曲線

2) 半封閘板膠件高溫高壓密封試驗。

關閉閘板，升壓至試驗要求壓力，保溫、保壓，半封閘板膠件高溫低壓密封曲線如圖10，初始壓力為105.32 MPa，初始溫度179 ℃，穩壓60 min，結束壓力為105.61 MPa，結束溫度180 ℃，密封效果良好，符合API 16A規定的高溫高壓密封要求，試驗合格。

圖10 半封閘板膠件高溫高壓密封曲線

變徑閘板膠件試驗前、后形貌對比如圖11所示。

圖11 半封閘板膠件試驗前、后形貌

5 結論

1) 防噴器高溫高壓密封試驗裝置安全可靠。完成了2FZ48-105型防噴器在溫度121 ℃、壓力105 MPa等級的變徑閘板膠件高溫高壓密封試驗和溫度177.8 ℃、壓力105 MPa等級的半封閘板膠件高溫高壓密封試驗，為深井防噴器安全可靠的應用提供了保障。

2) 試驗中，防噴器內加入的是導熱油(試壓油)作為試驗介質，成本高，容易造成環境污染?？梢試L試用水作為導熱試驗介質，既經濟又環保，但存在一定的危險性。

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BOP High Temperature and Pressure Seal Test Apparatus

LI Shenkui，LIU Shiyan，HAO Bin，WANG Hongli，WANG Kunqing，ZHANG Ning

(Hebei Rongsheng Manufactory Ltd.of Huabei Oil Field，Renqiu 062552，China)

The deep well is usually accompanied with high temperature and high pressure，blowout preventer must have a reliable sealing，to ensure the safety of drilling.In order to meet the test requirements of high temperature and high pressure resistant sealing of BOP，the BOP was studied under high temperature and high pressure seal test apparatus，including the overall plan，the central control room，oil station，safety control system，boost system，heating coil，and the BOP ?89～?149 mm adjustable shutter，?149 mm half rams high temperature and pressure seal test，field test and achieved good results，which provided technical support for BOP work in high temperature and high pressure environment safety.

BOP；high temperature；high pressure；sealing；test

1001-3482(2016)12-0043-05

2016-06-07

國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2013AA09A220)

李慎奎(1981-)，男，遼寧建昌人，碩士研究生，主要從事石油鉆采設備研究，E-mail：dbdxljm@126.com。

TE931.1

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.012