旋轉防噴器總體方案設計與評判

范 強，吳松松，許 萍

1 西南石油大學機電工程學院 2 西南石油大學材料科學與工程學院 3 原成都軍區聯勤部油料監督處

0 引言

旋轉防噴器（RBOP）又稱旋轉控制頭（RCH），是欠平衡鉆井、地熱鉆井、煤層氣鉆井的必要設備［1］。旋轉防噴器在平衡鉆進或起下鉆的過程中，通過旋轉萬能防噴器（PCWD）系統泵站的控制，使旋轉防噴器處于關閉狀態，主動型膠囊收縮，封住了鉆柱與井口裝置的環形空間，使鉆井液不能從井口環隙噴出。它可以提供安全有效的壓力控制，在限定壓力下允許鉆桿旋轉，實施帶壓鉆井，將井眼返出的流體導離井口和封閉鉆桿與方鉆桿。佘曉梅［2］針對現有環形防噴器的缺點，設計出爪塊式球形膠芯環形防噴器，試驗表明，該新型結構環形防噴器滿足油氣田井控要求，具有密封可靠、不易拉缸等特點。平恩順［3］對閘板防噴器前部膠芯密封失效而導致反循環壓井失敗的難題，提出了一種閘板防噴器密封失效工況下麻纖維軟填料臨時補救措施。楊永寧［4］對用戶在選擇閘板防噴器結構型式方面的迷茫性，對鉆井現場常用的Cameron和NOV Shaffer兩種類型的閘板防噴器結構固有特性進行分析研究，總結優缺點，為用戶依據鉆井作業現場各種工況和維修能力自主選擇防噴器結構型式提供了理論依據。

本文針對旋轉防噴器進行了總體的功能分析，分成若干個功能元，對部分功能元進行選擇、改進和優化，然后重組，提出多種總體方案，并采用模糊綜合評判對不同的傳動方案進行了模糊綜合評判，最后做出合理的評價與選擇。

1 旋轉防噴器方案功能原理設計

1. 1 旋轉防噴器的功能元分析

旋轉防噴器的總體方案功能原理設計是在保證實現功能的前提下，力求提出較多的組合方法以供比較和選擇［5-9］。通過功能分析，旋轉防噴器的總功能分成7個功能元，即為軸承潤滑功能元、軸承冷卻功能元、旋轉動密封功能元、鉆具密封功能元、鎖緊裝置功能元、旋轉總成功能元、控制功能元。

通過對國內外高壓旋轉防噴器的結構、工作性能、制造成本、維修費用和使用壽命等因素的比較分析，本文選用一般液壓控制功能元、司鉆遠程控制功能元和一般旋轉總成功能元，且著重對軸承潤滑功能元、軸承冷卻功能元、旋轉動密封功能元、鉆具密封總成功能元和鎖緊裝置功能元進行比較設計。旋轉防噴器功能方案形態學矩陣如表1所示。

由表1分析得，旋轉防噴器總體方案有1×1×3×4×2×6×8=1 152種。

表1 旋轉防噴器功能方案形態矩陣

1. 2 旋轉防噴器功能元的選擇

1. 2. 1 軸承潤滑功能元和軸承冷卻功能元的選擇

由于本文研究的都是高靜壓力、高動壓力的旋轉防噴器，即只有高壓油潤滑和水冷才滿足。并且為了提高軸承的壽命，本文采用旋轉防噴器冷卻改進后的系統［10］。因此，本文選擇液壓控制鎖緊、高壓油潤滑和改進后水冷或油冷。

1. 2. 2 軸承系統密封功能元的選擇

旋轉控制頭的軸承對密封的要求較高，原因是旋轉控制頭的工作動壓最高至21 MPa；靜壓最高至35 MPa； 轉速為200 r/min。工作條件也十分惡劣［11］。

填料密封的特點是結構簡單且易于制造，適用于低壓、低轉速場合；機械密封的缺點是空間大，價格昂貴，且對副密封要求高［12］；Y型密封圈可借助鉆井液壓力自行封緊［13］；國內在以前設計的旋轉防噴器中采用V型密封方式的較多［11］。由于國內材料及制作工藝等原因，我國采用的密封摩擦較大，潤滑差，密封圈的可靠性遠遠比不上國外。因此軸承系統密封問題仍是影響高壓旋轉防噴器工作壽命的最關鍵因數之一［14］。國外的旋轉防噴器，常采用Kalsi密封［15］，其裝置最早應用于石油器材。本文選擇Kalsi密封方式。

1. 2. 3 膠芯功能元的選擇

根據與中心管連接膠芯不同，可將旋轉防噴器分為混合式、主動式和被動式［16］。其中最常見的被動式為錐形膠芯型密封，如圖1所示。主動式旋轉控制頭的種類很多，其中由美國的威廉斯公司、四川的鉆采工藝研究院、大慶鉆井工程技術研究院等最為出眾。最常見的主動式為膠囊膨脹型，如圖 2所示。

圖1 錐形膠芯被動式

圖2 膠囊膠芯主動式

1. 3 旋轉防噴器創新性重組

由上文分析，可采用如下4種方案。

1. 3. 1 方案一：A1+B1+C2+D2+E3+F5+G4

此結構如圖3所示，采用上下兩個錐形膠芯進行密封，這種結構與Williams 7100型旋轉防噴器類似［17-18］。結構設計較簡單，所相配套的零件安全系數較低，所生產要求相對較低，這也是目前最普遍的高壓旋轉防噴器。

圖3 雙錐形膠芯旋轉防噴器

1. 3. 2 方案二： A1+B1+C2+D2+E3+F5+G6

此裝置為單膠囊主動式旋轉防噴器，如圖4所示，只采用一個主動式密封膠囊對鉆桿進行密封。

圖4 單膠囊型旋轉防噴器

1. 3. 3方案三： A1+B1+C2+D2+E4+F5+G7

此裝置為雙膠囊型旋轉防噴器［19］，如圖5所示，設置雙膠囊的目的主要是為了當鉆桿接頭經過上膠囊時，上膠囊自動泄油，此時小膠囊主要承擔抱緊鉆桿的工作，當鉆桿接頭的中部到底上膠囊時，上膠囊開始沖油，開始抱緊鉆桿，當鉆桿接頭經過下膠囊時也是如此，以此來保證至少有一個膠囊抱緊鉆桿接頭，且只有一個膠囊工作的時間很少，這樣減少了當鉆桿接頭經過膠囊是對膠芯的磨損，延長了膠芯的使用壽命。

圖5 雙膠囊型旋轉防噴器

1. 3. 4 方案四：A1+B1+C2+D2+E4+F5+G3

此裝置為上膠囊下膠芯型混合式旋轉防噴器，如圖6所示，集合了單純的主動型與單純的被動型的一系列優點，提高了可靠性，且主動型膠囊采用了內鑲鐵塊式的膠芯［20］，能提高膠芯的使用壽命。

由于這幾個旋轉防噴器涉及多個不同的變量，不方便直接進行比較來確定孰好孰壞，在不同的實際應用中，每個旋轉防噴器的優點和缺點所占的權重也不一樣，所以本文使用模糊綜合評判的方法來對這幾種防噴器進行比較。

圖 6 上膠囊下膠芯混合式旋轉防噴器

2 基于模糊綜合評判的旋轉防噴器總體方案評價

所謂模糊綜合評判是指對多種模糊因素所影響的事物或現象進行總的評價［21-23］。

2. 1 建立因素集

影響旋轉防噴器傳動方案評判的因素：

式中：u1—設計水平；u2—占地面積；u3—工作性能；u4—制造成本；u5—維修費用；u6—使用壽命。

2. 2 建立評價集

總評判的結果為各種滿意等級，即：

2. 3 建立權重集

對總體方案的評判，需要根據自己的情況來擬定合適的比重。設計水平、占地面積、工作性能、制造成本、維修費用、使用壽命6種因素權重可記作：

根據對旋轉防噴器的工作地現場研究發現，一般的油田對占地面積要求不是很大，對產品的工作性能；對工作人員的安全環境和成本費用要求更大。因此對各因素的權重可確定為：

2. 4 單因素模糊評判

單獨從1個因素出發，不同設計方案的設計水平、結構緊湊、工作性能、經濟學、使用壽命的優缺點對比如表2所示。

表2 旋轉防噴器不同設計方案優缺點對比

對方案1旋轉防噴器每個因素進行評判，得到單因素評判矩陣為：

同理可得方案2、方案3和方案4的單因素評判矩陣分別為：

2. 5 模糊綜合評判

同理可得其余3種模糊評判指標為：

由式（10） ～ 式（13）可知最左邊的數據對應的“好”B3和B4遠遠比B1和B2大，且B3的數據最大，且第二列數據對應的“較好”B3也比B4的大。綜上所述，當注重工作性能時，方案3的工作性能最好，其次是方案4，然后是方案1，性能最差的是方案2。

3 結論

（1）采用功能原理設計對高壓旋轉防噴器進行功能分析，擇優設計出雙被動型錐形膠芯旋轉防噴器、單個主動型旋轉防噴器、雙主動型旋轉防噴器和混合型旋轉防噴器4種較好的總體方案。

（2）當綜合考慮設計水平、占地面積、工作性能、制造成本、維修費用和使用壽命，同時注重工作性能時，應優先選擇雙主動型旋轉防噴器總體方案。它的優點是膠芯的壽命大大提高，可靠性也提高，同時還減少了維修費用。