海洋石油钻井平台防喷器结构设计与三维造型

目录1 绪论 (2)1.1 课题研究背景和意义 (2)1.2深海防喷器组国内外现状 (3)1.3课题研究内容 (4)2 深海防喷器的组成及工作原理 (5)2.1组成结构 (5)2.2工作原理 (6)3 深海防喷器的设计要求、选配组合及材料选择 (7)3.1设计要求 (7)3.2防喷器压力级别选择 (7)3.3单向阀的设计 (8)3.3.1设计参数 (8)3.3.2几何尺寸的确定 (8)3.3.3受力计算和性能计算 (9)3.4减压阀的设计 (10)3.4.1设计参数 (10)3.4.2几何尺寸的确定 (11)3.4.3静态特性计算 (12)3.5防喷器的选配组合 (13)3.6材料选择 (15)4 环形防喷器设计 (16)4.1环形防喷器的组成和工作原理 (16)4.2环形防喷器的产品选型 (18)4.3环形防喷器三维设计图 (20)5 闸板防喷器 (21)5.1闸板防喷器的类型和工作原理 (21)5.2闸板防喷器的产品选型 (23)5.3闸板防喷器三维设计图 (24)6 钻井四通 (26)6.1钻井四通作用 (26)6.2钻井四通三维设计图 (26)结论 (28)致谢 (29)参考文献 (30)1 绪论1.1 课题研究背景和意义石油的勘探钻采作业在科技的推动发展下，已经渐渐成为全球经济的重要支柱，推动着现代社会正常运行下去。

由于世界各国对石油的需求量增长，陆地钻油采集及对浅海域的常规开发已趋于饱和，人们将眼光延伸至广阔的海洋，对石油的钻采勘探向着深水和超深水领域发展。

随着海洋石油勘探和开发的进程日益深入，深水钻井渐渐成为一种主流的发展趋势。

如图1-1，为海洋钻井示意图，标注1-5分别为钻井船、隔水管、水下控制箱、环形防喷器、闸板防喷器。

而保证安全钻井最关键的设备，便是深海防喷器组。

深海防喷器也叫水下防喷器，在石油钻井时安装在井口套管头上，用于控制井口压力，是井控设备中的核心设备。

是海洋石油钻井行业水下器具的部件之一，是设置在海底用来控制和防止井喷，保证海下作业顺利完成的关键环节之一【1】。

图1-1 海洋钻井示意图防喷器最重要的作用是控制井内压力，防止井喷、井涌等危险事故发生。

在考虑到人员和设备安全的同时，也要求具有规避污染深海生态环境的作用。

井喷是深海石油钻探作业安全生产中的重大事故，主要是由压力作用造成的。

同时，失效的元器件或是失误的人为操作都可能会导致井喷、井涌的产生。

在钻井作业的过程中，应该保持地层压力，使钻井液密度始终大于地层流体压力【2】。

因为海洋钻井的地理位置的缘故，导致人员及设备的救援困难性大大提升了，深水防喷器组的安全性能和可靠性要求也相应变得极其高。

深海防喷器组集电子、机械、液压等多项技术于一体，技术含量高，产品附加值高。

钻井作业的水下深度、油气层压力和海底至目的层深度的不同，会导致深海防喷器组不同配置的产生。

目前深海防喷器组已经成为深海钻井生产能够安全作业的重要技术手段，也是石油工业走向海洋的的基础。

1.2深海防喷器组国内外现状美国从20世纪50年代开始研究生产水下防喷器，经过三十年速度发展。

90年代，Shaffer研发了以快速更换闸板为特点的NEXT型闸板防喷器。

2008年，美国JAMES I.LIVINGSTONE申请了一个井下防喷器专利，分为两部分：能够与井壁形成环形空间和内部通道的内管。

同时该防喷器还还一个单向阀和球阀，分别负责关闭井下防喷器的环形通道和内部通道【3】。

近年来，为使用井口回压较高的欠平衡钻井，美国Williams公司研发出了7000型和7100型高压旋转防喷器。

该款防喷器有2个环形胶芯，大大提升了密封的可靠性。

在深水防喷器组的设计生产、安全性能检测方面，国外的防喷器公司积累了很多经验。

和深海防喷器组有关的科技一直被国外所垄断，国内厂商完全只能依靠进口。

从我国对于防喷器制造方面使用的规范性文件来看，一九八五年是一个分水岭。

一九八五年以前，国内生产的防喷器型号都表示为KPY（KPY为勘探液压防喷器的汉字拼音字母）公称通径—最大工作压力的形式。

其中cm是公称通径的标准单位并且取其圆整值，kg/cm2是最大工作压力的标准单位【4】。

如型号为KPY23-210的防喷器，其最大工作压为210kg/cm2，公称通径为230cm。

一九八五年以后，防喷器型号的字头仍然由汉语拼音字母组成。

如图1-2，为一九八五年以后的防喷器型号标准，公称通径的单位不变，而最大工作压力的单位则改变，以MPa表示。

例如型号为FZ23—21的单闸板防喷器，其最大工作压力为21MPa，公称通径为230mm。

图1-2 1985年后防喷器型号2008年，为了打破国外对深海防喷器技术上的垄断，我国正式立项“3000米深海防喷器组及控制系统的研制”课题。

2012年10月，国内首套3000米深水防喷器组及其控制系统，被华北石油荣盛机械制造有限公司研制并通过国家科技部验收。

作为国家“863”计划“南海深水油气勘探开发关键技术与装备”的子课题之一，该项目的成功研发，填补了我国防喷器制造方面的不足甚至空白，是我国石油钻采作业的重大突破，具有极其深远的意义。

以目前国内海工行业的发展水平来看，海洋工程可以以其深度划分为海岸、浅海和深海工程。

如何改善石油钻井平台，以便适应深水、超深水等环境作业的安全性能要求，是未来深海防喷器设计所一直追求的目标。

目前国内自主设计的深海防喷器，大多是在国外成熟设计的产品基础上进行修改，一旦修改幅度过大，便会产生各类的问题。

究其原因，缺乏创新，对设计理念的本质的理解匮乏才是根本。

1.3课题研究内容当今情况下，我国海洋油气开发已经有近四十年历史,但从科技和创新的角度来看,深水防喷器组的生产制造技术主要被国外的少数大型公司所垄断。

国内对于深海防喷器的相关研究与国际第一列队的科技相比存在很大差距，基本处于劣势地位。

为此，如何在较短时间内突破国外相关技术垄断，努力进入世界水平第一梯队，适时进入深海、超深海油气勘探开发领域，形成具有我国自主知识产权的技术装备体系，是我国石油工业急需解决的难题【5】。

本文主要完成以下研究内容：1.根据防喷器结构示意图，考虑提高自动化程度，其精准要求和安全要求，制定设计海洋井口防喷器的总体设计方案；2.选择合理的总体设计方案，利用SolidWorks软件开展防喷器的结构设计、零件的详细设计；3.利用软件设计海洋钻井平台防喷器的三维造型。

2 深海防喷器的组成及工作原理2.1组成结构防喷器是钻井井口装置的主要组成部分。

它是保安全、快速、优质钻开高压油、气层的关键设备。

海底防喷器组具有结构简单，操作简易，耐高压耐腐蚀等特点。

同时因为处在海洋环境下工作，需要耐腐蚀耐低温，其性能必须绝对可靠。

防喷器作为钻油作业环节中十分重要的一环，需要具备以下的特点：1.动作迅速。

环形防喷器的液动封井时间通常小于30秒，闸板防喷器的液动封井时间通常为3—8秒，而打开液动放喷阀的时间则通常为3秒。

2.操作方便，安全可靠。

井口防喷器的开，关均采用液压操作。

3.现场维修方便。

无论是闸板防喷器的闸板，还是环形防喷器的胶芯，如果坏了都可以进行现场维修和更换。

图2-1 一般防喷器三维建模深海防喷器组通常由环形防喷器、闸板式防喷器组成，如图2-1，为一般防喷器的三维模型图，由上至下分为一个环形防喷器、三个闸板防喷器和一个管道四通。

深海防喷器组的性能要求随着水下深度的增加，也变得越来越高，防喷器组的高度变化会影响下部结构。

尤其是在无导向绳作业的情况下，这就需要防喷器与下部结构留下足够的间隙。

2.2工作原理钻井过程中地层流体压力大于井液密度，液控系统的高压油进入左右液缸关闭腔，推动其活塞带动左右的闸板沿闸板室限定的轨道同时向井口中心移动。

闸板防喷器的闸板有四种，包括全封式和半封式。

其中全封式闸板可以封住整个井口，而当有钻杆存在的时候，半封式可以封住井口的环形断面。

根据闸板防喷器传递的信号源，系统性地由下至上，一层一层实现防喷器的封井动作。

若最后若仍未实现封井动作，则在紧急情况下启动最上层的环形防喷器，可处理任何尺寸的钻具和空井。

3 深海防喷器的设计要求、选配组合及材料选择3.1设计要求防喷器的技术要求：1. 满足水下三千米的压力要求，设计出海洋钻井平台防喷器的总体设计；2. 设计海洋钻井平台防喷器的三维造型。

防喷器的工作要求：1. 根据示意图，制定海洋井口防喷器的总体设计方案；2. 选择合理的总体设计方案，开展防喷器的结构设计、零件的详细设计。

3.2防喷器压力级别选择表3-1 API 推荐防喷器尺寸深海防喷器的工作环境是水下三千米，根据公式：gh P ρ= （公式3-1）式中——水的密度3/1000m kg =ρ——引力取kg N g /10=计算得水下三千米压力MPa p 30=深海三千米的液压防喷器一般不会选用造耐压舱，原因是质量太重且海域状况不一样。

如今选用的相对完善方案是压力补偿的方式，即利用压力补偿器使防喷器内部压力和环境压力一致。

这样设计液压系统就和常规一样，降低系统的密封要求的同时，也减小了执行机构的尺寸。

则MPa p 60230=⨯= （公式3-2）如表3-1，考虑到深海工作环境的复杂性，采取API 为15M 的防喷器，最小垂直孔径选择为）（161/74.179mm 。

3.3单向阀的设计3.3.1设计参数单向阀的额定压力60MPa ，额定流量200L/min ，设低开启压力20MPa ，其压力损失为0.4 MPa 。

设高开启压力40MPa ，其压力损失为0.8 MPa 。

3.3.2几何尺寸的确定（1）进、出油口直径:mm 73.2663.4=≥g gV Q d （公式3-3） 式中g Q 一一额定流量200 C L/min g V ——进、出油口直径d 处油液流速，取g V =6 (m/s)取d=38mm 。

（2）阀座内孔直径z D3)~(1-d D z = （公式3-4）取z D =36mm 。

（3）阀芯锥角的半角z α和阀座锥角的半角z α45z =α （公式3-5）)3~1(z z +=αα （公式3-6） 取 46z =α。

（4）锥阀阀口最大开口量m ax δ][2sin max s z z p g D C Q∆≥γαπδ （公式3-7） 将额定流量g Q =200lL/ min ，流量系数C=0.77，阀座内孔直径z D =36mm ，阀芯锥角的半角 46z =α，重力加速度29.8m /s g =，油液重度224kg 1003.1--⋅⋅⨯=s m γ 。

低开启压力损失1][s p ∆ = 0.4MPa 时，mm 1.61max ≥δ；高开启压力损失2][s p ∆=0. 8MPa 时，mm 3.4max ≥δ。

通过额定流量时，锥阀阀口开口量低开启压力损失1][s p ∆ = 0.4MPa ，δ=6.1mm ；高开启压力损失2][s p ∆=0. 8MPa ， δ=4.3mm 。