可变径闸板防喷器胶芯失效原因及预防措施

栗国浩（中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津300452）

可变径闸板防喷器胶芯失效原因及预防措施

栗国浩
（中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津300452）①

总结了可变径闸板防喷器胶芯在现场使用中出现的失效问题。通过对可变径闸板防喷器胶芯失效实例分析，结合现场的实际经验，找出引起胶芯失效的原因，并提出了解决办法，为防喷器胶芯设计、生产、检验、使用提供参考。通过各个环节的把关，消除可变径闸板防喷器胶芯失效的不利因素，为防喷器的安全使用提供了保障。

防喷器；胶芯；失效；分析

可变径闸板防喷器可以适用于一定范围内不同尺寸的钻具，目前使用最多的规格有73．0～127．0mm（2～5英寸）。使用可变径闸板防喷器，在整个钻井过程中不必因钻具改变而相应更换闸板芯，就可达到封井的目的。这种防喷器使用方便、成本低、效率高，目前油田钻井作业中几乎全部在使用这种可变径闸板防喷器。但是，在使用过程中发现可变径闸板胶芯出现多种失效问题，甚至造成落鱼，导致钻井事故发生。

1　可变径闸板防喷器胶芯结构及工作原理［1］

可变径闸板防喷器与普通闸板防喷器的壳体是通用的，根据壳体内安装闸板总成的不同可以分为可变径闸板防喷器、剪切闸板防喷器、全封闸板防喷器及管子闸板防喷器。闸板防喷器主要由壳体、油缸、活塞和闸板总成构成，如图1所示。可变径闸板防喷器的胶芯与其他闸板防喷器的胶芯结构不同，可变径闸板防喷器胶芯中有按一定距离嵌入的金属骨架，金属骨架与橡胶密封材料浇注为一体。三角形的支撑筋呈扇形排列，形成一个可以收张的钢环，金属骨架承载面相互搭接，后部相互钩连，并将密封橡胶包裹起来，使密封橡胶始终处于保护状态，能够延长其使用寿命。骨架材质采用耐腐蚀性强的不锈钢，避免使用过程中锈蚀、卡死，保证在封井过程中闸板胶芯的强度及封井效果。这种可变径闸板胶芯结构是目前使用最广、最为先进的形式。如图2所示。

可变径闸板防喷器工作时，在液压力的作用下由活塞推动闸板胶芯向前移动，闸板胶芯骨架旋转、相互挤压使橡胶变形包围钻具，达到封井的目的。

图1　单闸板防喷器结构示意

图2　可变径径闸板总成

2　可变径闸板胶芯失效形式分析［2-3］

2．1 顶部密封件的限位销脱落

1） 顶部密封件的作用是在封井时密封闸板总成与壳体的闸板室。当闸板防喷器处于全开状态时，顶部密封不接触闸板室顶部密封面。当闸板防喷器关闭时，闸板室底部高的支承筋和顶部密封面均有渐缓的斜坡，能保证在达到密封位置前，闸板总成与壳体的闸板室间有足够的间隙，保证闸板总成在移动时不受摩擦力的作用。封井时闸板前密封首先接触钻具，顶部密封与壳体的闸板室密封面接触，从而完成全部密封，达到封井的目的，此时井压起到助封的作用。由于封井时的井筒压力相当高，在达到完全密封前，顶部密封件就已经与闸板室的密封面处于紧密接触状态。此时顶部密封面既受到挤压应力又受到剪切应力，浇注在顶部密封件中的限位销在反作用力的作用下产生弯曲、变形。如果浇注产生的剥离强度低，垫铁及限位销的材质强度小，整个垫铁及限位销就会被整体撕裂，使其失去密封功效。如图3所示。

2） 顶部密封面的平面度、表面粗糙度、橡胶件的压缩量等都是限位销钉产生脱落的影响因素。橡胶件的压缩量小，表面不平整而且粗糙，这样在关闭闸板防喷器过程中顶密封与闸板室密封面就会产生很大的摩擦力，导致限位销钉及垫铁扭曲、变形甚至撕裂、脱落。

3） 顶部密封件安装的正确与否会影响其密封效果、使用寿命。如果没有正确安装顶部密封，限位销钉没有安装到位，限位销钉极易损坏。

图3　顶部密封件损坏案例

2．2 闸板胶芯橡胶开裂和老化［4］

1） 在钻井过程中整个闸板胶芯受到钻井液的侵泡，变径闸板在密封钻具的过程中，根据密封钻具尺寸的不同，前密封骨架受交变载荷的作用，随着闸板的使用时间延长及开关次数的增多，橡胶将会出现疲劳裂纹和老化现象。可变径闸板防喷器有一定的使用范围，如果超范围使用（钻具过小或过大），都会对可变径闸板防喷器胶芯造成过度损伤，橡胶的弹性会逐渐减弱，使封井效果变差，可靠性降低。

2） 钻井过程中使用不同种类的钻井液，其化学成分大不相同。同时，在钻入不同地层时也会受到地层中其他化学成分的侵蚀，尤其是H2S及CO2等酸性介质对橡胶的腐蚀非常严重。由于这种克刻的环境因素，所以在选用闸板胶芯橡胶材料时要充分考虑，选用性能优良的橡胶。

3） 无论是防喷器生产制造单位还是使用单位都应严格按照胶芯的保存条件进行储存和使用。露天、阳光直射、湿度环境、与金属部件混存等这些情况都容易使胶芯老化、缩短使用寿命，影响封井效果。

2．3 闸板胶芯前密封垫铁脱落

造成闸板胶芯前密封垫铁脱落的原因有两方面。第一，变径闸板防喷器关闭时前密封骨架旋转相互挤压使橡胶变形来密封钻具，成对的闸板前密封上、下垫铁之间也会相互挤压。前密封长期使用后，前密封垫铁与橡胶体之间结合力减小、前密封垫铁与连接上、下垫铁之间的销轴的过盈配合关系也会受到削弱，造成前密封上、下垫铁脱落；第二，前密封橡胶因长期老化而失去它应有的弹性，造成与前密封垫铁之间的结合力减小在外力作用下而脱落。

2．4 闸板胶芯整体脱落

可变径闸板胶芯整体脱落，掉入井内形成落鱼，造成钻井事故，这是闸板胶芯失效中最严重的情形。当打开防喷器时，由于其他原因使胶芯与闸板体分开，胶芯没有随闸板体一起回到闸板腔内，此时如果钻具在防喷器腔体中运动，钻具的接箍会将胶芯带入井筒，形成落鱼，造成钻井事故。主要原因有：首先，胶芯与闸板体分离的前提是顶部密封的限定销钉失去作用；其次，在打开防喷器时井筒压力没有释放完全，在高压钻井液的作用下导致闸板胶芯脱落。带压开启防喷器是闸板胶芯整体脱落的关键因素。

3　预防措施

3．1 设计与制造［4-5］

1） 改进橡胶的成分配方。橡胶的配方决定橡胶的力学性能。设计、制造时一定要考虑橡胶的化学成分、压缩量、橡胶件的尺寸精度、形位公差、模具精度、表面粗糙度等，保证橡胶件的物理性能、硬度、尺寸符合设计要求。最好进行非线性有限元分析，通过建模寻找出胶芯与钻杆之间的接触应力的分布规律，有针对性的采取优化措施。

2） 建立相关标准。要明确橡胶件的性能，不同压力、不同使用环境对橡胶件的性能要求是不一样的。研究、确定相关标准，作为橡胶件生产、检验的依据。

3） 选择不同种类的橡胶。针对不同钻井泥浆及地质所含腐蚀介质的情况选用性能各异的橡胶。例如：可采用氢化丁腈（HNBR）橡胶生产用于富含H2S及CO2地层的钻井作业用防喷器胶芯。

3．2 安装过程

1） 闸板胶芯装配。要保证各密封部位的清洁、胶芯、密封件的完整，组装场地的干净。与胶芯接触的闸板体边缘不能有毛刺或锋利的棱角。在装配过程中不能对胶芯进行强挤、强压，在确认装配尺寸正确、安装方式合理的前提下可用皮榔头轻轻敲击进行装配，如图4所示。装配完成后应再次进行确认安装是否到位。

图4　胶芯的装配

2） 闸板总成安装。闸板总成一般在钻井现场进行更换、安装，安装时要确保场地干净。首先，按照安装步骤检查阀门开关、管线蓄能的释放等隔离措施；其次，逐项确认配件规格、型号和数量、各种工具，确保闸板腔体内清洁、无异物，闸板总成表面干净及顶部密封平整、无扭曲变形。第三，安装完成后要经过两人确认，然后再进行功能试验及压力测试。功能试验不能少于2次，但不宜过多，以免对顶部密封造成磨损。

3．3 操作及维护检查

防喷器的操作、使用一定要制定严格、科学的操作程序及定期检查制度。严禁采用打开闸板方式来泄放井内压力。每次打开闸板前，应检查锁紧装置是否解锁、解锁是否到位。打开后要检查闸板是否全部打开以及闸板胶芯是否完全退到闸板体内。闸板胶芯不得停留在中间位置，以防钻具碰坏闸板胶芯形成落鱼，造成钻井事故。同时，对胶芯橡胶的老化程度、橡胶的弹性及金属骨架的磨损情况进行仔细检查，如不能满足要求应及时更换胶芯。根据闸板胶芯的入库先后、新旧程度对库存胶芯进行编号、造册，应按先旧后新原则出库使用。闸板胶芯必须存放在避光、干燥、恒温室内，严禁存放于露天。胶芯不能受弯、受挤压，不能接触腐蚀介质，应在自由松弛状态下存放于木箱或货架上。应定期检查库存胶芯，长时间存放而产生老化或严重变形、有裂纹的胶芯应及时予以报废。

4　结论

1） 通过对失效的可变径防喷器胶芯分析、研究，发现其失效原因是由多种因素共同作用的结果。涉及到图纸设计、生产加工、出厂检验、运输储存、安装使用等环节。

2） 可变径防喷器胶芯的设计必须满足有关标准，借鉴以前经验的同时还应重视现场使用的信息反馈，对容易产生失效的位置及时进行优化设计，更改生产工艺、严格进行检验，保证该环节的质量。

3） 在订货时，使用者要根据自身的泥浆体系以及地层所含介质的特殊性，向可变径防喷器的厂家提出要求，厂家据此进行胶料调配，以满足特殊工况的使用要求。同时，使用者要根据现场实际情况，综合不同工况的使用经验和厂家的维护要点对胶芯进行定期检查，使防喷器胶芯在安全、有效的状态下使用，以保证钻井作业的安全。

4） 该文的研究结果对于万能防喷器胶芯、半封闸板防喷器胶芯、旋转防喷器胶芯的生产和使用具有指导意义。

［1］ 四川宏华石油设备有限公司．钻机用户手册［K］．2008．

［2］ 林军．环形防喷器胶芯失效的形式及原因［J］．石油机械，1995，23（9）：36-43．

［3］ 张宝生，陈家庆．可变径闸板防喷器结构研究［J］．北京石油化工学院学报，2005，13（3）：56-59．

［4］ 陈滴，江成君．闸板防喷器橡胶件作用及防止密封失效措施［J］．价值工程，2010，29（8）：193-193．

［5］ 王锡洲，付玉坤，朱海燕，等．闸板防喷器胶芯密封及损坏机理分析［J］．石油矿场机械，2010，39（2）：16-18．

Variable Ram BOP Core Failure Causes and Preventive Measures

LI Guohao
（Production Optimization Department，China Oilfield Services Co．，Ltd．，Tianjin 300452，China）

The variable ram BOP rubber core failure problems，occurred in oil field application，are summarizes in this article．With the analysis of variable ram BOP rubber core failure instances and combining the oil field practical application，causes of BOP core failure are identified and solutions are put forward．This provides references for BOP rubber core design，production，inspection and site application．With the control of each link，the elimination of variable ram BOP rubber core failure of unfavorable factors has provided the safeguard for the safe usage of BOP．

BOP；ram core；failure；analysis

TE921．507

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．019

1001－3482（2015）08－0079－04

①2015－03－15

栗国浩（1976-），男，甘肃庆阳人，工程师，现从事钻井设备管理工作，Email：leegh＿007＠163．com。