球形防喷器胶芯失效分析
一种新型井口密封装置优化设计及应用
(CNOOC EnterTech-DrilUng & Production Co. ^Tianjin 300452, China)
Abstract: Reverse circulation operation is often adopted for horizontal well washing and sand washing. The wellhead sealing device seals the annulus between the drilling tool and the wellhead wal Asthecorecomponentofthewelheadsealingdevice，therubbercorewilcausetheoveral operation to fall once the seal fails. A new type of wellhead sealing device has been developed . The force and deformation laws of the rubber core under several typical working conditions have been analyzed， and the sealing mechanism of the rubber core has been studied Thekeydimensionsoftherubbercorehavebeenoptimizedbyfiniteelementdesign Ithasimportantguiding significanceforimprovingtheperformanceandlifeofthesealingdevice Keywords:wash well sand washing；reverse circulation；seal；finite element；rubber core
谈防喷器常见问题及检维修方法分析
谈防喷器常见问题及检维修方法分析摘要：随着快速的经济发展，石油资源不断增加需求，石油项目也在增加，石油开采中防喷器起着重要作用，能够有效避免井喷事故的发生。
作为机械产品，防喷器在生产、使用同样存在加工质量、维修质量、过程保养水平的诸多问题，本文对防喷器进行研究，包括防喷器作用和类型、常见缺陷以及的处理与维护的方式方法。
关键词：防喷器；常见问题；检维修方法我国的重要能源是天然气和石油资源，可以促进许多与我们生活相关的产业的发展。
防止天然气、石油等资源井喷防喷装置的重要手段。
检修过程如果出现问题，未能实现防喷目标，必然会影响能源的节能和发展，同时，国家发布了行业标准SY/T 6160《防喷器的检查和维修》，因此，有必要定期检验检查防喷器。
一、分析检修中存在的问题1.不同类型的防喷器损伤。
防喷器的主要问题是侧门上六方螺栓磨圆无法起出、侧门磨损的老化损伤导致侧门密封错误；轴密封的腐蚀、麻点或磨损可能导致严重故障；变形闸板体；销毁闸板胶芯；轴承维护不足可能导致滚珠脱落，开关强度过大；井口的维护或安装不当可能导致严重腐蚀或钢圈槽断裂等。
2.许多类型防喷器具有不同的作业标准。
一般来说，同一类型的防喷器在不同地区有多家厂商，不同厂商的性能标准也不同，因此同一类型防喷器配件的内外尺寸存在很大差异。
为此，大型维修时必须从合适的制造商购买专用零件和附件，这使得大型维修相当复杂。
3. 密封性不符合标准要求。
安装防喷装置后应进行密封试验，密封试验包括低和高压试验。
不同的油田对高和低压维护时间有不同的要求。
由于检测压力高，大多数防喷器不满足不大于0.7 MPa的标准压降的要求。
有时低压试验压力不理想，密封试验失败时必须再次检修。
二、影响防喷器检修的因素1.拆卸困难。
第一，拆下防喷器时，防喷器一些侧门六方螺栓磨圆，剧烈变形螺栓连接孔可能会使螺栓拆卸侧门变得困难，并在必要时使拆卸变得困难，必须使用焊接协助来完成拆卸。
其次,当拆卸密封件时,过盈配合闸板与胶芯。
可变径闸板防喷器胶芯失效原因及预防措施
２ ０ １ ５年 第４ ４卷 第８期 第７ ９页 文章编号 ： （ ） １ ０ ０ １ ３ ４ ８ ２ ２ ０ １ ５ ０ ８ ０ ０ ７ ９ ０ ４
石 油 矿 场 机 械 犗 犐 犔 犉 犐 犈 犔 犇 犈 犝 犐 犘犕犈 犖 犜 犙
（ ） ： ２ ０ １ ５， ４ ４ ８ ７ ９ ８ ２
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 ３ ） ０ ０ ４ ５ ２
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球形防喷器胶芯失效分析
等与井筒 形成 的环形空 间； （ ）在减压调 压 阀及缓 ４ 冲储能器 的配合 下 ，能 通过 １ ８度 无 细扣 对焊 钻杆 ，
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闭井 口； （ ）在 进行钻 进 、取心 、测井作 业 时 ，若 ３ 发生井喷 ，能封 闭方钻杆 、取心工具 、电缆 、钢丝 绳
艺紧密相关。通 常有 ４种典型 的受力状态 ：带钻具 封 井作业 ；带钻具封井后强行下钻作业 ；带钻具封井后 强行起钻作业 ；不带钻具封井 （ 即封零 ）作业 。
关键 词 ：球 形 防 喷器 ；胶芯 ；失效 分 析
中 图分 类 号 ：Ｔ ４ 文 献标 识 码 ：Ａ 文 章编 号 ：０５ ０５ （０ ２ Ｂ２ ２ ４— １０ ２ １ ）７— ７ ４ ０ １—
Ａｎ ｌｓｓｏ ｉ ｅ ｆ ｒ ｌ ｂ ｅ ｒ ｎ Ｓ ｈｅ ｉａ ｏ ｕ ｅ ｅ ｔ ｒ ａ ｙ ｉ ｆＦａｌ ｏ ｂ ｒ Ｃｏ ｅ ｉ ｐ ｒｃ ｌＢｌｗｏ ｔＰｒ ｖ ｎ ｅ ｕｒ
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液压防喷器常见故障判断与排除方法.
液压防喷器常见故障判断与排除方法一、闸板防喷器密封不严，试不起压故障原因：1、闸板与钻具封闭尺寸不符。
2、闸板胶芯损伤，密封失效。
3、壳体顶密封面锈蚀严重，如凹坑、深槽、麻坑等影响密封的损伤。
4、侧门盘根密封失效。
5、侧门与闸板轴间漏。
6、闸板防喷器闸板前端被硬物卡住。
7、油压不够。
排除方法：1、更换相同型号尺寸的闸板总成。
2、更换闸板胶芯。
3、回厂大修。
4、更换侧门密封件。
5、更换闸板轴密封件。
6、清除杂物。
7、控制油压在10.5MPa。
二、闸板防喷器关闭后打不开故障原因：1、油路错误或不畅。
2、储能器储备压力油不够，或储能瓶氮气压力不足。
3、检查换向阀是否卡死，不起换向作用，气控换向阀操作时间太短（小于5s)。
4、闸板防喷器手动锁紧轴未解锁，或粘连、锈蚀。
5、闸板总成下部或与侧门之间有水泥或沉沙等。
6、闸板体与闸板轴处挂钩断裂，或闸板体与压块之间螺钉剪断。
排除方法：1、检查管线是否接对，是否堵塞或破裂，回油滤清器是否太脏。
2、补充储能器压力油，给储能瓶冲充足氮气。
3、检查控制台上的换向阀，正规操作。
4、将手动锁紧轴解锁到位。
5、打开侧门清除杂物。
6、修复或更换闸板总成。
三、井内介质从壳体与侧门连接处流出故障原因：1、壳体与侧门之间的密封圈损坏。
2、壳体与侧门连接螺栓未上紧。
3、密封面有污物、泥砂。
4、侧门盘根损伤或尺寸不符。
5、长期使用中，侧门盘根槽锈蚀，尺寸变大。
6、侧门密封面有损伤锈蚀。
7、侧门盘根质量差，回弹力不够。
排除方法：1、壳体与侧门之间的密封圈损坏：更换密封圈即可。
2、壳体与侧门连接螺栓未上紧：紧固该部位全部连接螺栓。
3、密封面有污物、泥砂：除去泥沙污将密封面清洗干净。
4、侧门盘根损伤或尺寸不符：更换侧门盘根，换上尺寸相符的盘根。
5、长期使用中，侧门盘根槽锈蚀，尺寸变大：补焊后重新加工。
6、侧门密封面有损伤锈蚀：补焊后重新加工。
7、侧门盘根质量差，回弹力不够：更换质量好的盘根。
环形防喷器胶芯失效的原因与提高胶芯使用寿命措施探讨
环形防喷器胶芯失效的原因与提高胶芯使用寿命措施探讨【摘要】石油工业的发展，开采石油的各项技术等均有所提高，对于油井的安全管理也形成了完整的体系。
对于出现井喷情况也有相应的预防及应对措施。
本文简单阐述了环形防喷器胶芯失效的原因，包括胶芯橡胶弹性下降、胶芯橡胶疲劳而出现断裂或者脱落、胶芯支撑筋疲劳断裂等，并针对上述因素提出了一系列延长胶芯使用寿命的措施，如提高橡胶定伸力、硬度，以提高胶芯的抗磨性、改善胶芯支撑筋结构、优化防喷器胶芯的储存环境等，为从事该行业的人员提供一定会的参考与借鉴。
【关键词】环形防喷器胶芯失效原因使用寿命在对于油井进行安全管理时，预防其出现井喷是较为重要的项目。
环形防喷器技术即是在进行修井和完井等过程中，避免出现井喷而使用的关闭井口的设备。
其结构较为简单，使用方便，属于较为常见的井口装置，但是其在使用时需要在液压系统的控制及驱动下才能发挥其功能。
该设备的胶芯是修井或完井的过程中起到重要保障作用的构件，如果其在使用的过程中出现损害或者失效的情况，会造成严重的事故，因此对于导致环形防喷器胶芯失效的影响因素进行分析，并作出相应预防措施是十分有必要的[1]。
1 环形防喷器胶芯失效的原因分析1.1 胶芯弹性降低弹性或受到三个因素的影响，即形变程度、外力作用持续时间、温度。
根据环形防喷器的工作原理，胶芯封闭井压即是橡胶由相邻骨架之间持续被挤出来的过程，此时，胶芯出现了幅度较大的非线性形态变化，而防喷器在使用的过程中被不断的开启或者闭合，胶芯则不断受到挤压而出现反复的形变，逐渐老化，弹性逐步退化，导致防喷器在卸压的状态下利用弹力顺利的打开井口[2]。
1.2 胶芯疲劳撕裂或脱落在胶芯进行封井的过程中，不断受到压缩及剪切的相互作用，挤出橡胶，已达到封井的目的，但是在强大的剪切力作用下，导致橡胶的化学键断裂，并在强大机械力反复作用下，其结构也出现了一系列的物理变化或者化学变化，将其性能完全改变，出现疲劳撕裂或者脱落的现象。
如何更换环形防喷器胶芯
如何更换环形防喷器胶芯
一、有管柱时更换胶芯
1.应先用割胶刀，借助于撬杠、用肥皂水润滑刀刃等方法，将新胶芯割开，割面要平整。
2.卸掉顶盖与壳体的连接螺栓。
3.吊起顶盖。
4.同样借助于撬杠、用肥皂水润滑刀刃等方法，将旧胶芯割开，并在旧胶芯上拧紧吊环螺丝，吊出旧胶芯，换上割开的新胶芯。
5.装上顶盖，上紧顶盖与壳体的连接螺栓。
6.试压。
二、无管柱时更换胶芯
1.卸掉顶盖与壳体的连接部件。
2.吊起顶盖。
3.在胶芯上拧紧吊环螺丝，吊出旧胶芯，装上新胶芯。
4.装上顶盖，上紧顶盖与壳体的连接螺栓。
5.试压。
液压防喷器常见故障判断与排除方法详解
液压防喷器常见故障判断与排除方法一、闸板防喷器密封不严，试不起压故障原因：1、闸板与钻具封闭尺寸不符。
2、闸板胶芯损伤，密封失效。
3、壳体顶密封面锈蚀严重，如凹坑、深槽、麻坑等影响密封的损伤。
4、侧门盘根密封失效。
5、侧门与闸板轴间漏。
6、闸板防喷器闸板前端被硬物卡住。
7、油压不够。
排除方法：1、更换相同型号尺寸的闸板总成。
2、更换闸板胶芯。
3、回厂大修。
4、更换侧门密封件。
5、更换闸板轴密封件。
6、清除杂物。
7、控制油压在10.5MPa。
二、闸板防喷器关闭后打不开故障原因：1、油路错误或不畅。
2、储能器储备压力油不够，或储能瓶氮气压力不足。
3、检查换向阀是否卡死，不起换向作用，气控换向阀操作时间太短（小于5s)。
4、闸板防喷器手动锁紧轴未解锁，或粘连、锈蚀。
5、闸板总成下部或与侧门之间有水泥或沉沙等。
6、闸板体与闸板轴处挂钩断裂，或闸板体与压块之间螺钉剪断。
排除方法：1、检查管线是否接对，是否堵塞或破裂，回油滤清器是否太脏。
2、补充储能器压力油，给储能瓶冲充足氮气。
3、检查控制台上的换向阀，正规操作。
4、将手动锁紧轴解锁到位。
5、打开侧门清除杂物。
6、修复或更换闸板总成。
三、井内介质从壳体与侧门连接处流出故障原因：1、壳体与侧门之间的密封圈损坏。
2、壳体与侧门连接螺栓未上紧。
3、密封面有污物、泥砂。
4、侧门盘根损伤或尺寸不符。
5、长期使用中，侧门盘根槽锈蚀，尺寸变大。
6、侧门密封面有损伤锈蚀。
7、侧门盘根质量差，回弹力不够。
排除方法：1、壳体与侧门之间的密封圈损坏：更换密封圈即可。
2、壳体与侧门连接螺栓未上紧：紧固该部位全部连接螺栓。
3、密封面有污物、泥砂：除去泥沙污将密封面清洗干净。
4、侧门盘根损伤或尺寸不符：更换侧门盘根，换上尺寸相符的盘根。
5、长期使用中，侧门盘根槽锈蚀，尺寸变大：补焊后重新加工。
6、侧门密封面有损伤锈蚀：补焊后重新加工。
7、侧门盘根质量差，回弹力不够：更换质量好的盘根。
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2012年7月第37卷第7期润滑与密封LUBRICATION ENGINEERING July 2012Vol.37No.7DOI ：10.3969/j.issn.0254－0150.2012.07.018*基金项目：国家自然科学基金项目（51174173）．收稿日期：2012－01－13作者简介：伍开松（1961—），男，博士后，教授，主要研究方向有限元分析，现代设计方法，机械系统动力学仿真，岩石破碎学和石油机械等．E-mail ：wks9998@．通讯作者：徐大萍（1985—），男，硕士研究生，主要从事机械系统力学研究．E-mail ：xkd20055405@．球形防喷器胶芯失效分析*徐大萍伍开松吴霁薇（西南石油大学石油天然气装备教育部重点实验室四川成都610500檿檿檿檿檿檿檿檿檿）摘要：球形防喷器胶芯是井控设备中的易损件，弄清胶芯的失效形式和原因对于提高其使用寿命和可靠性具有重要意义。
根据球形防喷器的工作原理，分析胶芯在几种典型工况下的受力与变形规律；结合现场使用情况，总结出胶芯的主要失效形式有：胶芯上表面开裂和层块状脱落；胶芯内壁大块脱胶；胶芯底部与活塞接触处橡胶开裂；胶芯不能密封住井底高压流体；封井后胶芯不能及时恢复等。
综合分析上述各种失效形式后，认为提高球形防喷器胶芯的密封可靠性和性能，应主要从胶芯材料和结构方面入手，即应优化胶芯和支撑筋的结构形状和尺寸，降低胶芯中的峰值应力；应改进胶芯橡胶材料配方和硫化工艺，提高橡胶的抗拉性能、扯断永久伸长率、耐油性能、抗老化性能等。
关键词：球形防喷器；胶芯；失效分析中图分类号：TB42文献标识码：A文章编号：0254－0150（2012）檿檿檿檿檿檿檿檿7－071－4Analysis of Failure for Rubber Core in Spherical Blowout PreventerXu DapingWu KaisongWu Jiwei（MOE Key Laboratory for Oil and Gas Equipment ，Southwest Petroleum University ，Chengdu Sichuan 610500，China ）Abstract ：Rubber core in spherical blowout preventer （BOP ）is consumable in the well control equipments．It is impor-tant to understand the failure modes and the reasons to improve their life and reliability．According to the working principleof spherical BOP ，the laws of force and deformation of rubber core in several typical working conditions were analyzed．Based on the information of their application on-site ，the main failure modes of the rubber core included that it had crack-ing and block off layer on the upper surface of the rubber core ，large degumming on the inner surface of the rubber core ，and rubber cracking at the position where the bottom of rubber core contacting with the piston ；rubber core couldn ’t seal the high pressure fluid from the well bottom ，and rubber core couldn ’t be promptly restored after plugging．According to the comprehensive analysis of various failure modes ，the improvement of the seal reliability and performance of spherical BOP rubber core from structures and materials of rubber core was put forward ，including optimizing the shape and size of therubber core and supporting tendons to reduce the peak stress in the rubber core ，and improving the formulation and vulcan-ization process of rubber material to raise the tensile properties ，ripped permanent elongation ，oil resistance and anti-aging properties of the rubber．Keywords ：spherical blowout preventer ；rubber core ；failure analysis 球形防喷器，也叫万能防喷器，它是环形防喷器中的一种常用防喷器，因其胶芯为球形而得名，是井控装置的重要组成部分，主要用于钻井、修井、试油等作业中控制井口压力，防止井喷事故的发生。
球形防喷器胶芯是钻井安全施工的重要保障，胶芯一旦密封失效，将可能导致严重的钻井事故。
目前，胶芯失效原因和失效机制研究是一个十分复杂的综合性问题，涉及到支撑筋和胶芯外部结构、形状、尺寸，橡胶材料特性及配方，防喷器的工况条件等诸多原因，对球形防喷器胶芯进行系统完整的失效分析难度很大，虽然胶芯属于“易损件”，但是胶芯的可靠性直接影响钻井的成本和井控风险。
因此，本文作者以歇福尔（Shaffer ）公司所开发的球形防喷器胶芯作为研究对象，对胶芯的失效形式及机制进行分析研究，对于提高胶芯使用性能及寿命、增加钻井施工的安全性和降低钻井费用具有重要意义。
1球形防喷器工作原理球形防喷器由顶盖、胶芯、档泥环、活塞、耐磨圈、壳体和螺栓组等主要零件所组成，如图1所示。
它的主要功能是：（1）当井内有钻具时，能封闭不同尺寸的环形空间；（2）当井内无钻具时，能全封闭井口；（3）在进行钻进、取心、测井作业时，若发生井喷，能封闭方钻杆、取心工具、电缆、钢丝绳等与井筒形成的环形空间；（4）在减压调压阀及缓冲储能器的配合下，能通过18度无细扣对焊钻杆，进行强行起下钻作业。
图1球形防喷器结构Fig 1Structure of spherical BOP球形防喷器的工作原理：关井动作时，下油腔（关井油腔）里的液压油推动活塞迅速向上移动，当胶芯中弓形支撑筋沿着顶盖球形内表面自下而上滑移时，支撑筋之间的胶料被迫自外缘向中心挤压、收拢、变形，从而实现封井。
开井动作时，上油腔（开井油腔）里的液压油推动活塞向下移动，胶芯所受挤压力消失，胶芯在自身橡胶的弹性作用下恢复原状，井口打开。
球形胶芯由弓形支撑筋与橡胶硫化而成；支撑筋一般14个左右。
胶芯的储胶量很多，在强行起下钻被磨损之后，仍有较多的储备橡胶可陆续挤出补充。
胶芯在关井动作时，胶芯沿球形顶盖的内腔自下而上，从外缘向中心移动，胶芯的上部橡胶向钻杆的对称轴线中心方向收缩集聚，压缩变形量较大；胶芯的中部橡胶也向中心线方向收缩集聚，但压缩变形量较少；胶芯的橡胶越靠近下部，向中心线方向的收缩变形量越小。
当超过胶芯球面球心点以下时，甚至出现反方向运动，即背离中心线方向运动。
其结果表现为球形胶芯中下部橡胶会围绕钻具形成一个倒置的“漏斗”，这一现象就是通常所说的“漏斗效应”。
当强行起下钻作业时，胶芯中心部位的漏斗形状便于钻杆接头通过，胶芯所受到的磨损也较少，胶芯的受力状态有所改善。
2球形胶芯力学行为分析球形防喷器胶芯的受力状态与钻井作业的操作工艺紧密相关。
通常有4种典型的受力状态：带钻具封井作业；带钻具封井后强行下钻作业；带钻具封井后强行起钻作业；不带钻具封井（即封零）作业。
2.1带钻具封井作业力学模型胶芯底部受到活塞向上的平移驱动力；顶盖内球面施加给胶芯一个指向球面中心方向的压力及沿球面切线向下方向的摩擦力；当胶芯与钻具接触时，胶芯内表面产生接触压力；作用于胶芯“漏斗面”上和活塞上部的环槽里井底的高压流体压力，起到了助封作用或自密封作用。
在上述力的作用下，胶芯内表面会出现花边状收缩变形，花边的凸出部分受拉伸应力作用，花边的凹陷部分受压缩应力作用。
胶芯上表面会呈现鼓出形状，离支撑筋越远鼓出变形越大，即拉伸应力越大。
此外，胶芯与支撑筋接触的部位与活塞环发生接触，由于材料性质突变，会产生应力集中和较大剪切应力。
2.2带钻具封井后强行下钻作业力学模型在第一个力学模型基础上，钻具强行下钻时，在胶芯内表面增加了一个向下的摩擦力。
在该作业状态下，胶芯除了第一个力学模型所描述的应力状态外，当摩擦力较大时，胶芯还会出现较大剪切应力作用或摩擦磨损现象。
2.3带钻具封井后强行起钻作业力学模型该力学模型是在第一个力学模型基础上，钻具强行起钻时，在胶芯内表面增加了一个向上的摩擦力。
在该状态下，胶芯除了第一个力学模型所描述的应力状态外，当摩擦力较大时，胶芯上还会出现较大剪切应力作用或摩擦磨损现象。
如果多次起下钻作业，胶芯还会出现疲劳交变应力作用。
2.4不带钻具封井作业力学模型该力学模型称为胶芯的封零力学模型，是胶芯受力和变形最恶劣的工况。
其一，胶芯底部受到活塞向上的平移驱动力；其二，胶芯受到顶盖内球面约束，施加给胶芯一个指向球面中心方向的压力，同时施加一个沿球面切线向下方向的摩擦阻力；其三，当胶芯向中心收缩变形时，如果胶芯变形量和自接触压力足够大时，胶芯内表面会发生自接触。
其四，井底高压流体的压力作用于胶芯“漏斗面”上和活塞上部的环槽里，起到了助封作用或自密封作用。
在上述力的作用下，因需要完全封住整个井口，胶芯变形量必须非常大，胶芯内表面花边的部分所受应力将非常复杂，变形也非常大。
胶芯上表面的鼓出变形和拉伸应力都会很大。
此外，胶芯与支撑筋的接触部位，以及胶芯与活塞环接触部位，由于材料性质的突变，在它27润滑与密封第37卷们的接触部位会发生材料特性突变，从而产生很高的应力集中。