0 引 言

在石油、地矿勘探开发钻井中，每次起钻接单根卸开钻柱螺纹时，钻井液经常大量喷出，洒落在钻井平台、操作人员身上及各类工具设备上。喷出的钻井液既造成了浪费，又使钻井平台粘糊湿滑，不符合HSE要求。国内外对此研究很少，目前文献记载里只有2个专利和1套系统^{[1, 2, 3]}。2个专利均是内置式，置于下部钻具组合，给设备检修和更换带来不便。防溢系统效果好，但是设备昂贵，维修不便，系统复杂且不实用。因此，现场必须配备一套防止钻井液喷出的防护装置。现阶段现场使用的简易防喷盒^[4]有钢板卷制，也有塑料材质。前者笨重、密封性能差，易被腐蚀；后者抗疲劳度低，易损坏。针对上述问题，笔者设计并研制出一种可变径钻杆防喷盒。

笔者在结构设计上根据起钻卸单根操作流程，以及运动过程中密封的特殊性，自主设计出符合现场钻井起钻的新型钻杆防喷盒，并采用SolidWorks画出其整体结构示意图，如图 1所示。

图 1 新型钻杆防喷盒结构示意图 Fig.1 Structural schematic of the new drill pipe mud saver 1—上内半封盖板；2—自动弹簧；3—上外全封盖板；4—引导槽；5—扳扣；6—把手；7—内造斜面；8—外圆筒；9—密封槽；10—密封垫；11—活页；12—快速接头；13—密封圈；14—下固定盖板；15—导轨槽；16—导轨；17—升降杆；18—升降板；19—滑轮。

图选项

设计的新型钻杆防喷盒主要由上盖板、外圆筒、引导槽、内造斜面、下盖板和升降杆组成。上盖板分为外全封半圆环和内半封半圆环，外全封半圆环和内半封半圆环之间采用嵌入式设计，由自动活页相连接。内半封半圆环内侧设计一凹槽，凹槽内固定伸缩橡胶，伸缩橡胶外连接三角形骨架，三角形骨架中间镶嵌密封橡胶。引导槽为了防止海上或者特殊情况下起钻后钻柱重心偏移，调整其重心使其顺利的从上盖板提走。下盖板的设计主要考虑变径设计，采用伸缩橡胶、三角形骨架和C形密封圈三者相结合。升降杆的设计是为了配合内造斜面的最佳位置，可使钻井液以最快的速度回收。

新型钻杆防喷盒主要功能为在起钻卸单根时防止钻井液喷溅，因此最简单的设计理念就是对钻杆接头进行密封，通过该防喷盒回收和循环钻井液。针对卸单根整个操作流程的活动性以及设计原则，设计思路如下：将防喷盒打开扣在上、下钻柱接头处，当上提钻柱时，钻井液就会从上、下2个钻柱喷出流入防喷盒内部，经内部造斜面，从排液口排出流入计量罐，之后进入钻井液池。

现场钻井起钻时，当顶驱提起钻柱到达二层台之后，下入深井卡瓦，B型大钳卸扣完成后^[5]，打开防喷盒扳手，通过升降杆旋钮调节防喷盒到适当位置，使其下盖板刚好固定在下部钻杆接头处。扣上扳扣，上、下盖板的伸缩橡胶受挤压，三角形骨架在伸缩橡胶的弹性变形下开始靠近钻柱旋转闭合，下盖板的C形密封圈随三角形骨架的移动紧贴钻柱，在给定压力下密封钻柱^[6]。当扳扣固定好防喷盒，继续上提钻柱，钻柱一旦提起，钻井液立刻泄出，此时钻杆防喷盒已开始回收钻井液，随着大钩继续上提，钻柱台阶经过上盖板时，台阶将上盖板内半封盖板顶开从防喷盒内提出，此时内半封盖板自动归位，由于钻柱提出，内半封盖板的三角形骨架继续向中心移动直至闭合。当钻柱提走置于立杆盒，防喷盒内部钻井液也早已排出，此时可同时取下防喷盒进行下一根钻柱的起钻。

相较于传统的现场防喷盒起钻防喷工艺，新型钻杆防喷盒一大亮点是无需等待钻井液全部排出，可直接上提钻柱。

根据上述理念设计，特制上盖板。上盖板主要由外全封盖板和内半封盖板组成。外全封盖板由2半圆环组成，与外圆筒固定在一起，在半圆环内环上部设计一凹槽，用于与内半封圆环镶嵌无缝连接，防止钻井液从2半封板间隙冲出。因此内半封盖板外环下部设计同一尺寸的凹槽与之镶嵌。2盖板之间用特制弹簧连接，可使2半盖板绕特制弹簧向上旋转，待钻柱提出后弹簧自动闭合归位。在内半封盖板内环设计变径结构，靠近内环部件为伸缩橡胶，伸缩橡胶具备一定伸缩量，挤压外部的三角形骨架，三角形骨架可由伸缩橡胶施加的压力旋转闭合。

新型钻杆防喷盒上盖板设计赋予了现场防喷盒新的提速空间，为加快钻进节约了大量时间，而且保证无钻井液从上部溅出。

新型钻杆防喷盒最大的创新特点是具有变径功能，改变了传统现场防喷盒只有单一尺寸与钻杆唯一对应。在整根钻柱中时常会出现不同型号的钻杆,为了方便操作，避免更换，这种变径功能非常必要。为实现这一功能，采用可变径闸板防喷器的变径原理，加以改进以后适用于该防喷盒。

在上盖板设计的基础上，由于下盖板的密封要求远高于上盖板，所以在三角形骨架内侧安装O形密封圈^[7]。三角形骨架结构如图 2a所示。骨架与骨架之间通过台阶凹槽镶嵌，实现骨架之间的联动^[8]。在受到圆筒闭合压力时，伸缩橡胶挤压三角形骨架，三角形骨架受力靠近钻柱运动，骨架之间产生联动作用，实现旋转闭合(见图 2b)。与此同时，三角形骨架的肋板内侧挤压O形密封圈，O形密封圈受力与钻柱紧紧贴住，实现变径密封。

图 2 三角形骨架结构及旋转闭合示意图 Fig.2 Triangle skeletal structure and schematic view of rotary closure 1-上压块；2-钩体3-肋板；4-下压块。

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当钻井液溢出可收纳于防喷盒内。笔者设计了只靠自然位差获得能量来排泄钻井液的自流管路。在防喷盒外圆筒侧面打开一个圆孔，孔口处接触短管，这种形式称之为管嘴。管嘴需克服局部阻力和沿程阻力^[9]。对于管嘴泄流，其特点是液流在管嘴内先收缩，再扩大封住出口均匀地泄出。经验表明，首先确定液流通过管嘴的流速系数φ。

对管嘴泄流来说，收缩系数ε=1，流量系数μ=φ=0.81，而流量，流速(式中：A为管嘴面积，g为重力加速度，H为高度)。该防喷盒取排液口直径为100 mm，可得出Q=0.138 m³/s，v=4.392 m/s。假设在卸单根过程中整根钻杆全是钻井液，则其体积V=0.247 m³,则排液时间。由此可看出，采用该防喷盒排液不到2 s，无需等待，既节省工作时间，又提高了效率。

(1)新型钻杆防喷盒的变径设计改变了多种尺寸钻杆防喷的难题。

(2)悬挂式革新为落地式，并且配备了可调升降杆，随时改变钻杆防喷盒高度，便于操作。

(3)独到的半开合式上盖板设计，可直接提走钻杆，节省大量等待时间。

(4)新颖的多种密封元件加密封槽嵌入式设计，使密封效果更加良好。

(5)大胆采用MC尼龙材料“以塑代钢”，改善现场工具笨重的问题，大大减轻工作人员劳动强度，提高安全系数，而且不易腐蚀，经久耐用。

(6)价格是现代钻杆防喷盒的 1/2 ，性价比高。

(7)应用范围广，海陆所有钻井平台均可使用。为了在海上大风大浪下正常使用，专门设计了引导槽，以防止起钻上提偏离重心而将防喷盒拔出。

现场大多数防喷盒均以铸钢材质为基础，设计简陋，且质量超过200 kg，悬挂于二层台，增加了工作安全风险。因此采用MC尼龙材料作为新型钻杆防喷盒主体外圆。下面对MC尼龙与铸钢在性能上进行比较。采用ANSYS对其进行分析，建立模型，在一定载荷强度下得到弹性应变和等效应力的对比。有限元分析结果如图 3所示。

图 3 防喷盒外筒有限元分析结果 Fig.3 Finite element analysis of outer barrel of mud saver

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MC尼龙的抗拉强度为80.3 MPa，屈服强度为63.2 MPa，泊松比为0.41，弹性模量为28.3 GPa^[10]；铸钢的抗拉强度为600.0 MPa，屈服强度为355.0 MPa，泊松比为0.30，弹性模量为180.0 GPa。

由图 3可以看出，与铸钢相比，MC尼龙的弹性应变变化幅度较大，但其数值变化在0.000 5~0.004 0之间，相对波动较小，此变量可忽略。MC尼龙与铸钢在不同载荷下等效应力变化相当。因此，MC尼龙从性能上可以“以塑代钢”，并且在价格和质量上有明显的优势。

中石化江汉石油工程有限公司焦页4-2HF井于2014年1月24日钻至龙马溪组，井深2 464.00 m。钻具组合为：ø311.2 mm HJT537GK+ø216.0 mm×1.25°螺杆+浮阀+ø203.2 mm NMDC+631×410+ø127.0 mm HWDP+ø127.0 mm DP。为了换PDC钻头，检修定向仪器、换摩擦片、量角差以及试信号，于当日13：00开始起钻，起钻发现从第1柱开始就有钻井液从钻柱内喷溅出来，现场及时使用可变径钻杆防喷盒，有效防止了钻井液的喷溅。由于井内旁通阀堵塞，导致整个起钻过程中每一柱都存在钻井液喷溅现象，直到钻铤部位，可变径钻杆防喷盒在不同尺寸的钻柱下依旧可以正常使用，变径效果发挥较好，便于操作，全程耗时8 h，比常规防喷盒节省2 h以上，共收集钻井液20.64 m³。

中石化江汉石油公程有限公司焦页31-3HF井于2014年10月8日钻至龙马溪组，井深2 580 m。钻具组合为：ø215.9 mm PDC+ø172.0 mm×1.25°螺杆+ø213.0 mm STB+411×410(浮阀)+ø127.0 mm无磁承压+411×4A10+LWD悬挂短节+ø127.0 mm加重钻杆+ø127.0 mm钻杆+ø127.0 mm加重钻杆+ø127.0 mm钻杆。起钻更换PDC钻头和172.0 mm×0.75°螺杆，当起钻至第6柱发现有钻井液涌出，随即使用可变径钻杆防喷盒。起钻共耗时5 h，共回收钻井液15.6 m³。使用过程中可变径钻杆防喷盒无明显损耗，变径橡胶均完好无损，井口清洁，实现了钻井液不落地，比常规起钻节约1 h左右。且现场反映该防喷盒操作简便，防喷防漏能力强，效果良好。

该防喷盒分别在2口井起钻时试验，共回收钻井液36.24 m³，整个起钻过程中保证钻井液不落地，操作简便，减少了工作人员的安全隐患，应用效果达到预期目标。

(1)可变径钻杆防喷盒的研制简化了传统的起钻卸单根工艺流程，使操作更加安全、便捷，符合HSE标准。

(2)可变径设计改变了传统钻杆防喷盒反复多尺寸更换的繁琐操作，适用于钻井过程中多尺寸钻杆的防喷和防漏。

(3)首次在钻井现场使用MC尼龙材料，实现了“以塑代钢”。MC尼龙性能堪比钢材，却比钢材更加轻便，大大减轻了工作人员的劳动强度，并且在价格上远低于钢材，具有广阔的应用前景。