欠平衡钻井旋转防喷器（RBOP）壳体轻量化制造研究

引言

欠平衡钻井技术因能有效保护储层、提高钻井效率，已成为非常规油气开发的核心技术手段之一。旋转防喷器（RBOP）作为该技术体系中的关键设备，需在钻井过程中实现动态密封与压力控制，其壳体作为核心承载部件，需承受高达 70MPa 的工作压力与复杂的钻井液腐蚀。传统 RBOP 壳体多采用整体铸钢制造，虽能满足强度要求，但单台壳体重量常超过 2.5 吨，给海洋平台、沙漠等特殊作业场景的设备吊装与布局带来极大限制。随着钻井装备向模块化、移动化方向发展，壳体轻量化已成为RBOP 技术升级的关键突破口。

一、RBOP 壳体轻量化制造的核心技术需求

（一）力学性能约束

RBOP 壳体在工作过程中需承受内压、钻杆旋转产生的径向力与轴向冲击力，同时面临钻井液的腐蚀与冲蚀作用。根据 API Spec 16RCD《旋转防喷器设备规范》要求，壳体需通过 1.5 倍额定工作压力的水压试验，且在-29℃至 121℃的温度范围内保持结构稳定性。轻量化制造必须以满足力学性能要求为前提，避免因减重导致结构强度不足或疲劳寿命缩短。某油田现场数据显示，传统铸钢壳体在 1000次压力循环后仍能保持密封性能，而未经优化的铝合金壳体在 300 次循环后即出现微裂纹，表明力学性能约束是轻量化制造的首要考量。

（二）密封可靠性保障

壳体与旋转动密封组件、法兰连接部位的密封性能直接影响钻井作业安全。轻量化结构的设计与制造易导致密封面平面度偏差或装配间隙增大，引发钻井液泄漏风险。统计数据显示，约 35% 的 RBOP故障与壳体密封面变形相关。因此，轻量化制造需同步优化密封结构设计与加工精度控制，确保密封面粗糙度不超过 Ral.6μm ，法兰连接孔位置度误差小于 0.1mm

（三）制造工艺适配性

轻量化结构往往伴随复杂的内部型腔与薄壁特征，传统铸造与机械加工工艺难以实现高效成型。例如，拓扑优化后的壳体常出现厚度 3-5mm 的薄壁区域与复杂加强筋结构，采用砂型铸造易产生缩孔、气孔缺陷，而单纯机械加工则会导致材料利用率低于 40% 。因此，需开发适配轻量化结构的先进制造工艺，在保证成型质量的同时控制制造成本。

二、RBOP 壳体轻量化制造的关键技术路径

（一）材料选型与优化匹配

选取传统 35CrMo 铸钢、Ti-6Al-4V 钛合金、Q960 超高强度钢与 7075 铝合金四种材料进行性能测试，结果如表 1 所示。钛合金的比强度（强度与密度比值）最高，达到 27.6MPa/(g/cm³) ，是 35CrMo铸钢的 2.3 倍，但材料成本高达 80 元/kg，是铸钢的 6 倍以上；Q960 钢的比强度为 18.9MPa/(g/cm³) ，成本仅为钛合金的 1/5，且焊接性能优于钛合金；7075 铝合金成本较低，但耐腐蚀性与高温强度不足，难以满足钻井液腐蚀环境需求。

表 1 候选材料主要性能参数

基于性能与成本的综合权衡，提出“钛合金局部增强+Q960 钢主体承载”的混合材料方案：在壳体与动密封组件接触的关键密封区域采用 Ti-6Al-4V 钛合金，利用其优异的耐磨性与耐蚀性保障密封可

靠性；壳体主体与法兰连接部位采用 Q960 超高强度钢，承担主要载荷。通过摩擦焊实现两种材料的连接，接头强度可达 Q960 钢本体强度的 92% ，满足力学性能要求。该方案较全钛合金壳体成本降低65% ，较全 Q960 钢壳体重量减轻 18%_>

（二）基于拓扑优化的结构重构

以某型号 RBOP 壳体为研究对象，建立三维实体模型，设定额定工作压力 70MPa 为载荷条件，约束法兰连接孔位置为固定支撑，以“体积最小化”为目标函数，“最大应力不超过材料屈服强度的 80%⁹ 为约束条件，采用 SIMP（固体各向同性微结构惩罚模型）进行拓扑优化。通过 HyperMesh 软件划分120 万个六面体单元，迭代计算 35 次后得到最优材料分布形态。根据拓扑优化结果，对壳体结构进行重构：去除底部非承载区域材料，形成减重空腔；将传统均匀壁厚结构改为变壁厚设计，在应力集中区域增加厚度至 25mm ，在低应力区域减薄至 8mm；采用“环形加强筋+放射状支撑”替代原有的实体肋板，减少材料用量的同时提升刚度。

（三）先进制造工艺的集成应用

针对混合材料与复杂结构的成型需求，采用“精密锻造+增材制造+机械加工”的复合工艺：Q960钢主体采用热模锻成型，锻造温度控制在 1150^∘C⋅1200^∘C ，锻后进行调质处理（淬火+高温回火），确保硬度达到 HRC28-32；钛合金密封环采用激光选区熔化（SLM）增材制造技术，选用粒径 20AA53μm 的 Ti-6Al-4V 粉末，激光功率 200W，扫描速度 800mm/s ，成型后进行热等静压处理消除内部孔隙；通过摩擦焊实现两种材料的连接，焊接转速 1500r/min ，顶锻压力 35MPa ，焊接时间 8s。采用五轴联动加工中心对复合成型后的壳体进行精密加工，密封面采用金刚石刀具车削，保证平面度误差小于0.02mm/m ；利用三坐标测量仪对关键尺寸进行全检，测量精度达 0.005mm ；通过超声波探伤检测焊接接头与锻造区域，确保无大于 p2mm 的内部缺陷。加工完成后，壳体材料利用率从传统工艺的 38%提升至 62% ，加工周期缩短 22‰ 。

三、轻量化壳体的性能测试与应用验证

（一）实验室性能测试

对轻量化壳体进行水压试验、疲劳试验与密封性能测试。水压试验中，施加 105MPa（1.5 倍额定压力）压力并保压 30min ，壳体无渗漏与永久变形；疲劳试验采用正弦波压力加载，在 0-70MPa 区间循环 2000 次，壳体表面未发现裂纹，密封面泄漏量始终小于 0.1mL/min，满足 API Spec 16RCD 标准要求；常温与高温（ 121^∘C ）下的密封性能测试显示，动密封部位摩擦扭矩较传统壳体降低 15% ，表明轻量化结构对密封性能无负面影响。

（二）现场应用验证

将 3 台轻量化 RBOP 壳体在长庆油田某水平井进行现场应用，该井钻井深度 4800m，工作压力65MPa，钻井液为水基泥浆。应用结果显示，设备安装时间从传统壳体的 4.5h 缩短至 2.8h，吊装设备载荷需求降低 23% ；连续作业 30 天后，壳体密封面无明显磨损，钻井液泄漏量为零；设备整体振动幅度较传统结构减小 18% ，验证了轻量化壳体的实际应用效果。

结论

本文通过材料优化匹配、结构拓扑重构与先进工艺集成，实现了 RBOP 壳体的高效轻量化制造，主要结论如下：采用“钛合金局部增强+Q960 钢主体”的混合材料方案，可在控制成本的前提下显著提升比强度；基于拓扑优化的结构设计使壳体重量降低，同时满足强度与密封性能要求；“锻造+增材制造+摩擦焊”的复合工艺解决了轻量化结构的成型难题，材料利用率提升。

参考文献

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