井控设备

第二章井控设备第一节概述一、井控设备的功用⑴预防井喷。⑵及时发现溢流。⑶迅速控制井喷。⑷处理复杂情况。显然，井控设备是对油气井实施压力控制，对事故进行预防、监测、控制、处理的关键手段；是实现安全钻井的可靠保证；是钻井设备中必不可少的系统装备。二、井控设备的组成⑴以液压防喷器为主的钻井井口装置，又称防喷器组合。其主要包括：液压防喷器、四通、过渡法兰、套管头。⑵液压防喷器控制系统。其主要包括：司钻控制台、远程控制台、辅助控制台。⑶以节流管汇为主的井控管汇。其主要包括：节流管汇及液动节流阀控制箱、放喷管线、压井管线、注水管线、灭火管线及反循环管线。⑷钻具内防喷工具。其主要包括：钻具止回阀、方钻杆上下旋塞、投入式止回阀、旁通阀。⑸以监测和预报地层压力为主的仪器仪表。其主要包括：钻井液密度、钻井液进出口量、钻井液池液面、钻井液出口温度、起钻时井筒液面等参数的监测仪。⑹钻井液加重、除气、灌注设备。其主要包括：钻井液加重设备、钻井液／气体分离器、常压式或真空式钻井液除气器、起钻自动灌注钻井液装置。⑺井喷失控处理和特殊作业设备。其主要包括：如不压井起下管柱的加压装置、自封头、旋转防喷器、灭火设备、拆除井口工具等。根据原中国石油天然气总公司“科学钻井装备配套标准”的要求，首先应配齐的井控装置有：液压防喷器、控制系统、节流压井管汇、套管头、方钻杆上下旋塞、钻具回压阀、钻具旁通阀、钻井液除气器、起钻灌浆装置和循环池液面监测装置。三、井控设备的型号1．液压防喷器的型号（SY5053-84）例如：2FZ35－35表示公称通径346mm，最大工作压力35MPa的双闸板防喷器。2．控制装置的型号（SY5053.2-91）例如：FKQ4005B表示气压遥控，储能器公称总容积为400升、5个控制对象、经第二次改进后的防喷器控制装置。3．节流压井管汇的型号节流管汇型号表示方法：压井管汇型号表示方法：例如：压力等级为21Ｍpa带手动节流阀的节流压井管汇，其型号为：JG/S2-21；YG-21。四、井口防喷器组合合理选用井控设备组合或配置是安全、顺利、高效钻井的重要环节。液压防喷器组合、井控管汇及阀件的选择包括压力级别、公称尺寸（通径）、组合形式及控制系统的控制点数的选择等。影响液压防喷器组合选择的因素主要有：井的类别、地层压力、套管尺寸、地层流体类型、人员技术状况、工艺技术要求、气候影响、交通条件、物资供应状况以及环境保护要求等。总之，能实现平衡钻井，确保钻井安全和节省钻井费用。1、防喷器压力等级的选择液压防喷器的最大工作压力是指防喷器安装在井口投入工作时所能承受的最大井口压力。共有5种压力级别，即：14MPa（2000psi），21MPa(3000psi)，35MPa(5000psi)，70MPa(10000pai)，105MPa(15000psi)。其压力级别的选择取决于所用套管的抗内压强度、套管鞋处裸眼地层的破裂压力和预计所承受的最大井口压力。但主要是根据防喷器组合预计承受的最大井压力来决定。对于生产油井，预期井口最高压力是以井喷时井筒内仍留有一半钻井液液柱估算的，即预期井口最高压力＝地层压力一半井深钻井液液柱压力对于探井、高压井，预期井口最高压力是以井筒内已无钻井液，井筒完全掏空的条件估算的，即预期井口最高压力＝预计地层压力根据我国油气田的地质情况以及多年的钻探经验，井深不足2000m的浅井，预期井口最高压力常低于14MPa，因此液压防喷器的压力等级应选用14MPa。井深2000mm～4000mm的中深井预期，预期井口最高中压力常在21～35MPa范围内，液压防喷器的压力等级应用21MPa或35MPa。井深4000mm～7000mm的深井，预期井口最高压力可能高达70MPa或更高，液压防喷器的压力等级应选用70MPa或105MPa。2、防喷器公称通径的选择防喷器的公称通径，是指能通过防喷器中心孔最大钻具的尺寸。共有9种，180mm(71/16″)、230mm(9″)、280(11″)、346(135/8″)、426(163/4″)、476(183/8″)、528(203/4″)、540(211/4″)、680(263/4″)。其中现场常用的有：230mm、280mm、346mm、540mm。防喷器组合的通径必须一致，其大小取决于井身结构设计中的套管尺寸，即必须略大于连接套管的直径。3、防喷器组合形式的选择选择防喷器组合形式主要根据地层压力、钻井工艺要求、钻具结构及设备情况来决定。井口防喷器组合形式的选择应按SY/T6426《钻井井控技术规范》执行。⑴单密封组合只有一个防喷器，这是最简单的结构，只适用于浅井或低压气井。⑵双密封组合有两个单闸板（一个管子闸板，一个全封闸板）防喷器，或一个单闸板防喷器和一个环形防喷器，如附图一（A1-A4），适用于低压油气井。⑶三密封组合有两个单闸板（一个管子闸板，一个全封闸板）防喷器和一个环形防喷器，如附图一（A5-A6），适用于高压油气井。⑷四密封组合配有三个单闸板（一个全封闸板，二个管子闸板）防喷器和一个环形防喷器，如附图一（A7-A8），适用于高压井、超深井和预探井。五、控制点数的选择控制点数除满足选择的防喷器组合所需要的控制点数外，还需增加两个控制点数，用来控制两个液动阀，或用来控制一个液动阀，另一个作为备用。第二章井控设备第二节环形防喷器一、功用１）在钻进、取心、下套管、测井、完井等作业中发生溢流或井喷时，能有效封闭方钻杆、钻杆、钻杆接头、钻铤、取心工具、套管、电缆、油管等工具与井筒所形成的环形空间。２）当井内无管具时，能全封闭井口。３）在使用减压调压阀或缓冲储能器控制的情况下，能通过18°台肩的对焊钻杆时，可强行起下钻作业，但起下钻速度要慢，过接头时要更慢（不大于0.2m/s）。强行起下钻具时关井压力可适当降低，允许胶芯与钻杆之间有少量泄漏。能否进行强行起下钻作业还必须考虑井下情况和安全施工的条件。二、环形防喷器的类型环形防喷器的类型按其密封胶芯的形状可分为：•锥型胶芯环形防喷器•球形胶芯环形防喷器•组合胶芯环形防喷器目前，国产有锥形胶芯环形防喷器与球型胶芯环形防喷器两种。三、球型胶芯环形防喷器1.结构及工作原理•球型胶芯环形防喷器的结构主要由顶盖、壳体、防尘圈、活塞、胶芯等构成。顶盖内腔为球面，胶芯呈半球型，活塞半剖面呈“Z”字形，整体径向尺寸较大，高度稍低。•发生溢流关闭防喷器时，从控制系统来和高压油进入关闭腔，推动活塞上行，在顶盖的限制下，迫使胶芯向井眼中心运动，支撑筋相互靠扰，将其中间的橡胶挤向井口中心，实现密封钻具或全封井口。打开时，从控制系统来的高压油进入开启腔，推动活塞下行，胶芯在本橡胶弹性力作用下复位，将井口打开。2.球形胶芯的结构特点a.半球形胶芯：b.不易翻胶：c.漏斗效应：d.橡胶储备量大：e.井压助封：f.胶芯寿命长：FH23－35环形防喷器试验表明，在胶芯关闭31／2″钻杆通过18º／35º斜坡接头1000个循环，通过钻杆3000m（包括接头），并经历耐久性试验380次，开关性能试验201次。密封效果仍很稳定。因此，可以完成深井的封井起下钻作业而无需更换胶芯。四、锥型胶芯环形防喷器锥型胶芯环形防喷器的结构、工作原理球形胶芯环形防喷器类似。其胶芯的结构特点为：1．胶芯呈锥形：2．井压肋封：3．寿命可测：设防喷器处于全开状态时，活塞顶端至顶盖上平面距离为Ｈmax，胶芯报废前最后一次封零时活塞顶盖上平面的垂直距离为Ｈmin，Ｈmax与Ｈmax两者之差即为活塞的最大行程s大：s大＝Ｈmax－ＨminＨmax与Ｈmin的具体数值由相应防喷器说明书中给出，所以可以直接求出s大。s大与s实之差为剩余行程之差s余，即：s余＝s大－s实s余即为锥形胶芯的寿命标志。s余数值越大表明胶芯离报废越远；s余数值越小表明胶芯越接近报废；当s余为零时表明胶芯已到寿命极限，必须予以更换。五、组合胶芯环形防喷器美国卡麦隆D型环形防喷器为组合胶芯形防喷器，其胶芯与油缸均为组合结构，顶盖与壳体为快松盖连接方式，活塞断面为例“T“字形，推盘用内六解螺钉固定在活塞筒体的底部。封井时，活塞在油压作用下向上移动，依靠推盘推举外胶芯；外胶芯被迫向中心变形挤压内胶芯；内胶芯在我芯的包围挤压作用下向中以收拢变形，支承筋则转动相应角度并向中以平移；于是内胶芯的橡胶迅速向中心集聚，从而实现封井。开井时，活塞向下移动，内外胶芯依靠自弹性恢复开井状态。这类防喷器防喷器整体结构小，质量轻，开关一次所需油量少，但胶芯的密封性能很不理想。六、环形防喷器的技术规范常用环形防喷器技术规范见表2-2-1和表2-2-2表2-2-1球形胶芯环形防喷器技术规范型号通径mm(in)工作压力Mpa液控油压Mpa关闭油量L开启油量LFH23-21230(9)21≤10.53422.8FH23-35230(9)35≤10.54233FH28-21280(11)21≤10.55039FH28-35280(11)35≤10.55652FH35-35346(135/8)35≤10.59469型号通径mm(in)工作压力Mpa液控油压Mpa关闭油量L开启油量LFH23-35230(9)3510.527.415.9FH35-21230(9)2110.548.525.7表2-2-2锥形胶芯环形防喷器技术规范七、环形防喷器的比较公称通径相同，最大工作压力相同的三种环形防喷器，它们的优劣对比列于表2-2-3。锥形胶芯环形防喷器球形胶芯环形防喷器组合胶芯环形防喷器结构复杂程度简单简单复杂胶芯封零效果好好初用时效果差,试封几次后效果才好现场更换胶芯的方法井内无钻具时胶芯易更换,井内有钻具时采用切割法井内无钻具时胶芯易更换,井内有钻具时采用切割法井内无钻具时胶芯易更换,井内有钻具时不能换胶芯胶芯寿命寿命短寿命长寿命长开关一次所需液控油量的比值23所需液控油量最多1所需液控油量最少外形特征径向尺寸偏小、高度稍高径向尺寸较大、高度稍低径向与高度尺寸均小重量轻稍重特轻造价低稍高高表2-2-1三种防喷器的比较八、环形防喷器的合理使用：1．防喷器在现场安装后，应按标准进行现场试压。2．进入目的层后，每起下钻两次，要试关防喷器一次以检察封井效果。如发现胶芯失效或其它问题，应立即更换处理。3．在井内有钻具发生井喷时，可先用环形防喷器控制井口，但尽量不作长时间封井。一则因为胶芯易过早损坏，再则无锁紧装置。非特殊情况，不封闭空井。封空井时最大井压为额定工作压力的一半。4．防喷器处于封井状态时，允许上下活动钻具，但不允许旋转钻具。同样，在钻具转动时，不允许关闭防喷器，以防胶芯磨损。5．严禁打开环形防喷器来泄掉井口压力，以防刺坏胶芯。6．每次打开后，必须检查胶芯是否全开，以防挂坏胶芯。7．推荐防喷器最大控制压力为10.5MPa。8．使用环形防喷器强行起下钻时的注意事项：由于强行起下钻时胶芯的工作环境比较恶劣，胶芯磨损严重，所以为使胶芯使用寿命延长，提高胶芯过接头的次数，必须依照如下程序进行操作。①先以10.5MPa的液控油压关闭防喷器。②逐渐减小关闭压力，直至有些轻微渗漏，然后再进行强行起下钻作业。有微小的渗漏可以润滑管柱与胶芯的接触面，防止胶芯温度过高。当胶芯磨损漏失量过大时，可适当增加液控油压。注意在强行起下钻时应使用18゜／35゜台肩的对焊钻杆接头，但起下钻速度要慢，过接头时要更慢（不大于0.2m/s）。③若强行起下钻具时不允许胶芯与钻杆之间有渗漏，那么液控油压应调到刚好满足密封为止。④当关闭压力达到10.5MPa时，胶芯仍漏失严重，说明该防喷器胶芯已严重损坏，应及时处理后再进行封井起下钻作业。9．胶芯备件妥善保管，防止胶芯老化，如胶芯保管期很长，并已经老化，应报废。九、故障判断与排除方法1．防喷器封闭不严。1）若胶芯关不严，可多次活动解决；支撑筋已靠扰仍封闭不严，则应更换胶芯，2）对有脱块、严重磨损的旧胶芯并可能影响胶芯正常使用时，则应更换胶芯。3）若打开过程中长时间未关闭使用胶芯，使杂质沉积于胶芯沟槽及其它部位，应清洗胶芯，并按规程活动胶芯。2．防喷器关闭后打不开。这是由于长时间关闭后，胶