《石油钻采新装备》(井控设备)

井控设备第一节井控设备概述一、井控设备的功用二、井控设备的组成三、液压防喷器的特点四、液压防喷器的主参数五、液压防喷器的型号六、井口防喷器的组合第二节液压防喷器的结构原理一、环形防喷器1、锥形胶芯环形防喷器2、球形胶芯环形防喷器3、环形防喷器的比较4、环形防喷器的合理使用二、闸板防喷器1、闸板防喷器结构概况2、闸板防喷器的工作原理与特殊结构3、闸板防喷器的合理使用第三节防喷器液压控制系统一、概述1、防喷器液压控制系统的组成2、防喷器液压控制系统类型与型号二、防喷器液压控制系统的工作原理第一节井控设备概述井控设备是指实施油气井压力控制技术的所有设备、专用工具和管汇。一、井控设备的功用1、预防井喷——保持井内泥浆静液柱压力略高于地层压力；2、及时发现溢流——对上返泥浆量进行监测，及时发现溢流征兆；3、迅速控制井喷——井喷一旦发生，迅速关井、并实施压井。二、井控设备的组成1、井口防喷器组——环形防喷器、闸板防喷器、四通等；2、控制系统——远程控制台（储能器装置）、司钻控制台；3、节流与压井管汇；4、监测仪表——泥浆罐液面监测仪、有毒气体监测仪；5、钻具内防喷工具——方钻杆球阀、钻杆回压凡尔、投入式单向阀等；6、辅助设备——加重泥浆配制设备、液气分离设备。参见下图。返回39图1三、液压防喷器的特点防喷器是井控设备的核心组件。最原始的防喷器是手动的，开关费力，关井耗时多，承受压力低，故障多，经常在需要关井时封不住井，造成井喷失控，因而已被淘汰，取而代之的是液压防喷器。我国70年代初研制出液压防喷器，它具有以下特点：1、关井动作迅速。闸板防喷器3—8秒内可关井；环形防喷器30秒内可以关井。2、操作方便。用液压传动的方式迫使胶芯变形、闸板运动，操作省力、方便。3、安全可靠。防喷器强度可靠；防喷器封井机能可靠，出厂前进行严格试压；防喷器的控制操作可靠，若司钻操作控制失灵，可以用远程控制台控制，若远程控制台控制也失灵，闸板防喷器还可以用手动关井。4、现场维修方便。液压防喷器的胶芯和闸板是最关键元件，最易损坏，若发现损坏，可以及时拆换。四、液压防喷器的主参数液压防喷器的最重要的参数是最大工作压力和公称通径。最大工作压力——封井时，防喷器能够承受的最大井口压力；公称通径——防喷器上下垂直通孔直径。该尺寸表明防喷器可以通过的最大钻头直径。（注：公称通径是经过圆整的，实际通经与其有微小差异）我国规定的防喷器最大工作压力和公称通径见下表。公称通经最大工作压力，MPammin18071/16213570（105）2309213570（105）2801114213570（105）346135/8213570（105）426163/414213570476183/43570528203/421540211/41435680263/41421五、液压防喷器的类型及型号1、液压防喷器的类型液压防喷器的类型有三大类：1）闸板防喷器——有单、双、三闸板防喷器三种；2）环形防喷器——有锥形胶芯、球形胶芯防喷器两种；3）旋转防喷器——一种在封井的情况下允许钻具旋转钻进的特殊防喷器。2、液压防喷器的型号防喷器的型号要反映其类型、最大工作压力和公称通径。我国规定的防喷器型号表示如下：1）单闸板防喷器：FZ公称通经—最大工作压力；2）双闸板防喷器：2FZ公称通经—最大工作压力；3）三闸板防喷器：3FZ公称通经—最大工作压力；4）环形防喷器：FH公称通经—最大工作压力。例如：FZ23—21，代表单闸板防喷器，公称通经为230mm，最大工作压力为21MPa。六、井口防喷器的组合油气井口所安装的部件自下而上依次为：a）套管头——套管顶部的法兰盘。b）四通——带有四个通道和法兰盘的管接头；其下法兰与套管头连接，上法兰与上部设备相连，左右两法兰分别接压井管汇和接流管汇。c）双闸板防喷器——一个为全封闸板，另一个为半封闸板。d）环形防喷器——也称万能防喷器，其即可以封零（封空井），也可以封环空（封闭井内环形空间）。e）防溢管——其下部与防喷器相连，上部伸至钻井平台底面，中部有一旁通管。井下上返泥浆由旁通管引至泥浆净化系统。根据所钻井的深度不同，预期的井下地层压力就不同，井口所配备的防喷器的类型、数量、公称通经、压力等级就不同。这些是由多种因素决定的：1、根据套管头通径确定防喷器的通径防喷器的公称通经不得小于套管头的通径，以便可以通过所需的钻头和钻具。2、根据预期井口最大压力确定防喷器的压力等级预期井口最大压力根据油气井的性质不同而不同。a）对于生产井：预期井口最大压力=地层压力-半井深钻井液液柱压力b）对于深井、高压气井：预期井口最大压力=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，得出如下规律：若井深小于2000m，预期井口最大压力一般低于14MPa，防喷器的压力等级选14MPa；若井深为2000—4000m，预期井口最大压力为21～35MPa，防喷器的压力等级选21或35MPa；若井深为4000—7000m，预期井口最大压力可达70MPa或更高，防喷器的压力等级选70或105MPa；3、防喷器类型和数量的确定为了提高关井的可靠性，井口所装防喷器的数量不止一个，以保证在井内有无钻具的情况下都可关井。防喷器的使用原则为：井内无钻具时，用全封闸板防喷器封井；井内有钻具时，用半封闸板防喷器封井；井内有不规则物体时，用环形防喷器封井；在封井状态下又需要强行起下钻时，用环形防喷器封井。很明显，在实际钻井过程中，以上四种情况均可能产生，理论上讲，各类防喷器均应有。但是，钻机底座的高度是有限的，防喷器的数量也不能太多。根据规定，在各种压力等级情况下，防喷器的数量与类型组合如下：1）压力等级为14MPaa）一个环形防喷器；b）一个双闸板防喷器；c）两个单闸板防喷器；d）一个单闸板防喷器与一个环形防喷器组合。2）压力等级为21—35MPaa）一个双闸板防喷器与一个环形防喷器组合b）两个单闸板防喷器与一个环形防喷器组合3）压力等级为70—105MPaa）一个双闸板防喷器、一个单闸板防喷器与一个环形防喷器组合b）一个三闸板防喷器与一个环形防喷器组合c）一个双闸板防喷器、一个单闸板防喷器、一个环形防喷器、与一个旋转防喷器组合第二节液压防喷器的结构原理国内目前使用最广泛的防喷器是闸板防喷器和环形防喷器，旋转防喷器暂时还用得不多。但是，随着欠平衡钻井新工艺的出现和推广，旋转防喷器的应用会越来越多。一、环形防喷器功用：当井内无钻具时，全封井口（简称封零）；当井内有钻具或其他物体时，封闭井口环形空间（简称封环空）。类型：按照胶芯形状的不同，环形防喷器有以下几种类型：1）锥形胶芯环形防喷器——胶芯的主体呈锥台形（见图）；2）球形胶芯环形防喷器——胶芯的主体呈球形（见图）；3）组合胶芯环形防喷器——胶芯由内胶芯（有金属支撑筋）、外胶芯（纯橡胶）组成。1、锥形胶芯环形防喷器结构防喷器结构：由壳体、活塞、胶芯、顶盖、密封件等部分组成，具体见装配示意图。胶芯结构：胶芯外形呈截锥状，锥度40∘；沿圆周方向均布有12～30块相隔一定距离的铸钢支撑筋（通经越大，筋越多），经橡胶硫化成一个整体，见胶芯结构图。工作原理：1）液压动作下油口进油，上油口出油，活塞上行，推挤胶芯，封井；上油口进油，下油口出油，活塞下行，胶芯靠弹性恢复，开井。2）井压助封锥形胶芯环形防喷器在封井过程中和封井之后，井内压力流体可以进入活塞上部环形槽内，产生对活塞的上推力，协助液压油推挤胶芯，帮助封井。注：不能单靠井内压力流体封井。返回13返回14胶芯寿命及其检测：一个胶芯可以封井多次。有些锥形胶芯环形防喷器的顶盖有一检测孔，现场可以检测胶芯的寿命，如下图。在防喷器开启时，测出；在最后一次封零时，测出；则，活塞实际最大行程为：=-，在产品说明书中可以查出活塞应有的最大行程，则，胶芯的剩余寿命为：=-当为0时，胶芯寿命已尽，必须更换。注：由于胶芯价格较高，封井次数只有几次，因此，环形胶芯防喷器不做“封零”实验。maxHminH实SmaxHminH大S余S大S实S余S返回16胶芯的更换：一般情况下，打开顶盖便可方便地更换胶芯；在使用中需更换，则和用“切割法”(如图)。2、球形胶芯环形防喷器结构防喷器结构：由壳体、“Z”形活塞、胶芯、顶盖、密封件等部分组成，具体见装配示意图。胶芯结构：胶芯外形呈球面状；沿圆周方向均布有12～20块相隔一定距离的铸钢支撑筋（通经越大，筋越多），经橡胶硫化成一个整体，见胶芯结构图。工作原理：1）液压动作下油口进油，上油口出油，活塞上行，推挤胶芯，封井；上油口进油，下油口出油，活塞下行，胶芯靠弹性恢复，开井。2）井压助封球形胶芯环形防喷器在封井过程中和封井之后，井内压力流体可以进入活塞上部环形槽内，产生对活塞的上推力，协助液压油推挤胶芯，帮助封井。注：不能单靠井内压力流体封井。球形胶芯环形防喷器的封井状态见封井状态示意图。返回19球形胶芯的结构返回19返回13球形胶芯的封井状态返回193、环形防喷器的比较公称通经相同、最大工作压力相同的环形防喷器，各有自己的优劣。项目类型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最简单简单复杂胶芯封零效果好很好初用时效果差；试用几次后，效果才好更换胶芯的方法及难易程度井内有钻具时，切割法；井内无钻具时，更换方便井内有钻具时，切割法；井内无钻具时，更换方便井内有钻具时，不能更换；井内无钻具时，更换方便胶芯寿命寿命较短寿命长寿命长开关一次所需控制液量的相对大小231外形特征径向尺寸小，高度较大径向尺寸大，高度较小径向尺寸和高度均小重量轻稍重最轻造价低稍高高4、环形防喷器的合理使用由于环形防喷器是利用胶芯的强烈变形来完成封井、利用胶芯的弹性完成开井的，胶芯的磨损、胶芯老化导致的弹性下降，都会降低胶芯的寿命，影响环形防喷器的封井效果。因此，合理使用环形防喷器，对保证其胶芯的寿命以及封井效果至关重要。使用中，应注意以下几点：1）在现场不做“封零”实验，但应做“封环空”实验；2）在封井状态下，可以慢速上下活动钻具，但不允许旋转钻具；3）不允许采用微开防喷器的方法卸降套管压力；4）严禁将防喷器当刮泥器使用；5）强行起下钻时，只能通过具有18度坡度的对焊钻杆接头；6）封井的液控压力不能太大。液控压力一般为10.5MPa，最大不得超过15MPa；7）不允许长期处于关井状态，否则，橡胶会加速老化，弹力下降；8）胶芯备件应平放在27℃以下、干燥避光的场合，不要压挤叠堆，还要远离产生电弧的设备，以防变形、老化。二、闸板防喷器闸板防喷器是利用液压力将两块带有胶芯的闸板，从两侧推向井眼中心，封闭井口。该类防喷器在国内研制最早，现场应用最多。功用：1）当井内无钻具时，利用全封闸板全封井口；2）当井内有钻具时，利用与钻具尺寸相应的半封闸板封闭井口环形空间。3）当井内有钻具，又需要将钻具剪断全封井口时，可用剪切闸板迅速剪断钻具，全封井口。类型：按照闸板形状的不同，闸板防喷器有以下几种类型：1）单闸板防喷器——壳体内只有一个闸板室，只能装一副闸板；2）双闸板防喷器——壳体内有两个闸板室，能装两副闸板；3）三闸板防喷器——壳体内有三个闸板室，能装三副闸板。国内只有单闸板防喷器和双闸板防喷器，其中双闸板防喷器用得最多，一般装一副全封闸板、一副半封闸板。国内目前尚无研制三闸板防喷器。1、闸板防喷器结构概况由于生产厂家不同，闸板防喷器的具体结构有很大的差异。使用时应熟悉所用闸板防喷器的具体结构。这里介绍闸板防喷器的一般构造。基本组成：闸板防喷器由壳体、侧门、油缸体、端盖、活塞与活塞杆、锁紧杆、闸板等组成（见结构图）。结构要点：1）壳体上有垂直通孔；上下端面有与其他部件连接的双头螺栓孔；体内有闸板室，当防喷器开启时，闸板处于闸板室内；2）壳体两侧有上下双铰链座，铰接着可以开启的侧门；3）铰链座上有油口。其中，上铰链座的油口与关闭闸板的油路相通；下铰链的油口与开启闸板的油路相通（也有例外的，要注意）；4）侧门通过螺钉与壳体固连；卸掉螺钉，可以打开侧门，以便更换闸板。5）侧门的外侧是液压缸，液压缸的活塞与活塞杆