《石油钻采新装备》(井控设备).ppt

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1、第一节第一节 井控设备概述井控设备概述 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

2、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38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

3、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。公称通经公称通经最大工作压力最大工作压力，MPammin1807 1/16213570（105）2309213570（105）2801

4、114213570（105）34613 5/8213570（105）42616 3/41421357047618 3/4357052820 3/42154021 1/4143568026 3/41421 五、液压防喷器的类型及型号五、液压防喷器的类型及型号 1 1、液压防喷器的类型、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 2、液压防喷器的型号、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

5、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： FZ 2321，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

6、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 1、根据套管头通径确定防喷器的通径、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 2、根据预期井口最大压力确定防喷器的压力等级、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。

7、 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1414 MPa ，防喷器的压力等级选1414 MPa ； 若井深为20004000 m， 预期井口最大压力为2121 3535 MPa ，防喷器的压力等级选2121或3535MPa ； 若井深为40007000 m， 预期井口最大压力可达7070 MPa 或更高，防喷器的压力等级选7070 或105105MPa ； 3 3、防喷器类型和数量的确定、防喷

8、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14MPa a）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

9、个单闸板防喷器与一个环形防喷器组合。2）压力等级为2135MPa a） 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70105MPaa） 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 第二节第二节 液压防喷器的结构原理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

10、一、环形防喷器 功用：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：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 1、锥形胶芯环形防喷器、锥形胶芯环形防喷器 结构结构 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1230块相隔一定距离的铸钢支撑筋（

11、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：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：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

12、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：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“封零封零”实验。实验。 maxHminH实SmaxHminH大S余S大S实S余S返回16胶芯的更换：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 2、球形胶芯环形防喷器、球形胶芯环形防喷器 结构结构 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

13、意图。 胶芯结构：胶芯外形呈球面状；沿圆周方向均布有1220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：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球形胶芯的结构球形胶芯的结构返回19返回13球形胶芯的封井状态球形胶芯的封井状

14、态返回19 3 3、环形防喷器的比较、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。 项目项目 类型类型锥形胶芯环形防喷器锥形胶芯环形防喷器球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组合胶芯环形防喷器结构复杂程度结构复杂程度最简单简单复杂胶芯封零效果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更换胶芯的方法及 难易程度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，更换方便胶芯寿命胶芯寿命寿命较短寿命长寿命长开关一次所需控制液开关一次所需控

15、制液量的相对大小量的相对大小231外形特征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重 量量轻稍 重最 轻造造 价价低稍 高高 4 4、环形防喷器的合理使用、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

16、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：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

17、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：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 1、闸板防喷器结构概况、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

18、里介绍闸板防喷器的一般构造。 基本组成：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：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是整体结构，活塞杆端部有“T”形钩头，钩挂着闸

19、板体； 6）活塞杆内有左旋螺纹孔，中间旋有锁紧杆。当闸板关井后，顺时针旋转锁紧杆，锁死闸板，控制系统可以卸压；当关井前液压系统出故障，顺时针旋转锁紧杆，则可手动关井。返回26返回29 2 2、闸板防喷器的工作原理与特殊结构、闸板防喷器的工作原理与特殊结构 在了解了闸板防喷器的总体结构后，下面将对其工作原理和一些特殊结构问题作进一步的介绍。 1 1）液压动作）液压动作（见结构图） 闸板防喷器的上、下铰链座的两个油口，分别与远程控制台上的三位四通换向阀的工作油口相通。操作换向阀，使上铰链座油口进油，下铰链座油口出油，则左右两油缸通过活塞和活塞杆推动闸板向中心运动，实现封井；反之，则实现开井。 特别

20、注意，有的闸板防喷器与上所述相反。 2 2）闸板结构）闸板结构 闸板有全封、半封和剪切闸板三类，最常用的是前两类。闸板由闸板体、密封胶芯、压块三部分组成，见结构示意图。 3 3）闸板防喷器的四处密封）闸板防喷器的四处密封（见结构图） 为保证闸板防喷器可靠封井，必须保证以下四处密封可靠： a、闸板前部与钻具之间；b、闸板顶部与壳体之间； c、侧门与壳体之间； d、侧门腔与活塞杆之间。 单面半封闸板单面半封闸板单面全封闸板单面全封闸板双面半封闸板双面半封闸板返回29 4 4）井压助封）井压助封 当闸板封井后，井内流体压力可以协助液压系统实现可靠封井。这样，可以减轻液压系统的负担。井压助封可以体现在

21、两个方面： a）轴向助封。帮助完成上述第二项密封：闸板顶部与壳体之间； b）径向助封。帮助完成上述第一项密封：闸板前部与钻具之间。 注：不能单靠井内压力流体封井。 5 5）钻具自动居中、自动清沙）钻具自动居中、自动清沙 闸板防喷器工作中，可能会出现两个问题：a）当需要封井时，钻具有可能不在井眼中心，无法实现封井；b）钻井液中的泥沙会沉积在闸板室内，堵塞闸板，使闸板无法移动。为防止这些问题，在结构上做了特殊考虑： a）闸板体上设居中撞块（见下图）； b）闸板室底部设计成向中心倾斜的斜面，以利泥沙冲入井内。闸板则支撑在很窄的两条支撑筋板上，保证闸板的水平移动（见下图）。 6 6）闸板防喷器的机械锁

22、紧装置）闸板防喷器的机械锁紧装置 作用： 1、液压封井后，锁紧活塞，使液压系统卸压，保持长时间封井； 2、当液压控制系统失效后，可以手动封井。 组成： 活塞杆内孔与锁紧轴构成的左旋螺纹副、止推轴承、手轮（未画）。 操作要点： 1、液压封井后，顺时针旋转锁紧轴，锁紧轴退出，实现机械锁紧； 2、在未封井情况下，顺时针旋转锁紧轴，实现手动封井； 3、在锁紧情况下要液压开井，必须先逆时针旋转锁紧轴解锁。 7 7）闸板防喷器活塞杆的二次密封）闸板防喷器活塞杆的二次密封 闸板防喷器的侧门体与活塞杆之间有两组密封圈（如图），右侧一组防止液压缸内的油外泄，左侧一组防止井内泥浆进入液压缸。 两组密封圈必须背靠背

23、安装。利用下部的观察孔可以判断何组密封圈失效。 在封井情况下，若密封圈失效，特别是左侧密封圈失效，将造成严重的井喷失控。为此设计了以防万一的二次密封装置。 该装置由单向阀、二次密封脂、起推挤作用的内六方螺钉、螺塞组成。 使用注意：使用注意： 1、预先填满二次密封脂，专用扳手妥善放好，以备急用； 2、防喷器使用时，卸掉观察螺塞，随时观察； 3、密封失效后，压注二次密封脂，量以堵住泄漏为限，不可过多。 3 3、闸板防喷器的合理使用、闸板防喷器的合理使用 （1）半封闸板防喷器的尺寸应与钻杆杆身尺寸相对应； （2）井中有钻具时切忌使用全封闸板封井； （3）当需要长期封井时，应手动锁紧，然后将远程控制台

24、上的换向阀手柄扳至 “中” 位，使液压系统卸压，也为下次开井做好准备； （4）闸板在手动锁紧操作时，两手轮必须顺时针旋转到位，再回转1/41/2圈； （5）长期封井后，开井之前，应首先解锁，然后才扳动液压换向阀手柄至 “开” 位，液压开井；未解锁不得液压开井；未开井，不得上提钻具； （6）闸板在手动解锁操作时，两手轮必须逆时针旋转到位，再回转1/41/2圈； （7）半封闸板封井后不能旋转钻具； （8）进入油气层后，每次起下钻前，应开、关活动闸板一次； （9）半封闸板不得在空井情况下试开、关； （10）防喷器在“待命”状态下应旋下二次密封观察孔螺塞；在封井状态下应有专人负责监视二次密封观察孔是否

25、溢流； （11）井喷后需要封井，应先关环形防喷器短时阻断液流，再关闸板防喷器，防止高速流体刺坏闸板密封；然后打开环形防喷器。第三节第三节 防喷器液压控制装置防喷器液压控制装置 一、概述一、概述 1 1、防喷器液压控制装置的组成、防喷器液压控制装置的组成 防喷器液压控制系统主要由三大部分组成： （1）司钻控制台司钻控制台(遥控装置)安放在钻台上，由司钻操作实现井喷控制； （2）远程控制台远程控制台（储能器装置）安放在井架大门侧前方25米以远处，当无法用司钻控制台时，可用其控制井喷。主要由电动液压泵、气动液压泵、储能器、油箱、各种液压元件等组成。 （3）控制管汇控制管汇液压管汇排、气压管汇束。将远

26、程控制台与井口装置联系起来、将司钻控制台与远程控制台联系起来。 现代的防喷器液压控制系统还增加了辅助控制台，安放在值班室内，用作应急遥控装置。见图。 2 2、防喷器液压控制装置类型与型号、防喷器液压控制装置类型与型号 （1）防喷器液压控制系统的类型 按照远程控制台上主换向阀的遥控方式不同，防喷器液压控制系统的类型可分为三类： 液控液型利用液压传动的方式来遥控主换向阀。由于遥控距离很长，液压阻力大，该法不太好。 气控液型利用气压传动的方式来遥控主换向阀。由于气体流动阻力小，反应灵敏，使用安全，该方法很适合。陆地钻机大都用此法。 电控液型利用电磁方式来控制主换向阀（主换向阀是电磁换向阀）。该方法要

27、用电，因此防止电火花成为主要问题。海洋钻机采用较多。 （2）防喷器液压控制系统的型号 型号由字母与数字组成： FKQ 400 5 AFKQ 400 5 A 控制对象数目储能器容量（升）气控液型防喷器控制系统第一次改进 二、防喷器液压控制装置的工作原理二、防喷器液压控制装置的工作原理 这里以陆地钻机使用较多的FKQ4005FKQ4005型型为例介绍。（见下页图） 介绍顺序： 1、液压源的制备、储存与补充； 电动泵三缸单作用卧式柱塞泵；气动泵由往复式气马达驱动抽油泵（与井下抽油泵原理相同，由游动阀和固定阀保证液体单向流动）；储能器10个气囊式钢瓶组成，有效工作总容积400升；油箱850升立式油箱。 2、液流方向、压力的控制； 主换向阀5个三位四通O型手动换向阀（钢球定位），可控制5个对象； 减压阀2个先导式手动减压阀，其中一个专为环形防喷器油路设；旁通阀1个二位二通手动换向阀；溢流阀2个先导式手动溢流阀；压力继电器一个，调定21MPa，控制电动泵自动启停车； 3、气压遥控 每个主换向阀的手柄上都连一个气缸，由司钻台上的二位四通Y型手动换向阀（弹簧复位）控制；利用气动变送器将液压力转换为气压力，司钻台上的气压表显示相应液压力。红色红色高压液压源管道；蓝色蓝色气压管道；黑色黑色控制液压管道