井控设备基础知识

1、井控设备基础知识 上海德普达技术服务公司刘正林收集整理 井控设备一、井控设备概述一、井控设备概述二、万能防喷器二、万能防喷器三、闸板防喷器三、闸板防喷器四、控制系统装置四、控制系统装置五、防喷器选择五、防喷器选择六、防喷器连接规范六、防喷器连接规范-API连接连接七、防喷器的发展趋势七、防喷器的发展趋势一、井控设备概述l 石油与天然气工业，经过几十年的创业与开拓，在钻井工艺技术上更是不断改进与革新并日趋科学化。 井控设备的发展更为突出，由单一的老式手动防喷器发展成一套完整的井控设备系统。井控设备为安全钻井提供了保障，保护了钻井人员、钻井设备以及油气井的安全，使油气田的勘探与开发获得更好的效益。

2、 一套设备的好坏与其服务质量可从四个方面来评估：1.设计；2.材料；3.加工制造；4.维护和使用。1.井控设备维护和使用井控设备维护和使用 当设备制造出来以后，维护和使用就成了设备好坏的关键因素。如果井控设备安装、维护、使用不当，那么这些设备就等于虚设，就有井喷、着火等重大事故隐患的威胁。 当前，由于对井控设备的安装、维护、使用不当而导致的大小事故，每年仍时有发生。 因此，钻井人员对井控设备必须具有一定的基础知识和正确而熟练的操作技能，使井控设备发挥应有的效能，确保钻井工程的安全、优质与高速度，使我国的石油与天然气工业获得更大的发展。2.井控设备的功用 在钻井过程中，为了防止地层流体侵入井内，

3、总是使井筒内的钻井液静液柱压力略大于地层压力，这就是所谓对油气井的初级压力控制。 但在钻井作业中，常因各种因素的变化，使油气井的压力控制遭到破坏而导致井喷，这时就需要依靠井控设备实施压井作业，重新恢复对油气井的压力控制。 有时井口设施严重损坏，油气井失去压力控制，这时就需采取紧急抢救措施，对油气井抢救。因此，井控设备是实施油气井压力控制技术的一整套专用设备、仪表与工具3.井控设备应具有以下功用 1.预防井喷。保持井筒内泥浆静液柱压力始终略大于地层压力，防止井喷条件的形成。 2.及时发现溢流。对油气井进行监测,以便尽早发现井喷预兆，尽早采取控制措施。 3.迅速控制井喷。溢流、井涌、井喷发生后，迅

4、速关井，实施压井作业，对油气井重新建立压力控制。 4.处理复杂情况。在油气井失控的情况下，进行灭火抢险等处理作业。 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重要系统装备。4.井控设备的组成井控设备应包括以下设备、仪表与工具井控设备应包括以下设备、仪表与工具: : 压力控制设备，监视设备，固相控制设备压力控制设备，监视设备，固相控制设备1.井口防喷器组万能防喷器、闸板防喷器、四通阀门组等；2.控制装置储能器机组、远程遥控装置；3.管汇阻流管汇、压井管汇；4.钻具内防喷器工具钻杆球阀、钻杆回压凡尔、投入式但向

5、阀等；5.加重钻井液装置重晶石粉混合漏斗装置、重晶石粉气动下料装置；6.起钻灌注钻井液装置；7.钻井液油气分离器；8.监测仪表泥浆池液面监测仪、甲烷、硫化氢监测器。 5.井口防喷器组 l旋转防喷器旋转防喷器防喷器组有三种方案防喷器组有三种方案防喷器组有三种方案防喷器组有三种方案防喷器组有三种方案防喷器组有三种方案ARRSARRSS5000psi (35MPa) 、10000psi (70MPa)、15000psi (105MPa)的井口的井口ARRS闸板防喷器闸板防喷器闸板防喷器产品特点闸板防喷器产品特点l1.该闸板防喷器的主要承压件壳体、侧门、闸板等采用炉外精炼合金钢，严格控制材料的有害化学

6、成分和非金属夹杂物，毛坯为锻造成形，组织致密无缺陷，经适当热处理具有优良的综合机械性能和良好的低温冲击韧性；l2.闸板腔采用长圆形结构，极大程度地降低了壳体应力，提高了壳体的承载性能；l3.闸板的开关和侧门的开关均为液压操作，并且采用同一液压油接口；闸板防喷器侧门密封闸板防喷器侧门密封l1.侧门密封圈采用浮动式自动密封结构，大大地降低了侧门螺栓的预紧力；l2.防喷器内部与井液接触部分抗硫化氢应力腐蚀，符合NACE MR0175规定。l3.闸板的密封件储胶量大，密封可靠。l4.剪切闸板的性能稳定，可剪切5S-135钻杆，同时实现密封(14/21/35/70/105)MPa的工作压力；l5.防喷器

7、采用大直径液缸设计，液缸直径 340 mm.等。闸板防喷器打开侧门状态：闸板防喷器打开侧门状态：环形防喷器环形防喷器环形防喷器胶芯关闭示意图环形防喷器环形防喷器 环形防喷器环形防喷器井口防喷器组井口防喷器组l防喷器组防喷器组结构图：l从上到下：l 万能BOPl 双闸板BOPl 单闸板BOPl 钻井四通6.井口防喷器组现状井口防喷器组现状 防喷器经过80年的发展，目前已经发展成多种功能、规格标准系列产品。防喷器系统装备经历了三个技术发展阶段： 第一阶段为手动闸板防喷器， 第二阶段为液动闸板防喷器和环形防喷器的组合， 第三阶段仍为液动防喷器，以高压、大通径、可变通径和不断完善的结构为其主要特征。

8、现在正开发完善第四代产品及井下防喷器。7.液压防喷器的特点 防喷器是井控设备的核心组件。众所周知，防喷器质量的好坏直接防喷器是井控设备的核心组件。众所周知，防喷器质量的好坏直接影响油气井压力控制的成败，老式的手动防喷器由于手动开关费力；关影响油气井压力控制的成败，老式的手动防喷器由于手动开关费力；关井耗时多；耐压低；故障多；经常在紧急关井时封不住井而引起井喷失井耗时多；耐压低；故障多；经常在紧急关井时封不住井而引起井喷失控，因此这种旧式手动防喷器皆以淘汰而以液压防喷器代替，液压防喷控，因此这种旧式手动防喷器皆以淘汰而以液压防喷器代替，液压防喷器有以下四个特点器有以下四个特点:1. 关井动作迅速

9、关井动作迅速 万能防喷器万能防喷器利用液压能够在利用液压能够在30s以内实现关井；以内实现关井； 闸板防喷器闸板防喷器利用液压能够在利用液压能够在38s以内实现关井。以内实现关井。2. 操作方便操作方便 液压防喷器利用液压油以液压传动方式迫使胶芯和闸板等封井元件动液压防喷器利用液压油以液压传动方式迫使胶芯和闸板等封井元件动作，而不是采用纯机械传动的方法，因此操作省力、简便。操作者只需作，而不是采用纯机械传动的方法，因此操作省力、简便。操作者只需在钻台或值班室的控制盘上扳动控制阀就能实现开关动作。在钻台或值班室的控制盘上扳动控制阀就能实现开关动作。液压防喷器的特点3.安全可靠安全可靠液压防喷器的

10、强度是可靠的，出厂前防喷器的壳体组件经过严格液压防喷器的强度是可靠的，出厂前防喷器的壳体组件经过严格试压检验。试压检验。液压防喷器的封井性能是可靠的，出厂前防喷器的胶芯或闸板经液压防喷器的封井性能是可靠的，出厂前防喷器的胶芯或闸板经过严格的密封性能试验。过严格的密封性能试验。液压防喷器的操作是可靠的，当司钻在钻台上操作失灵时，可迅液压防喷器的操作是可靠的，当司钻在钻台上操作失灵时，可迅速在储能器装置上操作，如果储能器装置装置液控失效，闸板防速在储能器装置上操作，如果储能器装置装置液控失效，闸板防喷器还可以手动操作关井。喷器还可以手动操作关井。4.现场维修方便现场维修方便液压防喷器的胶芯或闸板是

11、封井的密封元件，使用中易磨损失效。液压防喷器的胶芯或闸板是封井的密封元件，使用中易磨损失效。当发现这些密封元件严重磨损当发现这些密封元件严重磨损 后，在现场条件下可以及时进行后，在现场条件下可以及时进行拆换。拆换。8.防喷器的最大工作压力防喷器的最大工作压力是指防喷器安装在井口投入工作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。最大工作压力是防喷器时所能承受的最大井口压力。最大工作压力是防喷器的强度指标。的强度指标。 按照国家石油天然气行业标准按照国家石油天然气行业标准 SY5052-84规定，防喷规定，防喷器的最大工作压力共分为器的最大工作压力共分为5级，符合级

12、，符合API规范，即规范，即: 2000psi (140公斤公斤/厘米厘米2、14MPa )； 3000psi (210公斤公斤/厘米厘米2、21MPa )； 5000psi (350公斤公斤/厘米厘米2、35MPa )； 10000psi (700公斤公斤/厘米厘米2、70MPa )； 15000psi (1050公斤公斤/厘米厘米2、105MPa )；APIAPI防喷设备压力等级分为六级防喷设备压力等级分为六级1、2000psi（2000磅/英寸2 ）-140公斤/厘米2 -14Mpa - 2M2、 3000psi（3000磅/英寸2）-210公斤/厘米2 -21Mpa - 3M3、500

13、0psi（5000磅/英寸2 ）-350公斤/厘米2 -35Mpa - 5M4、10000psi（10000磅/英寸2 ）-700公斤/厘米2 -70Mpa - 10M；5、15000psi（15000磅/英寸2 ）-1050公斤/厘米2 -105Mpa-15M；6、 20000psi（20000磅/英寸2 ）-1400公斤/厘米2 -140Mpa-20M9.防喷器的公称通径尺寸防喷器的公称通径尺寸是指防喷器的上防喷器的公称通径尺寸是指防喷器的上下垂直通孔直径。公称通径是防喷下垂直通孔直径。公称通径是防喷器的尺寸指标。器的尺寸指标。 SY5052-84SY5052-84中规定，中规定，防喷器的

14、公称通径共分为防喷器的公称通径共分为9 9种，即：种，即：l180mm (7-1/16);l 230mm (9-5/8); l 280mm (11);l 346mm (13-5/8);l 426mm (16-3/4);l476mm (18-3/4);l 528mm (20-3/4);l 540mm (21-1/4);l 680mm (26-3/4);APIAPI按法兰通径尺寸可分为按法兰通径尺寸可分为1515级级 21/16 29/16 31/8 31/16 41/16 71/16 9 11 135/8 161/4 183/4 203/4 211/4 263/4 291/2国内生产企业国内生产

15、企业 中国防喷器的研制工作始于中国防喷器的研制工作始于1964年，经过年，经过40多年的发展，目多年的发展，目前国内防喷器主要生产厂有华北石油管理局第二机械厂，上海神前国内防喷器主要生产厂有华北石油管理局第二机械厂，上海神开开 ，江苏三益石油装备有限公司。生产的各种防喷器品种规格，江苏三益石油装备有限公司。生产的各种防喷器品种规格达达40余种，通径从余种，通径从3 1/8in到到30in，压力级别从，压力级别从3.5MPa到到105MPa，逐渐形成了标准系列化产品。另外旋转防喷器、不压，逐渐形成了标准系列化产品。另外旋转防喷器、不压井防喷器等也在生产现场试验。几个防喷器主要生产厂都取得了井防喷

16、器等也在生产现场试验。几个防喷器主要生产厂都取得了API Spec 16A的会标使用权。在产品设计、高压铸钢件浇铸及的会标使用权。在产品设计、高压铸钢件浇铸及热处理、大型复杂零件加工、检测及试验技术等方面进行了大量热处理、大型复杂零件加工、检测及试验技术等方面进行了大量的研究工作，积累了丰富的经验。的研究工作，积累了丰富的经验。 二.万能防喷器1.基本结构和工作原理基本结构和工作原理(一一)（l）基本结构见图：壳体、顶盖、胶芯、活塞。（2）工作原理。 关井时，液压推动活塞向上运动，迫使密封胶芯封着管子外围。当施加液压使活塞下行运动时让密封胶芯回到原位置，防喷器就打开。 基本结构和工作原理基本结

17、构和工作原理(二二)2.工作特点工作特点：万能防喷器： 也叫多效能防喷器、环形防喷器或球形防喷器等。 它的作用是具有承压高、密封可靠、操作方便、开关迅速等优点，特别适用于密封各种形状和不同尺寸的管柱、电缆及钢丝绳等，也可全封闭井口。 万能防喷器必须配备液压控制系统方能使用。通常它与闸板防喷器配套使用，也可单独使用。工作特点： 能够在不同尺寸钻柱的任何部件上关闭。 能关闭空井。 能关闭试油抽子，测井或射孔的电缆及各种工具。 在使用减压调节阀或缓冲储能器控制下，它可在使用减压阀或缓冲瓶控制的情况下，能通过18无细扣对焊钻杆接头，能够强行上下活动钻具或强行起下钻柱，但不能旋转3.万能工作示意图万能工

18、作示意图4.环形防喷器胶芯环形防喷器胶芯 环形防喷器的主要部件是胶芯密封件（又称盘根单元）。 国产胶芯是用丁睛橡胶硫化而成，使用温度为10100，适用于水基和油基钻井液环境。 国际上生产胶芯的厂家很多，不同类型要在不同条件下使用。如海德里公司和雪福尔公司的胶芯适用条件见表89和810。5.环形防喷器使用注意事项：环形防喷器使用注意事项： 关闭空井，只有在紧急情况下使用，否则将加速密封装置的损坏。 正常情况下，最大操作液压为10.5MPS（1500psi）。 在关闭防喷器后，强行起下钻控制关闭压力为3.54.2MPa（500600psi）。6.万能防喷器类型万能防喷器类型l-球形防喷器球形防喷器

19、l-锥形防喷器锥形防喷器l国外厂家国外厂家:lSHAFFER (雪夫尔雪夫尔)球形胶球形胶芯芯lHYDRIL (海德里耳海德里耳)锥形胶锥形胶芯芯lCAMERON (卡麦隆卡麦隆)组合组合胶芯胶芯l国产万能国产万能BOP为：为：l球形和锥形两种球形和锥形两种SHAFFERSHAFFER球形胶芯万能球形胶芯万能BOPBOP2三、闸板防喷器闸板防喷器是能承受高压、可靠性好的主要井控设备，是井控的安全保证。 1.闸板防喷器工作原理和特点闸板防喷器工作原理和特点（l）工作原理： 把处于收缩位置的两个闸板通过液压控制同时向内推移，使它们卡紧在管柱外面而实现封闭井口。（2）工作特点：安装时不能上下倒置，因

20、闸板芯只能承受向上的压力。芯轴有二次密封作用。闸板密封钻柱的橡胶有自封作用。特殊情况下，闸板关闭后，钻杆接头可坐在闸板上。2.闸板防喷器的主要功能闸板防喷器的主要功能其主要功能有： 井内有钻柱、油管和套管时，利用管子闸板防喷器封闭相应管子与井眼形成的环形空间，达到封井目的。 用盲板（全封）防喷器，井中无钻具时，可全封井眼。 在特殊情况下可用全封剪切闸板防喷器剪断钻具并达到全封井的目的。 可变径芯子闸板防喷器，可以适用于几个不同尺寸的钻具，在整个起钻柱过程中不必经常更换闸板芯，就可以达到封井目的。 必要的情况下，管子闸板防喷器可以悬挂钻柱。 通过防喷器壳体旁侧出口，可以进行循环和阻流压井作业。4

21、.四种主要闸板结构四种主要闸板结构防喷器壳体是通用的，闸板防喷器有四种主要闸板结构：盲板（全封闸板）、管子闸板、可变径管子闸板和剪切盲板。见图.5.操作闸板防喷器规则：操作闸板防喷器规则：管子闸板尺寸要适合正使用中的钻杆、套管和油管尺寸。 液压控制开关压力10.5MPa（1500psi），不宜采用过高关闭压力（剪断钻杆时要高些），避免闸板上的弹性材料磨损增加，活动管子时液压应调到有少量钻井液从闸板漏出以减少摩擦增加润滑。 当钻杆在井眼中一般不要关闭盲板和剪切闸板，否则将损坏钻杆。 用锁紧装置时，关闭闸板后将其锁住在关闭位置。 当环形防喷器不能用时，用闸板防喷器在压力下强行起下钻，必须使用两个防

22、喷器，而且相隔距离必须容纳钻杆接头四、控制系统装置节节流压井管汇流压井管汇四通四通远控装置远控装置水下防喷器水下防喷器五.防喷器选择1.公称通径的选择l防喷器的公称通径应与其套管头下的套管尺寸相匹配，以便通过防喷器的公称通径应与其套管头下的套管尺寸相匹配，以便通过相应钻头与钻具，继续钻井作业。相应钻头与钻具，继续钻井作业。l 海上的探井井口常规配置海上的探井井口常规配置l 30以上隔水管以上隔水管(表层套管表层套管) 配备配备29-1/2防喷器防喷器(分流器分流器)。l 20套管套管(技术套管技术套管) 配备配备21-1/2防喷器。防喷器。l 13-5/8、9-5/8 套管套管(技术套管技术套

23、管) 7套管套管(油气层套油气层套管管) 配备配备13-5/8防喷器。防喷器。2.防喷器压力等级的选择l防喷器的压力等级标志着防喷器的耐压能力。井口上所装配的防防喷器的压力等级标志着防喷器的耐压能力。井口上所装配的防喷器其压力等级应大于可能出现的预期井口最高压力，确保封井喷器其压力等级应大于可能出现的预期井口最高压力，确保封井可靠，不致因耐压不够而导致井口失效。可靠，不致因耐压不够而导致井口失效。l 对于生产油井，预期井口最高压力是以井喷时井筒内仍留对于生产油井，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：预期井口最高压力有一半钻井液液柱估算的，即：预期井口最高压力 = 地

24、层压力地层压力一半井深钻井液液柱压力一半井深钻井液液柱压力l 对于探井、高压气井，预期井口最高压力是以井筒内已无钻对于探井、高压气井，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 = 预计地层压力预计地层压力l 目前我国钻井平台配套的防喷器为目前我国钻井平台配套的防喷器为10000psi 15000psi3.防喷3.防喷器类型与数量的选择 在钻井作业中为适应各种情况迅速可靠地关井，井口所配防喷器通常不止在钻井作业中为适应各种情况迅速可靠地关井，井口所配防喷器通常不止是一个。在井筒中有钻具时应采用与钻具尺

25、寸相匹配的管子闸板关井；是一个。在井筒中有钻具时应采用与钻具尺寸相匹配的管子闸板关井； 在井筒中无钻具时应采用全封闸板在井筒中无钻具时应采用全封闸板(剪切闸板剪切闸板)关井；在封井状态下进行强行关井；在封井状态下进行强行起下钻作业应采用万能防喷器。根据国家起下钻作业应采用万能防喷器。根据国家石油与天然气钻井井控技术规定石油与天然气钻井井控技术规定，对于压力等级为，对于压力等级为2000psi 、3000psi(14MPa、21MPa) 的井口防喷器组的井口防喷器组有四种方案供选择有四种方案供选择:SASRSASSSS六六.防喷器连接规范防喷器连接规范-API连接1.API法兰连接规范法兰连接规

26、范：API连接连接 根据根据API规范及其尺寸规定制造的法兰、卡箍和栽丝螺栓连接件规范及其尺寸规定制造的法兰、卡箍和栽丝螺栓连接件API法兰连接分法兰连接分6B和和6BX两种类型。两种类型。1、 6B型法兰：有盲板、整体、螺纹和焊颈式等几种形式。型法兰：有盲板、整体、螺纹和焊颈式等几种形式。 其额定工作压力有：其额定工作压力有： 2000psi、3000psi、5000psi（磅（磅/英寸英寸2）三个等级。三个等级。 6B型法兰配用型法兰配用R型或型或RX型密封垫圈，型密封垫圈，并可互换并可互换。 2. 6BX型法兰：有盲板、整体和焊颈式三种形式。型法兰：有盲板、整体和焊颈式三种形式。 其额定

27、工作压力有其额定工作压力有2000psi、3000psi、5000psi、 10000psi、15000psi、20000psi 六个等级。六个等级。 6BX型法兰配用型法兰配用BX型密封垫环。型密封垫环。 连接示意图连接示意图2.密封垫环（钢圈）API标准中规定：标准中规定： 6B型法兰使用型法兰使用R型或型或RX型钢圈，并可互换。型钢圈，并可互换。 6BX型法兰使用型法兰使用BX型钢圈，且不能与型钢圈，且不能与R型或型或RX型互换使用。型互换使用。 对卡箍型连接只能用对卡箍型连接只能用RX型钢圈，法兰环槽用深环槽。型钢圈，法兰环槽用深环槽。 RX型和型和BX型钢圈具有压力增强密封（助封）作

28、用，压力越高，密封越型钢圈具有压力增强密封（助封）作用，压力越高，密封越可靠。可靠。 R型和型和RX型钢圈允许重复使用；型钢圈允许重复使用；BX型钢圈型钢圈API不推荐重复使用。因为不推荐重复使用。因为BX型钢圈受钢性连接的限制，初次使用后，就不能再次保证连接法兰之间型钢圈受钢性连接的限制，初次使用后，就不能再次保证连接法兰之间的有限量的间隙，无法形成有效密封。的有限量的间隙，无法形成有效密封。3.部分部分API法兰、钢圈、螺栓对照表135/ /8 83000psiR（RX）5713/8101/420205000psiBX16015/8121/2161610000psiBX15917/8171

29、/4202015000psiBX15921/4211/42020200001psiBX15931/830202016163 3/ /4 45000psiBX16217/8141/2161610000psiBX16217/8171/2242418183 3/ /4 45000psiBX1632171/2202010000psiBX16421/4221/2242415000psiBX1643263/42020压力等级压力等级尺寸尺寸螺栓数螺栓数量量螺栓规格（直径螺栓规格（直径长度）长度）钢圈型号钢圈型号法兰规格法兰规格4.API推荐6BX型法兰螺栓拧紧扭矩螺栓尺寸螺栓尺寸推荐扭矩推荐扭矩磅磅/ /

30、英尺英尺公斤公斤/ /米米3 3/ /4 4-10UN-10UN20020027.6527.657 7/ /8 8-9UN-9UN32532544.9344.931-8UN1-8UN47547565.6765.671 11 1/ /8 8-8UN-8UN60060082.5982.591 13 3/ /8 8-8UN-8UN12001200165.85165.851 11 1/ /2 2-8UN-8U56193.561 15 5/ /8 8-8UN-8U03235.031 13 3/ /4 4-8UN-8UN20402040282.04282.041 17 7/ /8 8-8UN-8UN32203220445.18445.182-8UN2-8UN38503850532.1532.13-8UN3-8UN130001800