第四节井控设备与井控技术.docx

1、第四节 井控设备与井控技术第四节 井控设备与井控技术一、井控设备井控设备系指实施油气井压力控制所需的一整套设备、仪器仪表和专用工具。(一)油气钻井井控设备的安全配套标准为了满足油气井压力控制的要求，井控设备必须能在钻井过程中对地层压力、地层流体、钻井主要参数、钻井液参数等进行准确地监测和预报；当发生溢流、井喷时，能迅速控制井口、节制井眼中流体的排放，并及时泵入压井钻井液使之在维持稳定的井底压力条件下重建井底与地层之间的压力平衡。即使发生井喷失控乃至着火事故，也具备有效的处理条件。因此，标准配套的井控设备应由以下主要部分组成。 1以液压防喷器为主体的钻井井口，又称防喷器组合。其主要包括：(1)液

2、压防喷器；(2)套管头；(3)四通；(4)过渡法兰。2液压防喷器控制系统。其主要包括：(1)司钻控制台；(2)远程控制台；(3)辅助遥控控制台。3以节流管汇为主的井控管汇。其主要包括：(1)节流管汇及液动节流阀控制箱；(2)放喷管线；(3)压井管汇；(4)注水管线；(5)灭火管线；(6)反循环管线。(二)液压防喷器组合液压防喷器组合选择包括压力级别、公称尺寸(通径)、组合形式及控制系统的控制点数的选择等。选择液压防喷器组合应考虑的因素主要有：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，应能实现平衡钻井，确保钻

3、井安全和节省钻井费用。1压力级别的选择液压防喷器组合的工作压力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口压力来决定。防喷器压力级别共有五种：14MPa、21 MPa、35MPa、70MPa、105MPa、140MPa。2通径的选择防喷器组合的通径取决于井身结构设计中的套管尺寸，即必须略大于所连套管的外径。防喷器通径共有九种：180mm、230mm、280mm、346mm、426mm、476mm、528mm、540mm、680mm。其中现场常用的有230mm、280mm、346mm、540mm。3组合形式的选择选择组

4、合形式主要根据地层压力、钻井工艺要求、钻具结构及设备配套情况。14MPa防喷器组合有四种形式供选择(见图26)。21MPa和35MPa防喷器组合有两种形式供选择(见图27)。70MPa和105MPa防喷器组合有两种形式供选择(见图28)。图26 14MPa防喷器组合图图27 21MPa和35MPa防喷器组合图为了安全期间，各种组合形式应配备12个钻井四通。钻井四通有两个主要作用，一是便于连接井控管汇；二是保护防喷器，处长其使用寿命。如果钻井液中含有大量的岩屑，砂粒和化学药品，甚至有金属屑，会加快防喷器的磨损、冲蚀，而缩短其使用寿命。图28 70MPa和105MPa防喷器组合图4控制系统控制点数

5、的选择控制点数除满足选择的防喷器组合所需要的控制数外，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。(三)环形防喷器1结构与原理发生溢流关闭环型防喷器时，从控制系统来的高压油进入关闭腔，推动活塞上行，在顶盖的限制下，迫使胶芯向心运动，支撑筋相互靠拢，将其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，胶芯在本身橡胶弹性力作用下复位，将井口打开。2类型与技术规范(1)类型现场常用环形防喷器的类型按其密封胶芯的形状可分为球型环形防喷器、锥型环形防喷器和组合型环形防喷器。(2)技术规范常用环形防喷器技术规范见表2

6、10和表211(以华石二机厂的环形防喷器为例)。表210 球型环形防喷器规格及技术参数表211 锥型环形防喷器规格及技术参数3功能主要功能是：(1)在钻进、取心、测井等作业中发生溢流或井喷时，能封闭方钻杆、钻杆、取心工具、电缆、钢丝绳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180台肩的对焊钻杆接头强行起下钻具，但起下速度要慢，过接头时要更慢(不大于02ms)，强行起下钻具时的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具作业还必须考虑井下情况和安全施工的条件。4使用安全技术要求(1)在防喷器现

7、场安装后，应按最新试压标准进行现场试压。(2)进入目的层后，每起下钻两次，要试关防喷器一次以检查封井效果。如发现胶芯失效或其他问题，应立即更换处理。(3)在井内有钻具发生井喷时，可先用环型防喷器控制井口，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，不作封闭空井。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)严禁打开环开防喷器来泄掉井口压力，以防刺环胶芯。(6)每次打开后，必须检查胶芯是否全开，以防挂坏胶芯。(7)防喷器的开、关应使用符合标准的液压油，并

8、注意保持其清洁。(8)推荐防喷器最大控制压力为105MPa。(9)胶芯的存放：根据新旧程序按时间顺序编号，先旧后新依次使用；存放在光线较暗又干燥的室内。温度不能太高，应避开取暖设备和阳光直射；远离有腐蚀性的物品；远离高压带电设备，以防臭氧腐蚀；应让胶芯在松弛状态下存放，严禁弯曲、挤压和悬挂；经常检查，如发现有变脆、龟裂、弯曲、出现裂纹者不再使用。5故障判断与排除方法(1)防喷器封闭不严。若胶芯关不严，可多次活动解决；支撑筋已靠拢仍封闭不严，则应更换胶芯；若打开过程中长时间为关闭使用胶芯，使杂物沉积于胶芯沟槽及其他部位，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

9、，胶芯产生永久变形老化或是在用于固定后胶芯下有凝固水泥浆而造成。在这种情况下，只有清洗或更换。(3)防喷器开关不灵活。油管漏失，防喷器长时间不活动，有赃物堵塞，对症处理。(四)闸板防喷器1原理当控制系统高压油进入闸板防喷器左右液压关闭腔时，推动活塞带动闸板轴及闸板总成沿着室内导向筋限定的轨道分别向井口中心移动，实现关井动作。当控制系统高压油进入闸板防喷器左右液压开启腔时，推动活塞带动闸板轴及闸板总成分别向离开井口中心方向移动，实现开井动作。闸板开关由控制系统三位四通换向阀控制，一般在38秒内完成开井或关井动作。液压油流动路线为：关闭时：液压油经壳体关闭油口壳体油路铰链座侧门油路液缸油路缸盖油路

10、+液缸关闭腔。开启时：液压油经壳体开启油口壳体油路铰链座侧门油路液缸开启腔。密封原理：闸板防喷器要有四道密封起作用，才能有效地封闭井口，即：前密封：闸板芯子前缘与钻具之间的密封；顶密封：闸板芯子顶部与壳体内台阶之间的密封；侧密封：壳体与侧门之间的密封；轴密封：闸板轴与侧门之间的密封。2类型与技术规范(1)类型按闸板用途来分：闸板防喷器可分为全封、半封、变径、剪切和线缆闸板；按闸板腔室来分：闸板防喷器可分为单闸板、双闸板、叁闸板。(2)技术规范常用闸板防喷器技术规范见表212(以华石二机厂的闸板防喷器为例)。表212 闸板防喷器规格及技术参数注：1in=00254m。3功用其主要功能是：(1)当

11、井内有钻杆、油管和套管而发生溢流或井喷时，能封闭相应管材与井筒形成的环形空间。(2)井内无管具时，能全封闭井口。(3)特殊情况下可通过壳体旁侧法兰出口进行钻井液循环和节流压井作业。(4)在特殊情况下剪切闸板可切断钻具，达到封井的目的。(5)必要时管子闸板还可以悬挂钻具。4闸板锁紧装置(1)手动锁紧装置手动锁紧装置是靠人力旋转手轮来关闭和锁紧闸板的。其作用：一是长期封井时，在液压关闭闸板后将闸板锁定在关闭位置，此时可泄掉液压；二是控制系统无油压时，可用来手动关闭井口。手动锁紧装置操作口诀：锁紧口诀：顺旋到位，回旋半圈解锁口诀：逆旋到位，回旋半圈(2)液压自动锁紧装置液压自动锁紧装置是通过装于主活

12、塞内的锁紧活塞和装于活塞径向四个扇形槽内的四个锁紧块来实现的。当液压油作用于关闭腔时，同时推动主活塞和锁紧活塞向闸板关闭方向运动，由于锁紧块内外圆周上都带有一定角度的斜面，内斜面与锁紧活塞斜面相接触，使得锁紧块在锁紧活塞的推动下始终有向径向外部运动的趋势。一旦主活塞到达关闭位置后，锁紧块在锁紧活塞的径向承力作用下向外运动7mm而座于液缸台阶上，锁紧块外斜面与液缸台阶斜面相接触，用时锁紧活塞向前运动经过锁紧块内径变成圆周接触，从而实现完全锁紧。如果闸板时，只要液压油作用于开启腔首先使锁紧活塞向外运动，锁紧块外圈斜面与液缸台阶斜面产生使锁紧块向内收缩的分力使锁紧块实现解锁，主活塞才能带动闸板轴及闸

13、板实现开启动作。5闸板防喷器开关井操作正常液压关井：将控制系统上的换向阀迅速搬至关位正常液压开井：将控制系统上的换向阀迅速搬至开位长期关井(或手动关井)：先将控制系统上的换向阀迅速搬至关位，再手动锁紧锁紧后的开井：先手动解锁，再液压开井6试压防喷器组合在管子站整体组装后，用清水进行试压。环形防喷器封闭钻杆试压到额定工作压力的70；闸板防喷器和节流、压井管汇试压到额定工作压力，稳压时间不少于10min，密封部位无渗漏为合格。第一种试压方法(提升皮碗试验器试压法)：皮碗试验器接在钻杆下部、下入套管内；用清水灌满井口；关闭半封闸板防喷器或环形防喷器(注意：绝不能关闭全封闸板)；用钻机提升系统缓慢上提

14、皮碗试验器，并观察套压表，提至所需试验压力，然后检查各连接部位和密封部位是否有泄漏。注意：试压时，作用于试验器舌部处的力加上下部悬挂的钻柱重量，不得超过上部钻杆的安全负荷能力，否则会使钻杆断裂。第二种试压方法(试压泵试压法)：将塞型试验器接在钻杆下部、坐人套管头内；用清水灌满井口；关闭半封闸板防喷器或环形防喷器(当钻具退出后，可关闭全封闸板试压)；用试压泵缓慢向井内打压，并观察套压表，泵至所需试验压力，然后检查各连接部位和密封部位是否有泄漏。7现场安装与使用的安全技术要求(1)现场安装闸板的安全技术要求：全封闸板最好装在半封闸板之上，当半封闸板在控制溢流、井喷过程中，因损坏而不能发挥其正常功能

15、时，可安全方便地将全封闸板换成半封闸板；闸板防喷器在上井安装前应进行密封试压至工作压力，合格后方可运往井场；应根据井控规定要求的防喷器组合形成进行安装；注意不要装反，应使壳体指示箭头方向及闸板腔顶密封面在上；防喷器安装方法一般应使手动锁紧安置的操纵杆及手轮位于井架大门两侧面，壳体上旁侧法兰出口对着井架大门方向；为安全起见，手动锁紧装置要装全，固定好，并在手轮处挂牌表明开关圈数；应保证钢圈及钢圈槽清洁无损伤，钢圈槽内涂轻质油；防喷器内所按闸板尺寸，一定要和井内所用管具尺寸一致，并在司钻台和远程控制台上挂牌表明所装闸板尺寸，以防错关；为保护井口，无论闸板防喷器是否固定在井口法兰上，都不许同时打开两

16、个侧门。(2)卡箍联接安装与拆卸的安全技术要求：防喷器的联接可采用卡箍形式。安装卡箍时，首先应装好卡装配工装，然后将卡箍放到工装上，在卡箍内斜面及卡箍头斜面上涂上润滑油。向前推动卡箍使之卡在卡箍头斜面上，穿上连接螺栓，注意装上球面垫片。开始上紧螺母时用棘轮板手，当用棘轮板手上紧较困难时换用专用扳手，用锤头不断震击卡箍，以利于装配。卡箍连接采用面对面密封，两卡箍头之间理论按装间隙为零，考虑到加工误差，当两者之间距离接近零并且螺栓上紧扭矩达到推荐值时即可。如果间隙较大，则适当增加上紧扭矩。拆卸卡箍时先将螺母卸掉，用专用楔铁将卡箍楔开。卡箍装配工装在防喷器上，也可拆下。(3)闸板防喷器使用前的准备工

17、作：闸板防喷器安装于井口之后，在使用前应注意仔细检查，并进行试运转，认为无问题时方可使用；检查油路连接管线是否与防喷器所标示的开关一致。可由控制台以23MPa的控制压力对每种闸板试开关各两次，以排除油路中的空气，如闸板开关动作与控制台手柄指示不一致，应倒换连接管线；手动锁紧机构是否连接好，手动杆操纵闸板关闭是否灵活好用，并记下关井时手轮旋转圈数，在手轮上挂牌表明。试完后将手轮左旋退回解锁，用液压打开闸板；对井口装置进行全面试压，试压标准应按有关井控规程条例执行。试压后对各连接螺栓再一次紧固，克服松紧不均现象；检查所装闸板芯子尺寸与井下钻具尺寸是否一致；检查各放喷、压井、节流管是否连接好。(4)

18、闸板防喷器安全使用技术要求：防喷器的使用应有专人负责，明确岗位职责，做到三懂四会(懂操作原理、懂设备性能、懂工艺流程；会操作、会维修、会保养、会判断处理故障)；当井内无管具试验关闭半封闸板时，最大液控油压不能超过3MPa，以免损坏胶芯。当井内有管具时，严禁关闭全封闸板防喷器；井场至少备有一套井内所用的闸板，一旦需要可及时更换；进入目的层后，每天开关闸板一次，检查开关是否灵活，锁紧装置是否好用。每次起完钻后还应做全封闸板开关试验；不允许用打开防喷器的方法来泄掉井口压力，以免损坏胶芯；锁紧与解锁必须到位，以免锁不紧闸板或起下钻时碰坏闸板；开关侧门前应泄掉液控油压，以免损坏铰链密封圈；长期封应用锁紧

19、装置锁定闸板，并挂牌显示，以免误操作。(五)液压防喷器控制系统1结构与原理(1)结构防喷器控制系统主要有远程控制台、司钻控制台或辅助控制台。远程控制台位于井口侧前方25米以远的安全处，主要有储能器组、油泵组、阀件及管汇、油箱及底座；司钻控制台位于钻台上司钻操作台后侧，主要有阀件、压力表及壳体；辅助控制台位于值班房内，作为应急备用。(2)工作原理控制系统预先用油泵给储能器打满和储备好足够压力、足够数量的压力油。一旦需要，可通过相应三位四通换向阀，迅速将高压油输送到防喷器或管汇阀件油缸中，从而实现对井口的控制。2类型与技术规范(1)类型常用气控液型控制系统型号：表213 常用气控液型控制系统型号(

20、2)技术规范(以典型的防喷器控制系统FKQ6406A为例)控制对象数量：6个系统工作压力：175MPa21MPa环封调压范围：0MPa14MPa系统升压时间：15min油箱有效容积：1300L储能器总容积：80L8预充氮气压力：7MPa07MPa储能器有效排油容积：320L电泵理论排量：40Lmin电机功率转数：185kW1470rpm气动泵气液比：50：1气源压力：065MPa08MPa液压油类型：一般使用条件为YAN32普通液压油；冬季使用条件为YC-N32低温液压油3防喷器控制系统前期准备及检查标准钻开油气层前，控制系统应投入并处于随时发挥作用的“待命”工况。储能器应预先充油，升压至21

21、MPa，调好相应阀件处于“临战”状态，即：“三源齐备、各阀到位”。(1)油源：油箱中液压油液面应过半；(2)电源：油泵电机电压为380V(350V)；(3)气源：油泵气源压力为065MPa08MPa；(4)储能器钢瓶下部进出油阀全开；(5)油泵上油阀全开；(6)高压截止阀打开；(7)各防喷器三位四通换向阀在中位(由开位搬至中位)；(8)泄压阀关闭；(9)油路(或气路)旁通阀关闭；(10)电控箱旋钮在自动位；(11)气泵进气阀关闭；(12)储能器压力表显示175MPa21 MPa；(13)汇流管压力表显示105MPa；(14)环型防喷器压力表显示105MPa；(15)气动压力变送气的一次气压表显

22、示014MPa；4安全使用技术要求(1)远控台应处于大门前方离井口25m以远的的地方；(2)油管束上不允许过车；(3)三位四通换向阀操作要果断，以防阀芯刺坏；(4)油泵组上油管线的滤清器应每月拆检清洗一次，以防堵塞；(5)储能器预充氮气压力应定期检查，保持在7MPa07MPa；(6)操作减压调压阀时，不要一次转动过多，应与泄压阀配合使用，逐步降压或升压；(7)应定期或在打开油气层前进行防喷演习。(六)节流压井管汇(节流管汇代号JC压井管汇代号YG)节流压井管汇是实施油气井压力控制技术必不可少的井控设备。在钻井施工中，一旦发生溢流或井喷，可通过节流压井管汇循环出被浸污的钻井液或泵人加重钻井液压井

23、，以便恢复井底压力平衡，同时可利用节流管汇控制一定的井口回压来维持稳定的井底压力。压井管汇也可用于反循环压井。现将节流压井管汇的功用分述如下：节流管汇的功用是：(1)压井时实施节流循环，控制井内流体的流出井口，控制井口回压(立压和套压)，维持井底压力（地层压力），并且保持不变，制止溢流。(2)起泄压作用，降低井口压力，实现“软关井”。(3)起分流放喷作用，将溢流物引出井场以外，防止井场着火和人员中毒，确保钻井安全。压井管汇的功用是：(1)当全封闸板关井时，通过压井管汇往井眼内强行泵入加重钻井液，实现反循环压井。(2)发生井喷时，通过压井管汇往井眼内强行泵入清水，以防燃烧起火。(3)发生井喷着火

24、时，通过压井管汇往井眼内强行泵注灭火剂，以助灭火。按其额定工作压力，节流管汇有三种配置形式、压井管汇有两种配置形式。节流压井管汇其额定工作压力应与所用防喷器组合的额定工作压力相一致。从经济上考虑，在开钻时，可安装一套此井将要配置的最高压力节流压井管汇，这就避免了经常随防喷器组合的压力级别的改变而更换节流压井管汇，由此可将节流压井管汇的备用量减到最少。节流压井管汇的安装与使用安全注意事项：(1)节流压井管汇与防喷器连接的管线一定要平直，通径不得小于78mm，且必须接出井架底座外，节流管汇的主放喷管线通径不得小于78mm。对于大流量的空气钻井或天然气钻井，推荐采用通径为100mm的主放喷管线。(2

25、)防喷器组合与节流管汇之间应装一个能远程控制的液动闸阀，在节流管汇两翼至少有一翼要设置液动节流阀。采用筒形阀板结构的节流阀，该节流阀只能用作节流而不能作密封断流。(3)不允许将节流压井管汇作为日常灌钻井液的管线用。在低寒地区使用时，节流压井管汇可采用保温或排尽液体或灌入合适的防冻液等，做到防冻。(4)节流压井管汇在管子站试压应试到额定工作压力、稳压时间不得少于30min，压降不得大于071MPa。(5)各种形式、结构、用途的平板阀在使用中决不能处于半开半闭状态，即不能用来节流。否则会加速阀板和阀座损坏。(6)当关闭平板阀时，顺时针转动手轮到底后，应逆时针回转手轮约14圈，以保证阀板和阀座有浮动

26、的余地，使其达到理想的密封效果。(7)为了保证阀板与阀座之间可靠的密封和得到良好润滑，须定期给阀腔补灌特种润滑密封脂，井控装置的部件其表面均要涂以润滑脂，起到防锈抗腐、润滑减磨的作用。(8)防喷管汇的布局要考虑当地季节风向、居民区、道路、公共安全设施等情况。(9)防喷管汇的转弯不小于120，每隔1015m用水泥基墩加地脚螺丝或地锚固定。(10)为井控的顺利与安全，严禁将节流压井管汇用做日常灌浆管线使用。(11)为井控的成功与安全，应定期活动管汇上的阀件以防锈死或搬不动。14MPa节流管汇的组合形式如附图29所示；21MPa节流管汇的组合形式如附图210所示；35MPa节流管汇的组合形式如附图2

27、11所示；70MPa和105MPa节流管汇的组合形式如附图212所示。图29图210图211图212压井管汇的组合形式如附图213所示。图213液动节流管汇控制装置液控箱：它位于钻台上立管一侧，用于控制液动节流阀的开关及开关速度，实现远距离遥控节流管汇，维持井底压力)地层压力，并且保持不变，制止溢流。液控箱中的气泵与储能器能制备不高于2MPa压力油，并利用三位四通换向阀遥控节流管汇上的液动节流阀。液控箱面板上有立压表、套压表、阀位开度表、油压表、气压表、立压表、三位四通换向阀、调速阀等5表2阀。气压表显示输入液控箱的压缩空气压力值，起源来自钻机气控系统。油压表显示液控油压值，压力油由储能器提供

28、。三位四通换向阀用来改变压力油的流动方向，遥控液动节流阀开大或关小或维持开度不变，从而控制关井套压与立压的降低、升高或稳定。调速阀用来遥控液动节流阀开关动作的速度，从而控制关井套压与立压变化的快慢。阀位开度表用来显示液动节流阀开启程度。立压表显示关井立管压力。套压表显示关井套管压力。操作时，司钻只需在钻台上观察立压表与套压表的压力变化以及阀位开度表的指示情况，一手操作三位四通换向阀手柄；一手调节调速阀手轮，即可实施压井作业。其操作特点集中、简便、对井控作业十分有利。(七)钻具内防喷工具及钻具旁通阀钻井过程中，当地层压力超过井底压力时，钻井液被推动沿钻柱水眼向上喷出，为了保护水龙带不被高压蹩坏，

29、需要使用钻具内防喷工具。它的使用还可起到节约钻井液，保持钻台清洁，减少环境污染的作用。1方钻杆上、下旋塞方钻杆上、下旋塞一般采用球阀结构，其开启和关闭多半采用手动方式。上旋塞也有采用气动远程控制方式。联合使用上、下旋塞时，无论方钻杆处于任何位置，都有一个可使用，即当其中一个发生故障时，另一个可起作用。钻井作业时，方钻杆球阀的水眼畅通并不影响钻井液的正常循环。需要关井时，可关闭方钻杆上或下旋塞阻止井内流体沿钻具上窜，用于保护水龙带和立管。为防止起下钻铤过程中发生井喷，钻台上应备有短节或单根，它可连接方钻杆和钻铤。方钻杆上、下旋塞的安全使用注意事项：(1)坚持经常开关方钻杆上、下旋塞，如接单根时或定时使用活动方钻杆上、下旋塞，以免锈死无法正常开关。(2)在接单根后，应及时将关闭的旋塞阀打开，以免造成开泵时蹩泵。(3)旋塞阀内六方扳手应放在离井口较近的地方，并防止落井或丢失。2钻具止回阀按结构形式分，钻具止回阀有碟形、浮球形、箭形、投入式等，它们的使用方法也不相同。有的被连接在钻柱中，有的在需要时才连接在钻柱上，而有的在需要时才投入钻具水眼内起封堵井内压力的作用。钻具止回阀装在