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防喷器基础知识,程 瑞 亮,Basic Knowledge of BOP,Associate Professor,第一部分 防喷器原理及结构,目 录,第三部分 闸板防喷器,第四部分 液压防喷器控制系统,第二部分 环形防喷器,第四部分 液压防喷器控制系统,1-旋转防喷器,2-环形防喷器,3-双闸板,5-单闸板,4-四通,1,2,3,4,5,钻具内的防喷工具,井口安装和固定,循环罐液面监测装置,循环罐液面报警装置,监测装置,应急控制,主体组合控制,井控装置试压泵,第一部分 防喷器原理及结构一、概述：在钻井作业过程中，为防止地层流体侵入井内，应始终保持井内钻井液液柱压力略大于地层压力。但在实际钻井作业时，常常因各种因素的影响使井内钻井液液柱压力小于地层压力，使井内压力平衡关系遭到破坏，而导致井喷的产生，结果造成人身伤亡，钻机损坏，油层损害等。钻井施工作业时，需要一定的技术、设备，实施监测控制，防止井喷产生。一旦发生井喷能及时准确控制井口，实施压井作业，重新恢复对油气井的压力控制。有时井口设施损坏严重，油气井失去压力控制，需采取抢险作业。完成上述工作所使用的设备，通称为井控设备。所谓的井控设备即用于实施油气井压力控制技术的一整套专用设备，仪表与工具的总称。因此了解井控设备的性能，正确安装维护，使井控设备发挥应有的功能，是搞好油气井压力控制的重要保证,井控设备应具有下述功能1、预防井喷。钻井作业中，保持井眼内钻井液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，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、井喷发生后迅速关井，实施压井作业；重新建立井内压力平衡控制。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,井控设备组成如下：设备、仪表与工具。如图所示。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：储能器装置、遥控装置、辅助遥控装置；3、节流管汇、压井管汇；4、钻具内防喷工具：方钻杆球阀、钻杆回压阀、投入式单向阀等；5、加重钻井液装置：重晶石粉混合漏斗装置；重晶石粉气动力下料装置；6、起钻灌注钻井液装置；7、钻井液气体分离器；8、监测仪表：钻井液罐液面监测仪、甲烷、硫化氢等检测器；9、特殊作业设备：不压井起下钻加压装置、清障、灭火设备等,井控作业基本流程正常钻井作业时，钻井泵将钻井液从钻井液罐吸入，经地面高压管汇、立管、水龙带、水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤、钻头循环到井底。携带岩屑沿环空上返，到井口后经防溢管钻井液出口到振动筛、除气器，除砂器，净化后的钻井液回流到钻井液罐。发生溢流后关防喷器、关井，当进行压井作业时，钻井液泵将钻井液从钻井液罐吸入，经地面高压管汇、立管、水龙带、水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤、钻头到井底，替出井内侵入流体，经四通侧孔至节流管汇，通过节流阀调控环空压力。返出的钻井液经回流管线引至钻井液气体分离器，清除侵入的气体后，合格的钻井液引至钻井液罐，清除的气体经排气管线引至安全处燃烧，以防污染,液压防喷器特点：1、动作迅速环形防喷器的液动封井时间 一般不大于 30 秒闸板防喷器的液动封井时间 为 38 秒打开液动放喷阀的时间为 3 秒2、操作方便、安全可靠：井口防喷器的开、关均采用液压操作（是液压防喷器），气压或液压控制3、现场维修方便：闸板防喷器的闸板坏了，环形防喷器的胶芯坏了，在现场都可以进行更换,返回,操作,井控设备,液压防喷器参数,公称通径,额定工作压力,定义：防喷器内部上下通孔直径，单位mm。 180mm、230mm、280mm、种类： 346mm、426mm、476mm、 528mm、540mm、680mm。,定义：防喷器工作时能承受的最大井口压力， 单位MPa。种类： 14MPa、21MPa、35MPa、70MPa、 105MPa。 注：红字数值为本油田常用。,1985以前：KPY - ,最大工作压力，以kgf/cm2为单位。,公称通径,以cm为单位并取圆整值。,勘探用液压防喷器的汉语拼音缩写。,缺点：无法区分防喷器的具体类型。,1985以后： - ,最大工作压力,以MPa为单位。,公称通径，以cm为单位圆整。,防喷器型号代码： FZ -单闸板防喷器2FZ -双闸板防喷器3FZ -三闸板防喷器 FH -环形防喷器,国外代码：R -RamRd -Double RamsRt -Three RamsA -AnnularS -Spool,防喷器组合选择选择井口防喷器组合时，主要考虑因素：1、通径大小 公称通径应与套管头下的套管尺寸相匹配。2、 耐压能力 压力等级应大于可能出现的预期井口最高压力。3、 类型和数量 在空井、井内有钻具、钻具外径不同等各种情况下迅速关井。,BOP 组合主要取决于最大井深Lmax和地层最大压力pmax1) Lmax2000m, pmax 14MPa2FZ-S(on-land); FZ-FZ-S (marine)2) Lmax : 20004000m; pmax =14MPaFH-FZ-S (on-land); FZ-S-FZ (marine)3) Lmax : 20004000m; pmax : 2135MPa FH-2FZ-S (on-land); FH-FZ-S-FZ (marine)4) Lmax : 40007000m; pmax : 70105MPa FH-FZ-2FZ-S (on-land); FH-2FZ-S-FZ (marine,14MPa井口防喷器组合形式,S+FH,S+FZ+FZ,FZ+S+FZ,S+FZ+FH,21MPa 、35MPa井口防喷器组合形式,S+FZ+FZ+FH,FZ+S+FZ+FH,70MPa 、105MPa井口防喷器组合形式,套管四通+FZ+S+FZ+FZ+FH,套管四通+S+FZ+FZ+FZ+FH,套管四通+FZ+S+FZ+FZ+FH+旋转BOP,环形防喷器的作用,1 封零井内无钻具时全封井口。,2 封环空井内有钻具、套管、电缆等物时，封闭环形空间。,3 强行起下钻使用具有18o坡度接头的钻杆，配合减压调节阀或缓冲储能器。,第二部分 环形防喷器,环形防喷器的类型,球形胶芯防喷器,组合胶芯防喷器,锥形胶芯防喷器,锥型胶芯环形防喷器的结构,胶芯特点 锥形胶芯 储胶量大 自动恢复原状 胶芯更换容易 无钻具时直接更换 有钻具时切割更换,锥形胶芯环形防喷器,特点:,活塞的特点,井压助封,液压油进入油缸的关闭腔，推动活塞上行，活塞挤胶芯，在顶盖的限制作用下，胶芯向心收缩，挤出橡胶，封住井口。,关井 (锥形胶芯),液压油进入油缸的开启腔，推动活塞下行，活塞对胶芯的挤压力消除，胶芯在自身弹力的作用下，恢复原状，把井打开。同时下腔中的液压油通过管线回油箱。,开井(锥形胶芯）,球型胶芯环形防喷器,球型胶芯环形防喷器的结构,液压油进入油缸的关闭腔，推动活塞上行，胶芯 也上行，在顶盖的限制作用下，胶芯 只能向心收缩，挤出橡胶，封住井口,关井（球型）,返回,液压油进入油缸的开启腔，推动活塞下行，活塞对胶芯 的挤压力消除，胶芯 在自身弹力的作用下，恢复原状，把井打开。,开井（球型）,返回,胶芯特点 球形胶芯 储胶量大 自动恢复原状 漏斗效应 胶芯更换容易 摩擦力小，操控油量大,漏斗效应关井时，胶芯沿顶盖内腔自下而上，从外到内移动，造成胶芯上部集聚橡胶较多、中部较少、下部未挤向中心，形成倒置的漏斗状空间。 井内高压作用于漏斗底部，加强井压助封；漏斗形状便于起下钻时通过钻杆接头，减少胶芯的磨损。,2. 活塞特点 密封段短 扶正效果较差 易偏磨、拉缸 高度较低,3. 井压助封 井口高压流体作用在活塞下部环槽里，有助于推动活塞向上移动，迫使胶芯向中心收拢从而助长了胶芯的封井作用。,组合胶芯环形防喷器,工作原理,关井：液压油关闭腔活塞上行推盘推举外胶芯外胶芯变形向中心挤压内胶芯内胶芯收拢变形支撑筋转动角度向中心平移把井关闭。,开井：液压油开启腔活塞下行推盘回位挤压力消除内、外胶芯靠自身弹性复位把井打开。,特 点, 内、外两层胶芯 结构复杂 新胶芯封零不理想 整体体积小、重量轻 不能用切割法换胶芯 内胶芯变形小，操控油量少 纯橡胶外胶芯磨损小、寿命长,环形防喷器的比较,防喷器类型,国产环形防喷器的技术规范,常用锥形胶芯防喷器技术规范,国产环形防喷器的技术规范,常用球形胶芯防喷器技术规范,1、在现场不做封零的实验,只按规定做封管子的 实验。,3、关井状态起下钻作业,只能通过18。坡度的对焊钻 杆接头,2、液控油压不能过大,最大不许超过15MPa。通常液 控油压在8.5-10.5MPa范围内。,4、不许用环形防喷器长期关井。,5、在关井状态下允许上下缓慢活动钻具,不许转动钻 具,不许用打开环形防喷器的办法泄井内压力。,6、胶芯备件妥善保管，防止胶芯老化。如胶芯保管 期很长,过了保质期，应报废。,环形防喷器使用时注意事项,7、关井 状态起下钻作业，只能通过有 18坡度的对焊钻杆接头；同时使用 减压调压阀或在环形防喷器关闭油 路上安装缓冲储能器，以降低钻具 接头通过胶芯时引起的波动压力， 延长胶芯 的使用寿命8、胶芯备件放在27以下干燥暗室 内妥善保管。远离电弧设备，单 个平放，防止老化。过了保质期 应予报废,环形防喷器使用注意事项,日常维护,现场安装后，按标准进行现场试压。,进入目的层后,每 对防 喷器试开关一次。,对环形防喷器的试压标准是 。,每次打开后，必须检查是否全开， 以防挂坏胶芯。,特殊作业后，及时清洗、保养内腔。,额定压力的70%,起下钻一次,常见故障的判断及排除,防喷器封闭不严 新胶芯，可多活动几次；旧胶芯， 若支撑筋已靠拢仍封闭不严，则橡 胶消耗过度需更换新的。 旧胶芯严重磨损、有脱块，影响使 用的，及时更换。 打开过程中长时间未关闭使用，杂 物沉积于胶芯沟槽及其它部位，造 成封闭不严。及时清洗、活动胶芯。,防喷器关闭后打不开 长期关井或固井后胶芯下残留水泥浆凝固造成。清洗。防喷器开关不灵活 连接液压管线前，用压缩空气吹扫， 将接头清洗干净。 油路有漏失，防喷器长时间不活动， 污物堵塞。,4 代替四通壳体上有侧孔，可连接管线代替节流管汇循环钻井液或放喷。,闸板防喷器的作用,2 封 环 空 井内有钻具时，配用相应尺寸的半封闸板（管子闸板）封闭环形空间。,1 封 零井内无钻具用全封闸板（盲板）封闭井口。,3 剪切钻具井内有钻具又需全封井口时，可用剪切闸板迅速剪切钻具全封井口。,第三部分 闸板防喷器,闸板防喷器的类型,按闸板数量,按闸板形状,类 型,单闸板防喷器,双闸板防喷器,全封闸板防喷器,半封闸板防喷器,剪切闸板防喷器,变径闸板防喷器,闸板防喷器的结构,液压油进入油缸的关闭腔,推动活塞向井口方向移动,活塞杆、及闸板也向井口方向移动，实现关井 的 目的。,关井,液压油进入油缸的开启腔，推动活塞向远离井口的方向移动，活塞带动活塞杆、闸板总成也向井口方向移动，实现开井的目的。,开井,旁侧孔,闸板防喷器的四处密封闸板前部与钻具之间的密封闸板上部与壳体之间的密封壳体与侧门之间的密封侧门腔与活塞杆之间的密封,闸板前部与钻具之间的密封,闸板上部与壳体之间的密封,壳体与侧门之间的密封,侧门腔与活塞杆之间的密封,闸板防喷器的结构特点,井压助封,1. 井内压力作用在闸板底部，推举闸板，使闸板顶部与壳体凸缘贴紧，压力越高效果越好。,2. 在关井过程中，井压同时作用在闸板的前部、后部，后部的活塞杆截面上没有井压，但受活塞的推力，活塞截面比活塞杆截面大数倍，因此,可用远低于井压的液控压力容易地开关封井器。 注：活塞截面积与活塞杆截面积之比称为关闭压力比,闸板防喷器的结构特点,自动清砂,闸板室底部有两条向井眼倾斜的清砂槽，闸板动作时，遗留在此的泥沙被闸板排入槽中滑落井内。防止堵塞，减少阻力与磨损。,自动对中,闸板压块的前方制有突出的导向块与相应的凹槽。闸板向中心运动时，导向块迫使偏心的管子移向井眼中心，顺利实现封井。关井后，导向块进入另一压块的凹槽内。,井压助封,自动清砂,自动对中,活塞杆的二次密封装置,活塞杆处的二次密封装（外观图）,1.可以翻面使2.闸板的浮动性好3.对不同尺寸的钻具,只需更换橡胶密封半环和闸板压块,其余零件可通用互换,双面用闸板,2. 旋开式,闸板防喷器的侧门,作用 1. 封闭闸板室 2. 传递液压油 3. 安装双向密封,1. 平直移动式,承重与液路合一式铰链,承重与液路分开式铰链,类型,闸板防喷器的侧门,侧门开关守则,1. 两侧门不能同时打开。,2. 侧门未充分旋开或未用螺栓固紧前，不许进行液压开关井动作。,3. 旋动侧门时，液控压力油应处于卸压 状态。,4. 侧门开关后，液动伸缩闸板时，应挡 住侧门以防止晃动。,闸板防喷器的侧门,拆换闸板的操作顺序,1. 卸 压蓄能器上该换向阀手柄置于中位。,2. 开 侧 门拆下侧门紧固螺栓, 旋开侧门。,3. 液压关井使闸板从侧门腔内伸出。,4. 拆旧换新注意装正、装平。,5. 液压开井使闸板缩入侧门腔。,6. 关 侧 门旋闭侧门，上紧螺栓。,7. 试 压根据防喷器额定压力进行试压。,闸板防喷器锁紧装置,自动锁紧装置,闸板防喷器机械锁紧装置,手动锁紧装置,闸板防喷器锁紧装置,自动锁紧装置利用液压完成的机械锁紧装置。适用于无法进行人工操作的环境。,操作特点闸板BOP利用液压实现关井后，随即在液控油压作用下自动完成闸板锁紧动作；闸板BOP利用液压开井时，在液控油压作用下首先自动完成闸板解锁动作，然后再实现液压开井。,缺点：不能手动关井，液控失效情况下无法进行关井动作。,闸板防喷器锁紧装置,手动机械锁紧装置组成,万向节 手轮,活塞杆 锁紧轴 油缸,闸板防喷器锁紧装置,锁紧轴随动结构,闸板防喷器锁紧装置,花键轴套锁紧结构,闸板防喷器锁紧装置,手动锁紧,顺旋到位回旋,手动解锁,逆旋到位回旋,操作要领,闸板防喷器锁紧装置,闸板防喷器的关井步骤,1. 液压关井,正常情况,2. 手动锁紧,3. 液控油泄压,闸板防喷器锁紧装置,闸板防喷器的关井步骤,1. 液控换向手柄置于关位,特殊情况（液控失效）,2. 手动关井,3. 液控换向手柄置于中位,闸板防喷器锁紧装置,闸板防喷器的开井步骤,1. 手动解锁,2. 液压开井,3. 液控油泄压,闸板防喷器锁紧装置,机械锁紧装置状态判断,锁紧轴随动结构状态示意,闸板防喷器的合理使用,使用注意事项, 半封闸板的尺寸应与所用钻杆尺寸相 对应；, 井中有钻具 使时切忌用全封闸板封井；, 长期封井应手动锁紧，并将换向阀手 柄扳向中位；,闸板防喷器的合理使用, 闸板防喷器未解锁不许液压开井； 未液压开井不许上提钻具 ；, 半封闸板封井后不能转动钻具 ；, 闸板防喷器的手动锁紧装置只能 关闭闸板，不能打开闸板。要打 开唯一的办法是：先解锁，然后 用液压打开。,闸板防喷器的合理使用,日常维护, 进入油气层后， 应对FZ 试开 关一次。卸下观察孔丝堵。, 长期关井应锁紧，并挂牌标明。, 试压为FZ的额定工作压力的 %, 特殊作业后及时清洗保养内腔。, 严禁用打开FZ的方法卸井内的压力。,100,每起下一次钻,1.更换密封圈2.紧固该部位全部联接螺栓3.清除脏物、修复损坏部位,常见故障判断及排除方法,井内介质从壳 体与侧门连接处流出,1.壳体与侧门间密 封损坏2.壳体与侧门连接 螺栓未上紧3.壳体与侧门密封 面有赃物或损坏,倒换BOP本身的油路管线位置,常见故障判断及排除方法,2. 闸板移动方向 与控制铭牌标 志不符,控制台BOP连接油管接错,清洗闸板及侧门,常见故障判断及排除方法,3. 液控系统正 常，但闸板 关不到位,闸板接触端有其它物质，或沙子、泥浆块淤积,更换损伤的活塞杆密封圈，修复损伤的活塞杆,常见故障判断及排除方法,4.井内介质窜到 油缸内，使油 中含水气,活塞杆密封圈损环、活塞杆变形或表面拉伤,更换密封圈、修复密封表面或更新部件,常见故障判断及排除方法,5. BOP液压部 分稳不住压,BOP油缸、活塞、活塞杆密封圈损坏，密封表面损伤,修复密封表面， 更换密封圈,常见故障判断及排除方法,6. 侧门铰链处 漏油,密封表面拉伤，密封圈损坏,更换闸板密封胶芯，修复密封面,常见故障判断及排除方法,7.闸板关闭后封 不住压,闸板密封胶芯损坏、壳体闸板腔上部密封面损坏,解锁清除泥沙，加大控制压力,常见故障判断及排除方法,8.控制油路正 常，用液压 打不开闸板,未解锁或闸板被泥沙卡住,防喷单根备用防喷单根的目的是在起下钻铤发生溢流时，可较快地实现关井，且在关井时将半封闸板关在距防喷单根公接头附近，可以防止井内压力上顶钻具造成钻铤全部喷出井筒。因此，我个人观点防喷单根的母扣端接方钻杆旋塞，公扣端接与钻铤相配的转换接头（如塔式钻具，则应备用相应的转换接头在钻台上），防喷单根应放在坡道上以便随时可用,剪切闸板 是一种特殊结构的全封闸板，当井内有钻杆时，关闭防喷器，可以剪断钻杆而全封井眼。为防止剪断钻杆落入井底，可在剪切闸板防喷器下面装一个半封防喷器，在剪断前先关半封，下放钻杆，将钻杆接头座在闸板上，再关剪切闸板，这样钻杆接箍即可挂在下面的半封闭板上，防止钻具落入井底。海上剪切闸板还可用于暴风雨来临之前剪断钻杆，挂在半封闭闸板上，以便钻井船拖走避风。如经常使用这种方法，应定购有特殊硬度的剪切闸板,全封闸板只能空井筒时使用，不能当剪切闸板使用，如井内有钻杆，错关了全封，结果是钻杆挤扁，而不能剪断。,ZPEB,ZYWC&HSE,控制系统的作用,平时用来制备和储存高压液压油（压力油），当需要时使控制对象（防喷器）实施开关。,第四部分 液压防喷器控制系统,控制系统的组成,蓄能器装置,遥控装置主(司)控台,遥控装置辅助控制台,液控管汇,气控管汇,控制系统的组成,遥控装置（又叫司钻控制台或叫主控制装置）,蓄能器装置（又叫远程控制台）,连接管汇,有的还安有辅助遥控装置,控制系统的类型,根据换向阀先导控制方式分,1. 液控液型陆地钻井,2. 气控液型陆地钻井,3. 电控液型海洋钻井,气控液型比液控液型的信号传输快；安全、经济、无污染；得到广泛的应用。,控制系统的型号,FK,控制对象数量(用数字表示),蓄能器组公称总容积，L；用数字表示,先导控制方式（无先导则空白）,防喷器液压控制系统名称,据石油天燃气工业技术标准SY5053-84的规定,Q-气控；Y-液控；D-电控,标牌,返回,气控液型标牌,FKQ4005A,FKDQ5606,气控液型标牌,FKQ4005A型控制系统介绍,电泵,气泵,储能器,三位四通换向阀,油旁通阀,减压阀,减压阀,压力传感器,压力继电及控制箱器,进气阀,谢谢！,