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，并及时泵人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2—6)。
21MPa和35MPa防喷器组合有两种形式供选择(见图2—7)。
70MPa和105MPa防喷器组合有两种形式供选择(见图2—8)。
测井设备
图2—6 14MPa防喷器组合图
图2—7 21MPa和35MPa防喷器组合图
为了安全期间，各种组合形式应配备1～2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2—8 70MPa和105MPa防喷器组合图
4．控制系统控制点数的选择
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—10和表2—11(以华石二机厂的环形防喷器为例)。
表2—10 球型环形防喷器规格及技术参数
表2—11 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0．2m／s)，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，并注意保持其清洁。
(8)推荐防喷器最大控制压力为10．5MPa。
(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，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。
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3～8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+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2—12(以华石二机厂的闸板防喷器为例)。
表2—12 闸板防喷器规格及技术参数
注：1in=0．0254m。
3．功用
其主要功能是：
(1)当井内有钻杆、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、下人套管内；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。
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