第十章 海上防喷器

第十章海上防喷器

第一节防喷器系统概述

防喷器是用于试油、修井、完井等作业过程中关闭井口，防止井喷事故发生以及在紧急情况下切断钻杆的安全密封井口装置。石油钻井时，安装在井口套管头上，用来控制高压油、气、水的井喷装置。

在海上使用钻井浮船和半潜式钻井平台钻井时，因钻井浮船和平台是在漂浮状态下工作的，钻井井口和海底井口之间会发生相对运动，必须装有可伸缩和弯曲的特殊部件，但这些部件因不能承受井喷关井或反循环作业时的高压，因此要将钻井防喷器安放在可伸缩和弯曲的部件之下，即要装在几十米至几百米深的海底，我们将它称之为海底井口装置。

防喷器将全封和半封两种功能合为一体，具有结构简单，易操作，耐压高等特点。

（一）防喷器工作原理

在井内油气压力很高时，防喷器能把井口封闭（关死）。从钻杆内压入重泥浆时，其闸板下有四通，可替换出受气侵的泥浆，增加井内液柱的压力，以压住高压油气的喷出。

（二）防喷器分类

防喷器分普通（单闸板、双闸板）防喷器、环形（万能）防喷器和旋转防喷器等。

普通（单闸板、双闸板）防喷器有闸板全封式的和半封式的，全封式防喷器可以封住整个井口；半封式封住有钻杆存在时的井口环形断面。环形（万能）防喷器是可以在紧急情况下启动，应付任何尺寸的钻具和空井；旋转防喷器是可以实现边喷边钻作业。

各种防喷器适应井眼内各种不同钻具的情况，为了保证任何时候都能有效地使用防喷器组，根据所钻地层和钻井工艺的要求，可将几个防喷器组合同时使用。在深井钻井和海上中常是除两种普通防喷器外，再加上万能防喷器、旋转防喷器，使三种或四种组合地装于井口。

现有钻井防喷器的尺寸共15个规格，尺寸的选择取决于钻井设计中的套管尺寸，即钻井防喷器的公称通径尺寸，必须略大于再次下入套管接箍的外径。防

喷器的压力从3.5～175兆帕共9个压力等级，选用的原则由关井时所承受的最大井口压力来决定。

防喷器的称呼都是指它的通径，18 3/4“就是它的通径。国内防喷器的称呼是，FZ指单闸板，FH是环形，如FZ35-21是指通径为346mm也就是约350mm，350mm 也就是13 5/8”，防喷器有7 1/16“，9”，11”，13 5/8”，16 3/4”，18 ?”，20 3/4”，21 1/4“，26 3/4”，30”等这几种。

水深3000m的用18 3/4“-15000PSi的防喷器组in nominal sizes 3 1/16" to 30", with w.p. ratings from 5000 - 20000 PSI。

（三）防喷器控制装置

防喷器控制装置是防喷器开、关动作的指挥系统, 它须能满足远距离、准确、可靠、快速等要求。

目前防喷器主要有三种控制形式, 液压控制、气一液控制和电一液控制。液压控制系统成本低, 工作可靠, 防喷性能好, 技术相对成熟, 但只适用于近距离和浅水钻井防喷器控制。气一液控制采用压缩空气和气动元件的控制方式和压力变送机制, 防火防爆性能好, 适用于中距离控制, 但空气中水分容易析出而引发事故,而且不适合于水下钻井工况。电一液控制采用电源及电气控制元件和电传感元件, 先导控制时间短, 从而缩短了防喷器开、关所需的时间, 适合于远距离控制。

图10—1

目前陆地钻井由于控制距离不很远, 国内仍普遍采用技术已较成熟的气一液

控制方式, 而国外现已大采用电一液控制防喷器。对于海洋钻井, 特别是深水钻井, 电一液控制防喷器已成为首选方案, 在世界范围内得到广泛应用。特别是随着海洋钻井不断向深水区拓展, 深水防喷器控制系统的研制与开发受到了国内外的普遍关注。

防喷器控制装置主要由泵、高压蓄能气瓶、各种控制阀件、液压油箱、连接管线、压力表以及压力传感器等组成。主要是用于给液压防喷器提供液压油，并控制液压防喷器的开关。

第二节 防喷器分类及其工作原理

一、闸板防喷器

闸板防喷器是最早用于石油钻井的防喷器，是井控装置的关键设备。早期使用手动控制，费时费力、故障多，现代石油钻井采用液压闸板防喷器，能够实现在3-8秒内迅速关井，操作和维修都很方便。

分单闸板、双闸板防喷器：

图10—2单闸板防喷器结构示意图

图10—3双闸板防喷器结构示意图

1-左缸盖；2- 盖形螺母；3- 液缸联结螺栓；4- 侧门螺栓；5- 铰链座；6- 壳体 7- 闸板总成；8- 闸板轴；9- 右侧门；10- 活塞密封圈；11- 活塞；12- 活塞锁帽 13- 右缸盖；14- 锁紧轴；15- 液缸；16- 侧门密封圈；17- 油管座；18- 左侧门 1-左缸盖；2- 盖形螺母；3- 液缸联结螺栓；4- 侧门螺栓；5- 铰链座；6- 壳体 7- 闸板总成；8- 闸板轴；9- 右侧门；10- 活塞密封圈；11- 活塞；12- 活塞锁帽 13- 右缸盖；14- 锁紧轴；15- 液缸；16- 侧门密封圈；；17- 盲法兰；18- 双头螺栓

19- 螺母；20- 油管座；21- 左侧门

（一）闸板防喷器闸板总成有四种类型：

? 盲板（全封闸板）

? 管子闸板

? 可变径芯子闸板

? 剪切盲板

防喷器的壳体是通用的，目前液压控制的闸板防喷器是国内外广泛采用的，其优点是：开关动作迅速，操作轻便省力，使用安全可靠，维修保养容易。

图10—4

（二）闸板防喷器的主要功能：

①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。

②用盲板(全封)防喷器，井中无钻具时，可全封井眼。

③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的。 ④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。

⑤必要的情况下，管子闸板防喷器可以悬挂钻柱。

⑥通过防喷器壳体旁侧出口，可以进行循环和阻流压井作业。 盲板（全封闸板） 管子闸板

可变径芯子闸板 剪切闸板

（三）闸板防喷器的工作原理：

当发生井喷或者井涌时，高压动力液进入左右的液缸关闭腔，推动活塞带动着闸板轴及闸板总成沿闸板室内导向筋限定的轨道分别向井口中心移动，实现封井。同理要实现防喷器的开启，需要将高压动力液引入左右液缸开启腔。

二、环形防喷器

环形防喷器是由其封井元件胶芯呈环状而得名；封井时环形胶芯被迫向井眼中心汇聚，环抱钻具封井。环形防喷器常与闸板防喷器配套使用。

（一）根据其胶芯的形状可以分为：

● 锥形胶芯环形防喷器

● 球形胶芯环形防喷器

● 组合胶芯环形防喷器

图10—5 锥形胶芯环形防喷器结构示意图

1- 顶盖；2- 防尘圈；3- 油塞；4- 胶芯；5- 油塞；6-活塞；7- 支撑筒；8- 壳体

1- 支承筋； 2- 橡胶

图10—6 球形胶芯环形防喷器结构示意图

（二）环形防喷器的工作原理：

关井时，高压的动力液进入到防喷器的关闭腔，液压力推动活塞向上运动，迫使密封胶芯封着管子外围；当高压动力液进入到打开腔时，液压力推动活塞向下运动，让密封胶芯回到原位置，防喷器就被开。

（三）环形防喷器工作特点：

（1）能够在不同尺寸的钻柱的任何部件上关闭

（2）能够关闭空井

（3）能够关闭试抽油泵，测井或射孔的电缆及各种工具

（4）在使用减压调节阀或缓冲储能器控制下，能够上下活动 钻具或强行起下钻柱，但不能旋转钻具。

1- 顶盖；2- 胶芯；3- 防尘圈； 4-活塞；5- 壳体 球形胶塞

1- 快卸顶盖；2- 内胶芯；3- 外胶芯；

4- 活塞；5- 推盘

1- 内胶芯；2- 外胶芯

图10—7 组合胶芯环形防喷器结构示意图

四、旋转防喷器

高压旋转分流器——防喷器系统是欠平衡钻井装备中的重要组成部分是最关键的井控设备。在实施欠平衡钻井工艺带压钻井作业时, 用以密封旋转的钻具及起分流作用; 与液压防喷器、钻具止回阀和不压井起下钻加压装置配套后, 可

安全地进行带压钻井与不压井起下钻作业。由于该设备可随钻杆旋转, 起到防喷作用, 又称旋转防喷器。旋转防喷器装在钻机的普通防喷器组(包括环形防喷器)上面, 作为控制设备的补充, 可以更好地控制井口压力, 提高钻井效率, 极少造成地层损害, 还能降低对环境的破坏。

（一）旋转防喷器结构

主要由旋转总成、壳体、卡扣筒等组成。

旋转总成主要由方瓦总成、中心管、轴承、密封、胶芯等组成。

图10—8 主动密封转防喷器爆炸云图

（二）旋转防喷器的功能及特点：

1、应用于欠平衡钻井以及不压井作业。

2、有3 种可选压力级别，分别为：静压35MPa（5000psi）、静压21MPa （3000psi）、静压10.5Mpa（1500psi）。最大转速均可达200RPM 。

3、对钻杆或方钻杆进行过盈密封，并安全地泄流环行空间的流体。

4、腔体的直径较大，利于井底钻具组合（BHA ）和大的钻头通过。

主动密封旋转防喷器同时具有旋转防喷器和环形防喷器两种功能。在正常钻井时可替代目前使用的环形防喷器；在欠平衡钻井时可以有效地密封任意形状的钻柱及封零。

（三）旋转防喷器的工作原理

在欠平衡钻井中，井眼环空返出的流体由旋转防喷器的控制头导离井口，旋转控制头必须在承受环空流体压力的情况下，有效地密封井口。

旋转控制头的密封方式主要有两种：

井筒与钻具之间靠特制的密封胶芯与钻具之间的过盈实现密封。井口压力起助封作用；井筒与壳体之间靠高压密封旋转动态密封装置实现(Williams7000系列)。

通过外部液压力挤压一个特制的球形密封胶芯实现井筒与钻具的密封；井筒与壳体之间的密封靠旋转动态密封装置实现（ShafferPCWD）。

（四）旋转防喷器系统由三个部分组成：

第一部分为旋转控制头，也有的直接称之为旋转防喷器，是旋转防喷器系统的核心，安装在井口防喷器组合的最上方。

第二部分为冷却润滑动力装置，也有的称之为液压控制装置，是为旋转控制头工作提供液压动力和冷却润滑的保障系统。

第三部分称为远程控制台，也称为司钻监控台，显示旋转控制头的工作参数，检测旋转控制头的工作状态并进行控制。

第三节水上和水下防喷器组简介

一、水上防喷器组------自升式钻井平台

自升式钻井平台防喷器组安置在水面上方，平台转盘下方的月池处。

防喷器组放置在平台上有利于维修保养，同时节省了隔水管的重量，减少了钻井平台（船）的装载质量，从而降低了对钻井平台性能的要求。（SBOP）（一）水上防喷器组配置要求：

1、若有浅层气或者地质情况不清时，隔水（导）管上安装分流系统；

2、表层套管上安装1个环形防喷器，1个双闸板防喷器；大于13〞3/8表层

套管上可以只安装1个环形防喷器；

3、中间（技术）套管上安装1个环形、1个双闸板（或者2个单闸板）和1

个剪切全封闭闸板防喷器；

4、使用复合式钻柱的，装有可变闸板，以适应不同的钻具尽寸。

图10—9 渤海自升式钻井平台水上防喷器组配置

（二）水上防喷器开关活动规定：

1、闸板防喷器定期进行开关活动；

2、全封闸板防喷器每次起钻后进行开关活动。若每日多次起钻，只开关活动一次即可；

3、每起下钻一次，2个防喷器控制盘（台）交换动作一次。如果控制盘（台）失去动作功能，在恢复功能后，才能进行钻井作业；

4、节流管汇的阀门、方钻杆旋塞和钻杆内防喷装置，每周开关活动一次。水下防喷器的开关活动，除了闸板防喷器1日进行开关活动一次外，其他开关活动次数与水上防喷器组开关活动次数相同。

半潜式钻井平台和浮式钻船深水作业时有时也采用水上防喷器组的布置方案：

?花费少

?优化钻井作业

?扩大钻井活动范围

?减少非生产时间

?简单的井控要求

（三）水上防喷器组试压规定

1、所有的防喷器及管汇在进行高压试验之前，进行2.1MPa的低压试验；

2、防喷器安装前或者更换主要配件后，进行整体压力试验；

3、按照井控车间（基地）组装、现场安装、钻开油气层前及更换井控装置部件的次序进行防喷器试压。试压的间隔不超过14日；

4、防喷器组在井控车间（基地）组装后，按额定工作压力进行试验。现场安装后，试验压力在不超过套管抗内压强度80%的前提下，环形防喷器的试验压力为额定工作压力的70%，闸板防喷器和相应控制设备的试验压力为额定工作压力。

（四）水上防喷器组维修检测规定：

1、整套防喷系统、隔水（导）管和配套设备，按照制造厂商推荐的程序进行检查和维护；

2、在海况及气候条件允许的情况下，防喷器系统和隔水（导）管至少每日外

观检查一次，水下设备的检查可以通过水下电视等工具完成。

二、水下防喷器组

深水钻井由于对井控有较高的要求，因此一般采用防喷器组水下布置的方式。装在水下的防喷器装置与陆用的防喷器结构基本相同，但是由于海上特有的环境，对其使用可靠性要求和防腐蚀性要求都更高。

深水钻井是勘探开发工作的龙头，深水防喷器组是保证钻井作业安全最关键的设备。防喷器组在深水钻井过程中的作用是在发生井喷或者井涌时控制井口压力，在台风等紧急情况下钻井装置必须撤离时关闭井口，保证人员、设备安全，避免海洋环境污染和油气资源破坏

（一）深水防喷器组工作特点：

1、工况恶劣,设计、安装和使用时需要考虑的因素增多（外部静水压力等）；

2、因为深水钻井风险和投资十分巨大,对深水防喷器性能提出了更高的要求,为适应这一点,防喷器的尺寸(壁厚、体积等) 就明显增加。

3、因为使用了细长(长度一般与作业水深相同) 的节流压井管线,进行井控作业时必须要考虑流体在其中流动产生的压耗;由于深水防喷器组体积的增加,就需要更多体积的流体来实现对防喷器组的控制,因此对液压控制系统的工作能力和响应时间提出了更高的要求。

4、为避免液压控制液在返回管线中产生较大压降,一般将液压控制液排放到海水中而不返至水面,这就要求使用的液压控制液是一种无腐蚀性、无污染的环保流体;另外,为保证液压控制系统有足够快的响应时间,这种工作液粘度应该尽量低,并具备很好的润滑性。

（二）国内外水下防喷器组研究现状

国外从上世纪50年代开始研制和生产水下防喷器组，随着石油开采不断向深水和超深水进军，水下防喷器技术也突飞猛进，在80年代中后期达到了高峰。

目前水下防喷器组最大设计水深超过了12000英尺，结构更加紧凑，重量减轻，耐温、抗拉、抗弯能力进一步加强，闸板更换速度更快，控制方式由全液压、电/液控制向MUX控制方式转变，采用更快的信号传输方式。

国内由于最近几年才涉及深水石油的开发，深水水下防喷器组及其控制系统的研制还基本上处于空白，落后于国外。

国外深水防喷器组及控制系统的主要制造商有Cameron、Nov Shaffer、Hydril、等公司，其生产历史悠久，研发能力强，制造工艺先进，在技术和市场上处于垄断地位。

(三)海上防喷器组选择原则

海洋钻井具有危险性大，保护程度要求高的特点，同时海洋钻井装备类型较多，目前常用的分为自升式平台、半潜式和浮式钻井船三类。不同的钻井装备其井控设备配套不同，但是基本本组成和部件功能大都一样。

防喷器组合的内容包括防喷器压力级别的选择，防喷器类型及数量，防喷器位置排列及平台管汇布置等。防喷器组合的合理性和安全性，取决于钻井平台钻井时的危险性和防护程度、地层压力、井身结构、地层流体类型、人员技术素质、气象海流、交通运输条件、工艺技术难度和环境保护要求等诸多因素。简言之要求安全、合理和低成本。

深水浮式钻井平台(船) 防喷器组一般配置组成为 3 个管子闸板防喷器和 1 个剪切闸板防喷器,但推荐使用 2 套剪切闸板防喷器,底部的用来切断钻杆,顶部的用来密封压力,即采用“5 闸板”结构。此外,在下部隔水管总成(Lower Marine Riser Package) 中还配有1 个环形防喷器。

（四）防喷器组选型主要考虑一下两个因素：

a) 内部载荷钻杆尺寸和质量、内部钻井液液柱压力以及钻进地层预计最高压力。

b) 外部载荷在海底承受的海水静压力。

（五）水下防喷器控制系统简介

早期钻井作业一般只在浅水进行，因此水下防喷器组的控制系统的发展比较缓慢。随着水深的增加，也促使生产防喷器控制系统的厂家不断研制新型的控制系统，来满足深水钻井的需要。根据不同的应用场合可将水下防喷器组的控制系统划分成

1、直接液压控制系统

2、先导液压控制系统

3、单路电液控制系统

4、多路电液控制系统

图10—10 水下防喷器组最低配置

图10—11 南海BY某井水下防喷器组配置

图10—12 南海LW某井水下防喷器组配置

图10—13 闭式液压控制系统

图10—14 先导液压控制系统

图10—15 单路电液控制系统

图10—16 多路电液控制系统

（六）水下防喷器组控制原理

与地面和浅水防喷器组相比，水下防喷器组的控制系统要复杂的多，由于API标准规定，水下闸板防喷器的关闭时间45s以内，环形防喷器60s以内，系统响应时间会受到水深的影响，此外液压元件的防水密封、防腐蚀等问题都是与地面上情况不同的，但是从原理上讲，水下防喷器组的液压控制原理与地面的没什么太大的区别：

当需要关闭防喷器时，首先由平台发出控制信号，控制信号通过控制管汇传到水下控制阀，当控制阀被打开之后，平台上的动力源或水下动力源便会将高压动力液导入到防喷器的关闭腔，从而将防喷器关闭。（常规水上、水下防喷器组性能比较见附录二）

第四节 深水防喷器组作业实例

SEADRILL 公司西方大力神平台（WEST HERCULES)在我国南海荔湾3-3-1井（水深1551米）下入水下防喷器组作业实例。

平台上水下防喷器组 由Cameron （卡麦隆公司）制造，包括Upper Annular （上环形防喷器）、LMRP （紧急解脱装置）、 Lower Annular （下环形防喷器）、 Blind Shear （全封剪切闸板）、Casing Shear （套管剪切闸板）、Upper Pipe Ram （上钻杆闸板）、 Middle Pipe Ram （中钻杆闸板）、 Lower Pipe Ram （下钻杆闸板）、Hydraulic Wellhead Connector （液压井口头连接头）。

防喷器控制系统包括3个控制面板（司钻房、中央控制室、水下工作间）、84个地面储能瓶、10水下储能瓶、蓝盒（6条电缆）、黄盒（6条电缆） 、供液盒（补充控制液能量）、乙二醇（通过ROV 注入）等。

表10—1水下防喷器组组成和控制管线参数

2010年3月8日平台开始进行水下防喷器组作业，首先下入了两根隔水管，然后将防喷器组送至转盘下方，连接好隔水管和防喷器组，接着安装隔水管试压5000 psi / 34474 kPa

3.5 in Hydraulic Supply 5000 psi / 34474 kPa

4.0 in

Booster Line 10000 psi / 68950 kPa 4.5 in Kill&Choke Line 1833 psi (collapse) 19.25 in Marine Riser Pressure Rating ID Item 10000 psi / 68950 kPa 3-1/2 in x 7-5/8 in VBR Bi-Dir Lower Pipe Ram 10000 psi / 68950 kPa 5-7/8 in Fixed Middle Pipe Ram 10000 psi / 68950 kPa 3-1/2 in x 7-5/8 in VBR Upper Pipe Ram N/A 5-7/8 in DP, 13-3/8 in csg Super Shear 10000 psi / 68950 kPa Up to 5-7/8 in drill-pipe Blind/Shear 7500 psi / 51711 kPa Variable Lower Annular 10000 psi / 68950 kPa / LMRP 7500 psi / 51711 kPa Variable Upper Annular Pressure test schedule Size Equipment

接头，分别对Kill&Choke、Booster、Conduit管线进行试压，200psi/L@5min，10000psi/H@5min。试压结束后根据隔水管配置表继续下入隔水管，并且同步安装好附属管线。在下入和安装隔水管和防喷器组的过程总共要进行多次压力测试：BOP和隔水管连接完成、隔水管下入一半海水深度、BOP坐入高压井口头之前和之后。以检验各部件之间是否连接完好紧密。

10000psiH/5min@C&K200psiL/5min@C&K

5000psiH/5min@Booster Line，

200psiL/5min@Booster Line，

5000psi/5min@Conduit

3月10日隔水管和防喷器组下入完成，总计下入66根隔水管。然后将平台移至海底井口正上方(之前平台偏离井口20米，以防在下入隔水管和防喷器组的时候掉下物体砸坏海底井口），接着将防喷器组坐入海底高压井口头。

防喷器组坐入海底井口头后，依次安装配长短节、球接头及转喷器，随后安装转喷器密封，下放转喷器坐到转盘下转喷器槽内，锁住转喷器，甩下转喷器送入工具及其他下隔水管工具。

在防喷器组坐入海底井口头的过程中ROV全程观察，实时传回海底录像。对接完成后，进行试压，检测防喷器组与井口头的连接密封性。