设备管理_井控设备基础知识课件

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 井控设备概述二 万能防喷器三 闸板防喷器四 控制系统装置五 防喷器选择六 防喷器连接规范 API连接七 防喷器的发展趋势 一 井控设备概述 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 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 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 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 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 BOP组连接形式 万能BOP 双闸板BOP 钻井四通阀门组 单闸板BOP 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 A R R A R R S 5000psi 35MPa 10000psi 70MPa 15000psi 105MPa 的井口 闸板防喷器 闸板防喷器产品特点 1 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 2 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 3 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 1 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 2 防喷器内部与井液接触部分抗硫化氢应力腐蚀 符合NACEMR0175规定 3 闸板的密封件储胶量大 密封可靠 4 剪切闸板的性能稳定 可剪切5 S 135钻杆 同时实现密封 14 21 35 70 105 MPa的工作压力 5 防喷器采用大直径液缸设计 液缸直径340mm 等 闸板防喷器打开侧门状态 环形防喷器 环形防喷器胶芯关闭示意图 环形防喷器产品特点一 FHZBOP环形防喷器的主要承压件壳体 顶盖等采用炉外精炼合金钢 严格控制材料的有害化学成分和非金属夹杂物 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 顶盖和壳体联结采用卡块式快装结构 使得胶芯密封更加快速便捷 采用锥形胶芯密封钻具 密封可靠 寿命长 防喷器内部与井液接触部分抗硫化氢应力腐蚀 符合NACEMR0175规定 环形防喷器产品特点二 顶盖与壳体之间采用更加便捷 可靠 安全的螺纹联结 胶芯与顶盖间增加可更换耐磨板 降低了的金属间的接触磨损 节约维修时间 降低了维修成本 活塞的加长设计使得活塞的运动能保持很好的平衡 更加稳定可靠 井口防喷器组 防喷器组结构图 从上到下 万能BOP双闸板BOP单闸板BOP钻井四通 6 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 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 1 关井动作迅速万能防喷器利用液压能够在30s以内实现关井 闸板防喷器利用液压能够在3 8s以内实现关井 2 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 液压防喷器的特点 3 安全可靠 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 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 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 闸板防喷器还可以手动操作关井 4 现场维修方便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后 在现场条件下可以及时进行拆换 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 按照国家石油天然气行业标准SY5052 84规定 防喷器的最大工作压力共分为5级 符合API规范 即 2000psi 140公斤 厘米2 14MPa 3000psi 210公斤 厘米2 21MPa 5000psi 350公斤 厘米2 35MPa 10000psi 700公斤 厘米2 70MPa 15000psi 1050公斤 厘米2 105MPa API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 5000psi 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 20M 9 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下垂直通孔直径 公称通径是防喷器的尺寸指标 SY5052 84中规定 防喷器的公称通径共分为9种 即 180mm 7 1 16 230mm 9 5 8 280mm 11 346mm 13 5 8 426mm 16 3 4 476mm 18 3 4 528mm 20 3 4 540mm 21 1 4 680mm 26 3 4 API按法兰通径尺寸可分为15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 中国防喷器的研制工作始于1964年 经过40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达40余种 通径从31 8in到30in 压力级别从3 5MPa到105MPa 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APISpec16A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 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 二 顶盖 球胶芯 液缸盖 活塞 壳体 法兰螺栓连接 2 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 4 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 10 100 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8 9和8 10 5 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 5 4 2MPa 500 600psi 6 万能防喷器类型 球形防喷器 锥形防喷器国外厂家 SHAFFER 雪夫尔 球形胶芯HYDRIL 海德里耳 锥形胶芯CAMERON 卡麦隆 组合胶芯国产万能BOP为 球形和锥形两种 SHAFFER球形胶芯万能BOP 2 开腔油口 关腔油口 球胶芯 壳体 楔形块连接 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 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 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 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 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 必须使用两个防喷器 而且相隔距离必须容纳钻杆接头 四 控制系统装置 节流压井管汇 四通 远控装置 远控装置 水下防喷器 五 防喷器选择 1 公称通径的选择 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 海上的探井井口常规配置 30 以上隔水管 表层套管 配备29 1 2 防喷器 分流器 20 套管 技术套管 配备21 1 2 防喷器 13 5 8 9 5 8 套管 技术套管 7 套管 油气层套管 配备13 5 8 防喷器 2 防喷器压力等级的选择 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 确保封井可靠 不致因耐压不够而导致井口失效 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 地层压力一半井深钻井液液柱压力对于探井 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 预计地层压力目前我国钻井平台配套的防喷器为10000psi 15000psi 3 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 剪切闸板 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 石油与天然气钻井井控技术规定 对于压力等级为2000psi 3000psi 14MPa 21MPa 的井口防喷器组有四种方案供选择 A S R S A S S S S 六 防喷器连接规范 API连接 1 API法兰连接规范 API连接 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API法兰连接分6B和6BX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 其额定工作压力有 2000psi 3000psi 5000psi 磅 英寸2 三个等级 6B型法兰配用R型或RX型密封垫圈 并可互换 2 6BX型法兰 有盲板 整体和焊颈式三种形式 其额定工作压力有2000psi 3000psi 5000psi 10000psi 15000psi 20000psi六个等级 6BX型法兰配用BX型密封垫环 连接示意图 2 密封垫环 钢圈 API标准中规定 6B型法兰使用R型或RX型钢圈 并可互换 6BX型法兰使用BX型钢圈 且不能与R型或RX型互换使用 对卡箍型连接只能用RX型钢圈 法兰环槽用深环槽 RX型和BX型钢圈具有压力增强密封 助封 作用 压力越高 密封越可靠 R型和RX型钢圈允许重复使用 BX型钢圈API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的有限量的间隙 无法形成有效密封 3 部分API法兰 钢圈 螺栓对照表 压力等级 尺寸 螺栓数量 螺栓规格 直径 长度 钢圈型号 法兰规格 4 API推荐6BX型法兰螺栓拧紧扭矩 七 防喷器的发展趋势 随着油气勘探开发的深入 深井超深井钻采越来越多 严酷的井下工况对防喷器性能提出更严格的要求 为满足现代石油钻采的需求 防喷器有以下几方面的发展趋势 1 防喷器品种规格多样化 用于陆上深井和海洋井的防喷器向通径全系列 超高压发展 而井下作业用的防喷器则力求轻型化 模块化 2 防喷器操作的简单性 维修的方便快速性 自动化控制结构是当今的研究热点 自动锁紧闸板结构 自动开关侧门结构 自动更换闸板结构 快速连接结构等正在发展中 3 井下作业用闸板向多功能发展 有用于强行起下油管且寿命厂的防磨镶嵌式