一種打壓膨脹式井下環空防噴器的設計研究

宋寶河

摘 要：隨著世界經濟的快速發展，社會對石油等能源需求急劇上升，因此，對石油的開采量逐年增加，隨著鉆井數量的增加，在鉆井過程中井噴事故時有發生，成為了鉆井過程中的重大安全隱患。防噴器是防止井噴的重要工具，但是井口防噴器須依靠操作人員的經驗和責任心才能防止井噴事故發生，具有很大的不穩定因素，為了能從源頭附近阻止井噴的發生，井下防噴器應運而生，井下防噴器是一種應用在井下，安裝在鉆桿之間，防止鉆井過程中發生井噴的井控工具。針對鉆井工藝的復雜性及井型、井段的適應性，設計了一種打壓膨脹式式井下環空防噴器，對設計結構、控制方式、工作原理進行了介紹。該打壓膨脹式井下環空防噴器結構簡單、可靠性高、反應迅速、操作簡易、適用于多種井型且可在全井段使用，應用前景廣闊。

關鍵詞：井噴；防噴器；打壓膨脹式井下防噴器；泥漿壓力脈沖通訊

Abstract： With the rapid development of the world economy， there is a sharp increase in demand for oil and other energy. Therefore， the oil exploration increases year by year. While the number of drilling increases， blowout accidents often happen in the process of drilling， which has become a major security risk in it. Bop is an important tool to prevent blowout， but it is very instable， because the avoidance of blowout accidents needs not only use of bop， but also experience and sense of responsibility of staff. Downhole blowout preventer emerges at a historic moment in order to avoid blowout accidents. It is a kind of well control tool which is applied downhole and installed between the drill pipe to prevent the blowout in the process of drilling. Designing a pressure-driven downhole annular blowout preventer aiming at the complexity of drilling process and the adaptability of well type， and has introduced the design structure， control method and working principle of it. This kind of pressure-driven downhole annular blowout preventer has simple structure， high reliability， fast reaction and simple operation. Its suitable for a variety of well type and can be used in the whole interval and has broad prospects in application.

Key words： Blowout； Blowout preventer； Downhole blowout preventer type of pressure； Mud pressure pulse communication

0 引言

石油天然氣是保障國民經濟持續發展、社會生活穩定和國家安全的重要戰略能源和戰略資源。隨著我國國民經濟的高速發展，對石油天然氣的需求逐年增加，鉆井的數量也隨之增加，對鉆井的安全也愈加重視，甚至采取一系列以犧牲鉆井效率來保證鉆井的安全的措施，但是依然不能避免井噴失控事故的發生。例如，2003年12月23日22時左右，東北氣礦羅家16H井發生天然氣井噴，大量硫化氫氣體噴涌而出，沿著高橋鎮、正壩鎮、麻柳鄉的峽谷地帶迅速蔓延，27日上午11時，川東北氣礦16H井噴成功實施壓井封堵。事故造成243人死亡、10175人不同程度中毒，10萬群眾被緊急疏散[1]。

因此，在鉆井過程中，采取有效措施進行油氣井壓力控制是鉆井安全的一個極其重要的環節。常用的防噴裝置可以分為井口防噴裝置和井下防噴裝置，井口防噴器是在操作人員發現井下發生劇烈井涌時通過開啟控制系統來完成防噴的功能[2]，這種方式必須依靠操作人員的經驗和責任心才能防止井噴事故發生。如果操作人員經驗不足或工作疏忽，未能及時發現井涌現象，就會造成嚴重事故[3-4]。

現代鉆井工藝對井控 設備的要求已從單一的靜態指標轉為使用過程的動態性能，要求使用安全可靠、開關迅速靈活、多功能、耐高壓、結構輕便、環境適應性強[5]。

1 井下防噴器的研究現狀

國外生產防噴器的國家主要是美國、蘇聯等，其中美國的防噴器在數量和質量上居于領先地位[6]，主要有Cameron、Hydril和Shaffer三個公司[7]，現在國外防噴器產品主要有產品標準日趨嚴格、品種規格齊全、結構不斷創新，性能日趨完善的特點。

國內的防噴器產品相比美國還有很大的差距，但是近年來發展迅速，國內防噴器生產廠家主要集中在華北石油榮盛機械制造有限公司、寶雞石油機械廠、江蘇信得石油機械廠等[8]，產品包括環形防噴器、閘板防噴器、分流器、帶壓作業裝置等，已經初步實現了系列化、規?；痆9]。

整體來說，防噴器系統的發展經歷了三個技術發展階段，第一階段就是手動閘板防噴器；第二階段就是液壓閘板防噴器和環形防噴器的組合；第三階段仍為液壓操作防噴器，并且以高壓、大通徑和不斷完善的結構為主要特點[10]。

2 結構及其控制方式

2.1 井下防噴器結構

如圖6所示，這種打壓膨脹式井下環空防噴器，主要由上接頭、環空滑塊、外套筒、中心筒、電機、電池、電控面板、集線器、可壓縮滑塊、打壓滑塊、限位開關、單向閥、上膠筒座、膠筒、下膠筒座、下接頭組成；上接頭和下接頭外套于中心筒且與中心筒采用最為方便的螺紋連接，使得配合更為緊密；

上接頭開有環空滑槽，滑槽左端的通氣空可以減少環空滑塊滑動的阻力；環空滑塊啟閉動力采用功率損耗較小，傳動最直接絲桿螺母副傳動；動力部分采用的是空心杯電機，其轉子為空心杯轉子，左右兩邊都有空心軸，分別給環空滑塊和打壓滑塊提供動力；電機的外殼采用與固定筒一體化的方式，且上端伸出一段凸起內嵌于外套筒中；固定筒參與了電機定位，內嵌于外套筒的部分實現了電機的徑向定位，且將電池、控制模塊與電機隔開，防止受到惡劣環境的影響。

打壓滑塊的傳動方式也采用絲桿螺母副傳動的方式；將電機的旋轉運動改變為直線運動，推動打壓滑塊，將液體壓入膠筒，實現密封，并且能在壓井完成后能實現快速解封；打壓滑塊上的凸塊和外套筒的凹槽組成導軌，便于打壓滑塊的滑動，同時凸塊開有斜楔且可壓縮，組裝簡單方便。

打壓滑塊采用雙流道設計，打壓和卸載流道各不相同，上膠筒座上開有卸載通道，下膠筒座與銷釘組成限位裝置，防止膠筒位移過大。

打壓滑塊的位置和環空滑塊的位置是靠限位開關控制的，如圖7，限位開關位于打壓滑塊環空內，限位開關的數據傳輸線通過打壓滑塊的通孔與集線器相連，限位開關對應有四個信號發射器，分別為卸載位置、打壓起始位置、打壓最大行程、打開旁通；信號接收器接收到不同信號發射器的信號時控制系統采取相應的動作，實現密封、打開旁通、卸載的功能。

如圖8（a）所示，為環空滑塊處的剖面圖，滑塊滑塊開有凸起與外套筒上的凹槽相互配合，不僅為滑塊的滑動提供導軌，而且對其進行了徑向定位；如圖8（b）所示，為打壓滑塊處的剖面圖，打壓滑塊和環空滑塊之間裝有可壓縮滑塊，它和外套他筒的凹槽組成打壓膠筒的導軌。

2.2 控制方式

此打壓膨脹式井下環空防噴器采用泥漿壓力脈沖的通訊控制方法，主要包括地面控制中心、編碼器、脈沖轉換器、井下連續波脈沖發生器、防噴器信號處理器、譯碼器。

由于采用了泥漿壓力脈沖的通訊控制方式，地面控制中心發出控制命令，傳輸至編碼器，編碼器對控制命令按曼徹斯特編碼規則進行編碼處理，經過脈沖轉換器使其轉換成一個脈沖序列，該編碼序列驅動井下連續波脈沖發生器將電子脈沖序列轉換為泥漿壓力脈沖序列，經過防噴器信號處理器對信號進行數字濾波，傳輸至譯碼器，對脈沖序列進行譯碼，從而得到地面的控制命令，再由控制模塊實現對電機的控制。

3 工作原理

1.發現溢流時，地層高壓液體經過鉆頭進入鉆柱內向上流動，發現溢流，地面關井后，地層高壓液體通過鉆頭進入鉆柱內向上流動，使鉆頭附近的井下內防噴工具關閉，封堵鉆柱內通道。同時，井筒環空中的地層高壓流體通過井下防噴器下接頭，此時需要采取防噴措施；

2.由地面控制中心發出控制命令，傳輸至編碼器，編碼器對控制命令按曼徹斯特編碼規則進行編碼處理，經過脈沖轉換器使其轉換成一個脈沖序列，該編碼序列驅動井下連續波脈沖發生器將電子脈沖序列轉換為泥漿壓力脈沖序列，經過防噴器信號處理器對信號進行數字濾波，傳輸至譯碼器，對脈沖序列進行譯碼，從而得到地面的控制命令，再由控制模塊實現對電機的控制；

3.電機在電信號的控制下，通過絲桿螺母副傳動方式，當信號接收器接收到打壓起始位置信號發射器的信息時，電機推動打壓滑塊，打壓導流孔連通，液體從打壓倉通過單向閥進入膠筒，使膠筒膨脹實現密封，信號接收器接收到打壓最大行程信號發射器的信息時，完成打壓；

4.完成打壓后，打壓滑塊繼續右移開啟環空通道，形成新的循環通道，為后續壓井做準備；

5.需要解封時，重復步驟1、2，電機反向拖動打壓滑塊，到達卸載信號發射器的位置時，卸載通道連通，膠筒的打壓液體流回打壓倉，通過卸載導流孔流出，即可關閉環空通道和解封。

4 結論

1.該防噴器結構簡單，操作極為簡易，僅需在井口發出壓力脈沖命令，就可以實現打壓、開啟旁通、解封的動作；

2.該防噴器能夠確保鉆井過程安全、可靠，安全系數高，使用壽命長，坐封后有新的循環通道連通，有利于后續壓井作業；

3.該防噴器可以多次重復使用，適合于全井段和各種井型；

4.該防噴器可以迅速封井和解封，有效的防止井涌和井噴，且無需起出鉆柱進行防噴器更換，能夠重復使用，降低總成本，具有很高的可行性，適合推廣。

參考文獻

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[10]楊啟明，劉清友，楊旭文. 裝于鉆柱內在井下自動控制的井下防噴器[P]. 四川：CN101748984A，2010-06-23.