环形防喷器

环形防喷器0 简介环形防喷器（英文：Annular Blowout Preventer）通常是装有闸板式防喷器的大型闸门，运作时会在管柱和井筒之间形成一个密封的环形空间，在井内装有管柱的情况下，也能单独完成封井，但是使用几次就不行了，并且不允许长期关井使用。

防喷器的主要作用就是进行封井，当井为空井时，可封整个井口（也叫封零）；当井不为空井时,可封环形空间（也叫封环空），其是利用一种尺寸的胶芯，封各种不同尺寸的环形空间。

另外，环形防喷器的重要作用还有在封井的情况下向井里下入钻具（也叫强行起下钻），但要求必须要有减压调压阀或缓冲储能器的配合，并且使用的钻具必须有18°坡度的对焊钻杆接头。

1 研究现状1.1防喷器研究现状和问题经过几十年的发展，防喷器的体积和质量不断减小，材料性能不断提高，结构功能不断完善，逐渐适应新的井控要求。

但其作为钻井作业中的一个重要设备，为避免出现事故，对它的研究和试验需要非常小心谨慎，而这也正制约了防喷器的发展，目前防喷器设计仍然遵循原始的闸板防喷器的基本原理。

我国在防喷器设计上虽然取得了一系列成果，但同国外相比发展仍较缓慢。

1.2.1国外研究现状国外的防喷器设计研究经历了三个阶段80多年的发展历史，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，目前已经具有多种规格的系列化产品。

美国在防喷器研究、设计、制造等方面都占据领先地位，其生产的防喷器已能满足从陆上到海洋等各种环境工况的要求。

为满足井控设备设计规范化的需要，美国在1986、1999和2004年分别发布了APISpec16A《钻通设备》第一版、第二版和第三版，对防喷器的材料、设计制造、试验检测和质量控制等方面提出了更为详细而严格的要求。

美国生产的防喷器通径从65mm到762mm，压力等级从3.45MPa到172.SMpa，品种规格己超出了APISpec16A规范覆盖的范围。

其中，著名厂家有美国的Cameron、Hydril、shaffer(verco)三大公司，能够制造压力3.5(SOOpsi)一IOSMpa(1500Opsi)、通径lsomm 一54omm的陆上及水下用防喷器。

Cameron公司的闸板防喷器、Hydril公司的整体水下防喷器、Shaffer公司的环形防喷器，成为国外钻井公司的首选。

Cameron公司的闸板防喷器多为锻件，体积小、重量轻、拆装方便省力;Shaffer公司的环形防喷器为球形胶芯，储胶量大、高度低、密封可靠，其生产的水下防喷器，可由机械手自动更换闸板;脚dril公司生产的水下防喷器为整体式，高度低、密封安全可靠。

国外对于旋转防喷器的研究越来越成熟，品种类型较多，主要厂家有美国WilliamS公司、Sea一tech公司、Varco公司以及加拿大高山公司等。

其中，美国WilliamS公司的7000型和7100型旋转防喷器使用了2个环形胶芯，提高了密封的可靠性，属高压旋转防喷器，用于井口回压较高的欠平衡钻井。

Varco公司的Shaffer高压型及Sea一tech公司与加拿大高山公司的旋转防喷器也属于高压旋转防喷器;而WilliamS公司普通型、Varco公司的Shaffer低压型则属于低压旋转防喷器，主要用于井口回压较低的充气钻井和泡沫钻井等。

国外几大厂家在设计、制造、检测等技术上具有强大的优势，其生产的防喷器关键部件在结构、材料等方面也不断更新改善并取得突破进展，设计的剪切闸板能够剪切168.3mm 的S级钻杆;变径闸板的变径范围达到70mm以上;密封材料的工作温度最高达2300C，最低可达一59OC。

1.2.2国内研究现状从1964年以来，我国的防喷器生产研究工作不断进步，取得了一系列成果。

目前，国内防喷器生产主要集中在宝鸡石油机械厂、华北石油荣盛机械制造有限公司、江苏信得石油机械厂、上海申开等厂家，生产的产品包括闸板防喷器、环形防喷器、分流器、带压作业装置等，已经初步实现了系列化、规模化生产，生产的防喷器通径可从65mm到54Omm，压力级别从3.SMPa到105Mpa，基本满足了国内井控市场的需求。

设计制造方面，国内普遍采用CAD技术建造三维模型，对于壳体、闸板、胶芯等关键部件，采用ANSYS、MSC.Nastra等有限元分析软件进行模拟仿真，研究易损部位的破坏机理，取得了一定成果。

另外，通过改进制造工艺、引入先进的检测仪器如数字UT仪、声发射仪等，使防喷器质量和生产效率获得了有效提高。

国内在防喷器零部件结构改进和新材料的试验等方面也进行了研究，采用双v形剪切刃和先进热处理工艺，提高剪切闸板的剪切性能，采用合金工具钢和多相合金制造刀体，使其具有抗硫化氢性能;对防喷器接触钻井液的重要密封面，采用敷焊或涂镀耐磨合金等新工艺进行表面防护;改进闸板轴密封件结构，消除了井压对弹性挡圈的作用力;研究出适用于胶芯工况的耐水解聚胺脂，克服了普通聚胺脂易水解的缺点，并具有一定的抗硫化氢性能和低温性能。

与国外相比，国内防喷器生产还存在一定差距，表现在：(l)国内对大口径超高压防喷器的研制起步较晚，目前陆上用闸板防喷器最高压力虽已达到15000Psi，但通径只有135/8。

对于21/4、183/4的大通径闸板型防喷器，压力只达到Z000PSi，环形防喷器最高压力为I000OPSi。

(2)设计制造理论和技术相对落后，美国各防喷器生产公司广泛采用CAD技术，运用弹塑性力学和断裂力学理论进行非线性结构分析和优化设计，我国虽也采用CAD技术及有限元手段进行防喷器部分零件的结构分析和优化，但对于理论的研究不足，设计过程很大程度上仍然依靠经验和测绘模仿国外产品；加工工艺方面，国外生产的壳体广泛采用大型水压机锻造或厚钢板卷筒经埋弧自动焊成型，材料重量轻、质量好，主要零件采用刚度好、振动小、精度高的大型数控机床进行加工，承压稳定性好，而国内的主要承压件壳体等精炼钢毛坯铸锻造工艺还不够完善，在一定程度上影响了防喷器的安全稳定性；国内的关键密封件制造也受加工工艺的限制，寿命低，不能满足恶劣环境工况的密封要求。

(3)国内防喷器产品的功能不完善，对水下防喷器研究较少，目前还没有厂家能够制造水下防喷器;材料强度和耐高低温、耐腐蚀性能不足，不能满足海水、沙漠恶劣环境的要求，仍从国外高价进口镍、铬耐腐蚀不锈钢防喷器;陆地用闸板防喷器目前多为手动锁紧结构，机械化程度较低，不利于操作;防喷器配备的闸板以常规的管柱闸板为主，大范围变径闸板、高性能的承重闸板和剪切闸板仍处于试用阶段，性能不稳定，修井、测井用的防喷器的闸板更为单一，仅有普通管柱闸板和电缆闸板，旋转防喷器。

2 主要类型、结构和功能环形防喷器根据胶芯形状分类主要可以分为以下三种防喷器：锥型胶芯环形防喷器、球型胶芯环形防喷器、组合胶芯环形防喷器。

其结构主要由壳体、顶盖、胶芯及活塞四大件组成，当井内有钻具、油管或套管时，环形防喷器能用一种胶芯封闭各种不同尺寸的环形空间，当井内无钻具时，能全封闭井口；在进行钻井、取芯、测井等作业过程中，还能封闭方钻杆、取芯工具、电缆及钢丝等与井筒所形成的环行空间；在使用减压调压阀的情况下，能通过钻杆强行起下钻具。

两种类型的环形防喷器具有相似的工作原理：当发现井涌需要封井时，从控制系统输来的高压油从下油口进入活塞下部关闭腔推动活塞向上运动，球型胶芯沿球面向上运动，锥型胶芯则在顶盖的限制和活塞内锥面的挤压作用下向中心靠拢，紧缩、环抱钻具，实现密封钻具或全封井口;开井时，活塞下行，胶芯在本身弹力作用下复位将井口打开。

下面我在这里将具体介绍一下这三种环形防喷器：2.1锥型胶芯环形防喷器2.1.1组成锥型胶芯环形防喷器的主要结构包括：顶盖、壳体、油口、胶芯、支持筒、活塞。

2.1.2工作原理关井：液压油-----关闭腔-----活塞上行-----胶芯上行（在顶盖的限制下），胶芯向心收缩，封住井口。

开井：液压油----开启腔-----活塞下行----胶芯下行，活塞对胶芯挤压力消除，胶芯在自身弹力的作用下，恢复原状，把井打开。

2.1.3结构特点整体结构特点：胶芯活塞、井压助封、壳体与顶盖的连结、壳体的结构、密封等特点。

锥型胶芯的特点：胶芯形状为锥型、储胶量大、工作后自动恢复原状、更换胶芯容易。

活塞的特点：活塞密封部位间隙较大，扶正效果较好，上下运动使时不易出现偏磨或拉缸的现象，但高度较高。

2.2球型胶芯环形防喷器2.2.1组成球形胶芯环形防喷器的主要结构包括：顶盖、胶芯、防尘圈、活塞、壳体。

2.2.2工作原理关井：液压油进入油缸的关闭腔，推动活塞上行，胶芯也上行，在半球型顶盖的限制作用下，胶芯只能向心收缩，挤出橡胶，封住井口。

开井：液压油进入油缸的开启腔，推动活塞下行，胶芯也下行，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。

2.2.3结构特点胶芯的特点：球形胶芯、摩擦力小，开关所需油量较大、储胶量大、工作后自动恢复原状、漏斗效应、更换胶芯容易。

活塞的特点：活塞密封部位间隙较小，扶正效果较差，上下运动使时易出现偏磨或拉缸的现象，但高度较低。

2.3各芯型环形防喷器比较锥型胶芯球型胶芯组合胶芯结构复杂程度简单简单复杂胶芯封零效果好好初用时，效果差试几次后，效果好胶芯寿命寿命短寿命长寿命长现场更换胶芯的方法井内无钻具时,直接更换;有钻具时,用切井内无钻具时,直接更换;有钻具时,用切井内无钻具时,直接更换;有钻具时,无法3 发展趋势（1）加大通径为430mm～680mm大口径和压力超过105Mpa 的超高压防喷器的试制工作力度。

利用大型计算机对壳体等承压件进行三维有限元应力分析和非线形设计，用35000t大型水压机锻造成型，或采用炉外精炼法铸造，努力解决承压件毛坯铸锻工艺落后问题，避免材质内部出现缺陷。

对于环形壳体可采用厚钢板卷筒后焊接成型，承压件焊接采用埋弧自动焊。

对于防喷器的主要零件，采用刚度好、振动小、精度高的大型数控机床进行加工，进一步提高防喷器的承压稳定性能。

（2）用液压锁紧结构防喷器逐步代替手动锁紧防喷器。

设计增加专门的锁紧机构，当需要较长时间封井时，通过液压将钻具密封，然后依靠楔块自动锁紧。

这种结构形式进一步提高了机械化程度，适用范围将更加广泛。

（3）在生产闸板防喷器的剪切闸板时，可通过优化材料化学成分和改进热处理工艺等措施，提高材料抗H2S 性能。

还可以使用钴基多相合金UNSR3005 作为剪切闸板的剪切刃，将其焊接在由超耐热不锈钢UNSR66286 制成的闸板上，达到防H2S 目的。

（4）目前陆上许多油田进入开采后期，大多都以分层注水提高油层压力，增加油井产量。

但在注水作业时，地层的含油污水会从井口喷涌出来，不仅污染环境，而且给作业带来很大困难。