井控系统

220 第六部分 井控系统
第一节 概述
井控系统主要包括实施油气井压力控制技术的井口设备、专用工具和管汇。

井控系统必须能在钻进过程中对地层流体、钻井参数、井涌和井喷等进行准确和监测和预报，以便采取相应的工艺措施。

当发生井涌或井喷时，井控系统能快速控制井口、节制井筒流体的释放，并及时地泵入性能经调整的加重泥浆，恢复和重建井底压力平衡。

即使发生井喷失控乃至着火事故，井控系统也应具备有效处理事故的条件，并能进行不压井起下管柱等特殊作业。

井控系统应由以下几部分组成：
1．以液压防喷器为主体的井口系统；
2．以节流管汇为主的井控管汇；
3．钻具内防喷工具（包括钻具回压阀、方钻杆上、下旋塞等）
4．以监测和预报地层压力为主的井控仪器仪表；
5．泥浆净化、泥浆加重、起下钻自动灌泥浆等设备；
6．适于特殊作业和井喷失控后处理事故的专用设备和工具（包括自封头、不压井起下钻系统，灭火设备等）。

井控系统的组合根据地区、地下油气层压力不同而不同。

井控系统示意图如下，在本章中主要介绍防喷器、防喷器控制系统及井控管汇。

1.防喷器远程控制台
2.防喷器液压管线
3.防喷器管束
4.压井管汇
5.四通
6.套管头
7.方钻杆下旋塞
8.旁通阀
9.钻具止回阀10.手动阀11.液动闸阀12.套管压力表13.节流管汇14.放喷管汇15.泥浆气体分离器16.真空除气器17.泥浆池液面监测仪18.泥浆罐19.泥浆池液面监测装置传感器20.自动灌泥浆装置21.泥浆池液面报警器22.自灌装置报警箱23.节流管汇控制箱24.节流管汇控制管线25.压力传感器26.立管压力表27.防喷器司钻控制台28.方钻杆上旋塞29.溢流管30.万能防喷器31.双闸板防喷器32.单闸板防喷器
图6-1 井控系统组合示意图
第二节防喷器
防喷器是井控系统的重要组成部分，防喷器组合型式主要根据被控压力级别和作业工况要求来选择。

防喷器压力级别主要分为14MPa、21～35MPa、70～105MPa三种，所选择的防喷器组合应符合SY/T5964-94标准规定要求。

在本钻机的配置中，通常选用压力等级在21～35Mpa，双密封组合的防喷器。

及由一个钻井四通、两个单闸板防喷器（或一个双闸板防喷器），或者一个单闸板防喷器和一个万能防喷器组成。

这种组合型式在井中有无钻具时都能密闭油气井，并只适合于低压油气井。

防喷器产品代号由产品名称汉语拼音的首字母组成，详见下表：
型号表示方法
XXX XX ——XX
额定工作压力，MPa
通径代号
产品代号
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一、万能防喷器
万能防喷器也叫多效能防喷器,或环形防喷器.它具有承压高、密封可靠、操作方便、开关迅速等特点。

胶芯是万能防喷器的核心部件，按胶芯的结构形式可分为锥形胶芯万能防喷器、球形胶芯万能防喷器和组合胶芯万能防喷器三类。

万能防喷器必须配备液压控制系统才能使用。

它能完成以下作业：
⑴当井内有钻具、油管或套管时，能用一种胶芯封闭各种不同尺寸的环形空间；
⑵当井内无钻具时，能全封闭井口；
⑶在进行钻井、取心、测井等作业过程中发生井喷时，能封闭方钻杆、取心工具、电缆及钢丝绳等与井筒所形成的环形空间；
⑷在使用减压阀或缓冲储能器控制的情况下，能通过18°无细扣对焊钻杆接头，强行起下钻具。

工作原理及密封特点
万能防喷器尽管形式各不相同，但结构都比较简单，主要由壳体、顶盖、胶芯及活塞四大件组成。

工作原理
万能防喷器由液压控制系统操纵，关闭时高压油从壳体中部油口进入活塞下部关闭腔，推动活塞上行，活塞锥面挤压胶芯，由于顶盖的限制，胶芯不能上行，只能被挤向中心，储备在胶芯支承筋之间的橡胶因支承筋相互靠拢而被挤向井口中心，直至抱紧钻具或全封闭井口，实现其封井的目的。

当需要打开井口时，操纵液压控制系统换向阀，使高压油从壳体上油口进入活塞上部的开启腔，推动活塞下行，关闭腔油液泻压，作用在胶芯锥面上的挤压力消除，胶芯在本身弹性力作用下逐渐复位，打开井口。

万能胶芯的密封特点：
⑴适用范围广。

各类万能防喷器胶芯均有充裕的贮备橡胶，允许有很大变形，因此可以封闭不同形状、不同尺寸的管柱，直至完全封闭井口。

所需的液控压力随被封闭的管柱的尺寸增大而减小。

⑵井压助封。

胶芯建立起初始密封以后，作用在活塞下端面上的井内压力推动活塞更有力地挤压胶芯，胶芯抱得更紧实，提高了密封性能。

由于井压助封，万能防喷器所需的液控压力并不随工作压力等级的提高而加大。

⑶承压高，寿命长。

各种不同类型的胶芯都是由多块合金钢支承筋与橡胶硫化而成。

支承筋受活塞上推力，封闭以后，支承筋相互靠拢，上、下部位分别形成环状法兰，橡胶处于封闭受压状态，故能承受高压，而且在强行起下钻具通过18°接头时，橡胶也
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不会被挤出。

在通常情况下，胶芯只要损坏不十分严重，如有少量脱块、小裂缝，甚至切口等，胶芯仍能保持密封，无须更换。

万能防喷器按胶芯的结构形式可分为锥形胶芯万能防喷器、球形胶芯万能防喷器和组合胶芯万能防喷器。

1．形胶芯万能防喷器（图6-2）
锥形胶芯万能防喷器主要由壳体、支持筒、活塞、锥形胶芯、顶盖、螺栓、盖板、挡圈、上下油路接头等组成。

胶芯外侧呈圆锥形，锥面母线与胶芯轴线夹角为20-25度，胶芯由12-30块（偶数）铸钢支承筋与橡胶硫化而成。

支承筋沿圆环呈径向辐射状配置，橡胶硫化在支承筋
井省力，但比球形防喷器高约20%。

它的
主要特点如下：
1）封作用
封井时活塞在液控压力推动下向上
运动，推动胶芯。

胶芯向心收缩，支承筋
相互靠拢，支承筋之间的橡胶被挤向井
口，形成密封。

同时作用于活塞下端的井
内压力也推动活塞上行，使胶芯封闭得更
紧密，从而提高了胶芯的密封性能。

2）新型胶芯
GL型防喷器新型胶芯支承筋的上下
两端有矩形和三角形两种，间隔排列。

封
井时，方形支承先作向心运动，三角形支
图6-2 锥形胶芯万能防喷器
承而后锲入。

这种胶芯密封效果好。

GK型防喷器新型胶芯的支承筋的腹板是扭曲的，顶板中心线不在同一轴向平面内，而错开一相位，从而增加了橡胶与支承筋之间的粘接牢固度。

3）寿命可测
在工作过程中，胶芯不断磨损，需要靠增加活塞行程更多挤出储备橡胶予以补充，因此，可以通过测量活塞行程来测量胶芯的寿命。

测量方法：从顶盖侧孔处插入一测杆。

事先测量出活塞最大行程和最小行程。

封井时活塞杆上行一段距离，即活塞实际行程。

最大行程与最小行程之差即是胶芯的剩余寿命。

胶芯的安装与更换：胶芯的安装与更换有整体安装和切割安装法。

整体安装用于空井，只需打开盖，取出旧胶芯放上新胶芯，上好上盖即可。

切割安装法用于井内有钻具
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224 时，其操作方法是：将胶芯用刀切开一边，要求切口平整，然后将顶盖吊起，取出旧胶芯放上新胶芯，上好上盖即可。

2． 球形万能防喷器（图6-3）
1． 胶芯万能防喷器结构与特点
球形胶芯万能防喷器主要由壳体、活塞、球形胶芯、顶盖、螺栓、盖板、挡圈、上下油路接头等组成。

半球形胶芯由12-20块沿半球面呈辐射装配置的弓形支承筋与橡胶硫化而成，支 承筋用合金钢铸造。

它的主要特点如
下：
（1）适应性强；（2）不易翻胶，可承
受高压。

封井时，支承筋球面上顶板可阻止
橡胶上翻，故可承受较大井口压力；（3）
具有漏斗效果，即上部缩小值较大，下部较
小，顶部挤出橡胶最多。

适用与强行起下钻
作业；（4）储胶量大，寿命长；（5）需油
量大。

3． 组合胶芯万能防喷器
组合胶芯万能防喷器主要由
壳体、内胶套、外胶套、顶盖、
内油缸、外油缸、活塞推盘、螺
栓等组成。

组合胶芯万能防喷器在国内
还没有生产，在此不再多介绍，
若有需要，请参阅其它有关资料。

注意：用万能防喷器起下钻具，胶芯的寿命是关键，一个胶芯应至少能起（或下）
一趟钻具，避免中途更换胶芯。

除选择性能良好的胶芯，减压调压阀、缓冲储能器及合适的液控关闭压力外，在操作过程中尚须注意下列几点：
1．起下钻过程中，胶芯与钻杆之间允许有少量泄漏。

少量泄漏的钻井液可以润滑、冷却胶芯，提高胶芯寿命。

必要时，可在胶芯顶部加润滑液来润滑胶芯。

2．速度一定要慢,过接头时的速度要更慢。

图6-3 球形万能防喷器
图6-4 组合胶芯万能防喷器
225 图6-5 闸板防喷器结构图
3．万能防喷器一般用于控制井口溢流，不宜用于长期关井或非特殊情况下封闭空井。

二、闸板防喷器
闸板防喷器是防喷器中的一种结构形式，它可以配上控制系统单独使用，也可与环形防喷器组合使用。

闸板防喷器按壳体内闸板室数量可分为单闸板、双闸板、三闸板防喷器。

1．用途
闸板防喷器具体可以完成下列作业：
1） 封闭套管钻杆、套管或套管与油管间的环形空间。

2） 井内无管柱时，它可以全封闭井眼。

3） 可以与压井、节流管汇配合使用，进行钻井环节流放喷，压井作业。

4） 可由两台闸板防喷器配合完成带压起下钻作业。

5） 特殊情况下，可切断钻具（装有剪切板时）进行全封闭。

6）可以在密封状态下悬挂井内管柱重量。

2．工作原理
闸板防喷器主要由壳体、侧门、铰链总成、油缸总成、活塞、活塞杆、闸板总成、二次密封系统等组成。

1）开关动作原理
闸板的开、关往复运动是沿着壳体腔内导向筋限定的轨道上进行的。

闸板动作的能量来源于油缸中的液压能。

当液控系统的高压油进入左右油缸关闭腔时，推动活塞，闸
板轴，带动左、右两个闸板总成，同时向井口中心运动，实现关闭封井。

闸板开、闭的换向是由液控系统中的换向阀来实现的，一般在3-8秒内即可完成关井或开井。

当高压油进入左右油缸开启腔时，左右两个闸板总成分别向离开井口中心的方向移动，达到开井的目的。

2）闸板密封原理：
闸板胶芯为橡胶制品，其显著特点是受外力挤压后变形大，能均匀地贴在密封面上，阻止介质的流失，外力去掉可靠弹力自行复原。

防喷器要实现封井，需要有四处密封同时起作用才不会漏失。

这四处是闸板前部与管子之间的密封；壳体与侧门之间的密封；闸板轴与侧门之间的密封；闸板顶部与壳体之间的密封。

3）闸板浮动
闸板总成与壳体腔体有一定间隙，允许闸板在腔体内上下浮动。

当闸板退回到全开位置时，闸板顶部胶皮不与闸板腔顶部密封面接触。

在闸板关闭时，闸板室底部高的支承筋和顶部密封面均有渐缓的斜坡，能保证在达到密封位置之前，闸板与壳体间有充分的间隙。

实现密封时，闸板前部橡胶首先接触钻具，在活塞的推力下顶部密封也被挤向上突起，贴紧在闸板腔顶部的密封凸台面上，从而完成全部密封。

这种浮动特点，既保证了密封可靠减少橡胶磨损，延长了胶芯使用寿命，又减小了闸板移动时的摩擦阻力。

4）自动清砂、自动对中
闸板腔底部设计有朝向井眼中心的倾斜槽子，闸板放在高的支承筋上。

闸板在关闭时可自动清除砂子和淤泥，防止堵塞，减少闸板开关阻力。

在闸板的前端具有相互突出的导向块，可插入对面闸板的凹槽内，导向块斜面能迫使钻具在闸板过程中移向井眼中心，保证闸板与钻具间密封可靠。

3．结构特点
1）壳体
壳体具有垂直的中心通孔和容纳板体的水腔室。

闸板腔有方形和椭圆形两种结构，椭圆形用于高压力级别，以使闸板腔窗口拐角处应力集中最小。

主壳体为铸造成型，外部带有大圆弧过渡的浅筋结构。

这样既可减轻壳体的重量，又可增强壳体强度。

壳体的上下端连接形式有栽丝和法兰二种，端面加工有密封垫环槽，根据要求，还可提供堆焊不锈钢的抗腐蚀垫环槽，以便使用中不会由于锈蚀而影响密封。

闸板腔底部支承导轨和沉砂斜面，可以减少泥浆沉积，降低闸板运动的摩擦阻力。

由于高的支承导轨和沉砂斜面的存在，使井内带压油气流到闸板后面和底面，推挤闸板橡胶更加紧密地密封，起到井压助封作用。

壳体上还带有侧口，以便用户在必要时连接压井、节流管汇等。

由于利用此出口进行节流放喷作业将使壳体受到额外的冲蚀磨损，因此，建议除非必要，一般不要使用此
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出口，而应使用钻井四通的侧出口进行压井、节流、放喷等作业。

2）侧门：
闸板防喷器左、右各有一可旋转开启侧门，侧门通过铰链固定在壳体上，侧门采用平板结构，当侧门打开后，可以不用操作液压控制系统的手柄，即可拆装闸板，便利现场工作。

在侧门与壳体密封的端面安装有导向销，它与壳体上的导向孔配合可使侧门关闭时较好对中。

在侧门上还设有活塞杆的二次密封系统和观察孔。

3）铰链总成
铰链总成包括侧门铰链、液压铰链、承重铰链、铰链销及相应的密封圈等。

油路通过液压铰链从壳体传递到侧门上，而侧门重量由承重铰链承受，互不干扰，作用分离。

因此，检修油路，更换密封存圈等，不需要拆卸侧门，只需取下液压铰链即可。

在承重铰链内还装有圆锥滚子轴承，使侧门的开启十分轻便。

4）油缸总成
油缸总成由活塞、活塞杆、缸体、盖等组成。

筒式缸体由穿入其中的长双头螺栓固定在侧门与缸盖之间，连接至关闭腔的液压油路穿过缸体的壁厚，避免了在安装和运输中的损坏。

5）闸板总成
闸板总成主要由闸板体、密封半环、盖板等组成，闸板总成有两种结构形式：
⑴两面用闸板
闸板上、下对称，不会装错，当顶部胶皮密封面磨损较大时，可翻转使用另一面，延长胶芯使用寿命，闸板与盖板之间用螺钉连接，并允许相对移动，因此闸板具有浮动性，当闸板前密封皮抱住钻具后，在活塞或井内压力的作用下闸板体继续向前推动，闸板顶部橡胶挤压变形，增加了密封性能。

在闸板上带有钻具导向块，封井时可使钻具准确对中，对不同尺寸的钻具，只需更换橡胶密封半环和盖板，其余零件可通用互换。

⑵单面用闸板
这种结构的闸板上下为非对形式，胶芯采用前密封和顶密封分开的结构，整体式闸板钢芯使得闸板的组装十分简单方便。

顶密封和前密封可根据损坏情况单独更换。

这种闸板对不同尺寸钻具，不能只换橡胶密封件，而要全套更换。

6）手动锁紧系统
手动锁紧系统包括锁紧轴、闸板轴、手动杆、手轮等。

其作用有：
⑴液控失灵时，可用手动关闭闸板。

⑵当需要长期封井时，可用液压关闭闸板，再用手动机构锁紧闸板。

闸板锁紧后，油缸中的液压可卸掉。

7）二次密封系统
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根据不同工作压力可选用不同的组合型式，在SY/T5967—94标准中将35MPa和70MPa的标准节流管汇结构统一为一种形式。

二、压井管汇
压井管汇是由油气井压力控制设备中的一个组成部分，它的作用是当需要压井时可用泥浆泵或水泥车向钻柱内泵入压井液，实施压井作业。

它的一端与防喷器组合的侧孔相连，一端和钻井泵相连。

1．压井管汇型号表示方法
YG—XX
最大工作压力
压井管汇代号
第四节防喷设备控制系统工作原理及结构
防喷器控制系统是开关防喷器和液动放喷阀的系统。

它既要提供足够压力和排量的高压油，还要在平时把这种液压能储存起来，一旦需要，通过控制阀件把液压油准确迅速地输送给防喷器和液动放喷阀的液缸，从而达到开关目的。

主要由以下三部分组成:
一、远程控制台（又叫储能器系统）
它是控制系统的主要部分,主要由四部分组成:
1）油泵组。

通常包括电动泵、气动泵、和手动泵。

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230 2）储能器。

系统中常用球形储能器和瓶式（圆柱形）储能器。

3）管路及各种控制阀件。

系统中常用换向阀、安全阀、截止阀等。

3）橇座及油箱。

二、司钻控制台(又叫主控制盘)
安装在钻台上司钻工作位置附近，正常情况下，都是从这里控制防喷器，所以又叫控制盘。

三、联接管汇
用以将远程控制台。

司钻控制台、防喷器、液动放喷阀等部分联接起来，从而形成液路和气路，以实现对防喷器的控制。

系统基本工作原理如图6-8所示。

用泵将液压油打进储能器里储存，当需要关闭防喷器时，将控制阀手柄扳到关位，则高压油经管汇进入防喷器关闭液缸，推动活塞运动，使防喷器关闭；当需要打开防喷器时，将控制阀手柄扳到开位，于是高压油便进入开启油缸，推动活塞运动，使防喷器打开。

图6-8 防喷系统工作原理。