一種打壓膨脹式井下環(huán)空防噴器的設(shè)計(jì)研究

宋寶河

摘 要：隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會(huì)對(duì)石油等能源需求急劇上升，因此，對(duì)石油的開采量逐年增加，隨著鉆井?dāng)?shù)量的增加，在鉆井過程中井噴事故時(shí)有發(fā)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(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心才能防止井噴事故發(fā)生，具有很大的不穩(wěn)定因素，為了能從源頭附近阻止井噴的發(fā)生，井下防噴器應(yīng)運(yùn)而生，井下防噴器是一種應(yīng)用在井下，安裝在鉆桿之間，防止鉆井過程中發(fā)生井噴的井控工具。針對(duì)鉆井工藝的復(fù)雜性及井型、井段的適應(yīng)性，設(shè)計(jì)了一種打壓膨脹式式井下環(huán)空防噴器，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、控制方式、工作原理進(jìn)行了介紹。該打壓膨脹式井下環(huán)空防噴器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、反應(yīng)迅速、操作簡(jiǎn)易、適用于多種井型且可在全井段使用，應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)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(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、社會(huì)生活穩(wěn)定和國(guó)家安全的重要戰(zhàn)略能源和戰(zhàn)略資源。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)石油天然氣的需求逐年增加，鉆井的數(shù)量也隨之增加，對(duì)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(fā)生。例如，2003年12月23日22時(shí)左右，東北氣礦羅家16H井發(fā)生天然氣井噴，大量硫化氫氣體噴涌而出，沿著高橋鎮(zhèn)、正壩鎮(zhèn)、麻柳鄉(xiāng)的峽谷地帶迅速蔓延，27日上午11時(shí)，川東北氣礦16H井噴成功實(shí)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(jìn)行油氣井壓力控制是鉆井安全的一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)。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(fā)現(xiàn)井下發(fā)生劇烈井涌時(shí)通過開啟控制系統(tǒng)來完成防噴的功能[2]，這種方式必須依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心才能防止井噴事故發(fā)生。如果操作人員經(jīng)驗(yàn)不足或工作疏忽，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)井涌現(xiàn)象，就會(huì)造成嚴(yán)重事故[3-4]。

現(xiàn)代鉆井工藝對(duì)井控 設(shè)備的要求已從單一的靜態(tài)指標(biāo)轉(zhuǎn)為使用過程的動(dòng)態(tài)性能，要求使用安全可靠、開關(guān)迅速靈活、多功能、耐高壓、結(jié)構(gòu)輕便、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)[5]。

1 井下防噴器的研究現(xiàn)狀

國(guó)外生產(chǎn)防噴器的國(guó)家主要是美國(guó)、蘇聯(lián)等，其中美國(guó)的防噴器在數(shù)量和質(zhì)量上居于領(lǐng)先地位[6]，主要有Cameron、Hydril和Shaffer三個(gè)公司[7]，現(xiàn)在國(guó)外防噴器產(chǎn)品主要有產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格、品種規(guī)格齊全、結(jié)構(gòu)不斷創(chuàng)新，性能日趨完善的特點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)的防噴器產(chǎn)品相比美國(guó)還有很大的差距，但是近年來發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)防噴器生產(chǎn)廠家主要集中在華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司、寶雞石油機(jī)械廠、江蘇信得石油機(jī)械廠等[8]，產(chǎn)品包括環(huán)形防噴器、閘板防噴器、分流器、帶壓作業(yè)裝置等，已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了系列化、規(guī)模化[9]。

整體來說，防噴器系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)技術(shù)發(fā)展階段，第一階段就是手動(dòng)閘板防噴器；第二階段就是液壓閘板防噴器和環(huán)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(jié)構(gòu)為主要特點(diǎn)[10]。

2 結(jié)構(gòu)及其控制方式

2.1 井下防噴器結(jié)構(gòu)

如圖6所示，這種打壓膨脹式井下環(huán)空防噴器，主要由上接頭、環(huán)空滑塊、外套筒、中心筒、電機(jī)、電池、電控面板、集線器、可壓縮滑塊、打壓滑塊、限位開關(guān)、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(huán)空滑槽，滑槽左端的通氣空可以減少環(huán)空滑塊滑動(dòng)的阻力；環(huán)空滑塊啟閉動(dòng)力采用功率損耗較小，傳動(dòng)最直接絲桿螺母副傳動(dòng)；動(dòng)力部分采用的是空心杯電機(jī)，其轉(zhuǎn)子為空心杯轉(zhuǎn)子，左右兩邊都有空心軸，分別給環(huán)空滑塊和打壓滑塊提供動(dòng)力；電機(jī)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(nèi)嵌于外套筒中；固定筒參與了電機(jī)定位，內(nèi)嵌于外套筒的部分實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的徑向定位，且將電池、控制模塊與電機(jī)隔開，防止受到惡劣環(huán)境的影響。

打壓滑塊的傳動(dòng)方式也采用絲桿螺母副傳動(dòng)的方式；將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)打壓滑塊，將液體壓入膠筒，實(shí)現(xiàn)密封，并且能在壓井完成后能實(shí)現(xiàn)快速解封；打壓滑塊上的凸塊和外套筒的凹槽組成導(dǎo)軌，便于打壓滑塊的滑動(dòng)，同時(shí)凸塊開有斜楔且可壓縮，組裝簡(jiǎn)單方便。

打壓滑塊采用雙流道設(shè)計(jì)，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(huán)空滑塊的位置是靠限位開關(guān)控制的，如圖7，限位開關(guān)位于打壓滑塊環(huán)空內(nèi)，限位開關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸線通過打壓滑塊的通孔與集線器相連，限位開關(guān)對(duì)應(yīng)有四個(gè)信號(hào)發(fā)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(hào)接收器接收到不同信號(hào)發(fā)射器的信號(hào)時(shí)控制系統(tǒng)采取相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)密封、打開旁通、卸載的功能。

如圖8（a）所示，為環(huán)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(dòng)提供導(dǎo)軌，而且對(duì)其進(jìn)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(huán)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(dǎo)軌。

2.2 控制方式

此打壓膨脹式井下環(huán)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(zhuǎn)換器、井下連續(xù)波脈沖發(fā)生器、防噴器信號(hào)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(fā)出控制命令，傳輸至編碼器，編碼器對(duì)控制命令按曼徹斯特編碼規(guī)則進(jìn)行編碼處理，經(jīng)過脈沖轉(zhuǎn)換器使其轉(zhuǎn)換成一個(gè)脈沖序列，該編碼序列驅(qū)動(dòng)井下連續(xù)波脈沖發(fā)生器將電子脈沖序列轉(zhuǎn)換為泥漿壓力脈沖序列，經(jīng)過防噴器信號(hào)處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，傳輸至譯碼器，對(duì)脈沖序列進(jìn)行譯碼，從而得到地面的控制命令，再由控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。

3 工作原理

1.發(fā)現(xiàn)溢流時(shí)，地層高壓液體經(jīng)過鉆頭進(jìn)入鉆柱內(nèi)向上流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)溢流，地面關(guān)井后，地層高壓液體通過鉆頭進(jìn)入鉆柱內(nèi)向上流動(dòng)，使鉆頭附近的井下內(nèi)防噴工具關(guān)閉，封堵鉆柱內(nèi)通道。同時(shí)，井筒環(huán)空中的地層高壓流體通過井下防噴器下接頭，此時(shí)需要采取防噴措施；

2.由地面控制中心發(fā)出控制命令，傳輸至編碼器，編碼器對(duì)控制命令按曼徹斯特編碼規(guī)則進(jìn)行編碼處理，經(jīng)過脈沖轉(zhuǎn)換器使其轉(zhuǎn)換成一個(gè)脈沖序列，該編碼序列驅(qū)動(dòng)井下連續(xù)波脈沖發(fā)生器將電子脈沖序列轉(zhuǎn)換為泥漿壓力脈沖序列，經(jīng)過防噴器信號(hào)處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，傳輸至譯碼器，對(duì)脈沖序列進(jìn)行譯碼，從而得到地面的控制命令，再由控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制；

3.電機(jī)在電信號(hào)的控制下，通過絲桿螺母副傳動(dòng)方式，當(dāng)信號(hào)接收器接收到打壓起始位置信號(hào)發(fā)射器的信息時(shí)，電機(jī)推動(dòng)打壓滑塊，打壓導(dǎo)流孔連通，液體從打壓倉(cāng)通過單向閥進(jìn)入膠筒，使膠筒膨脹實(shí)現(xiàn)密封，信號(hào)接收器接收到打壓最大行程信號(hào)發(fā)射器的信息時(shí)，完成打壓；

4.完成打壓后，打壓滑塊繼續(xù)右移開啟環(huán)空通道，形成新的循環(huán)通道，為后續(xù)壓井做準(zhǔn)備；

5.需要解封時(shí)，重復(fù)步驟1、2，電機(jī)反向拖動(dòng)打壓滑塊，到達(dá)卸載信號(hào)發(fā)射器的位置時(shí)，卸載通道連通，膠筒的打壓液體流回打壓倉(cāng)，通過卸載導(dǎo)流孔流出，即可關(guān)閉環(huán)空通道和解封。

4 結(jié)論

1.該防噴器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作極為簡(jiǎn)易，僅需在井口發(fā)出壓力脈沖命令，就可以實(shí)現(xiàn)打壓、開啟旁通、解封的動(dòng)作；

2.該防噴器能夠確保鉆井過程安全、可靠，安全系數(shù)高，使用壽命長(zhǎng)，坐封后有新的循環(huán)通道連通，有利于后續(xù)壓井作業(yè)；

3.該防噴器可以多次重復(fù)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(jìn)行防噴器更換，能夠重復(fù)使用，降低總成本，具有很高的可行性，適合推廣。

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