一种打压膨胀式井下环空防喷器的设计研究

宋宝河

摘 要：随着世界经济的快速发展，社会对石油等能源需求急剧上升，因此，对石油的开采量逐年增加，随着钻井数量的增加，在钻井过程中井喷事故时有发生，成为了钻井过程中的重大安全隐患。防喷器是防止井喷的重要工具，但是井口防喷器须依靠操作人员的经验和责任心才能防止井喷事故发生，具有很大的不稳定因素，为了能从源头附近阻止井喷的发生，井下防喷器应运而生，井下防喷器是一种应用在井下，安装在钻杆之间，防止钻井过程中发生井喷的井控工具。针对钻井工艺的复杂性及井型、井段的适应性，设计了一种打压膨胀式式井下环空防喷器，对设计结构、控制方式、工作原理进行了介绍。该打压膨胀式井下环空防喷器结构简单、可靠性高、反应迅速、操作简易、适用于多种井型且可在全井段使用，应用前景广阔。

关键词：井喷；防喷器；打压膨胀式井下防喷器；泥浆压力脉冲通讯

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

石油天然气是保障国民经济持续发展、社会生活稳定和国家安全的重要战略能源和战略资源。随着我国国民经济的高速发展，对石油天然气的需求逐年增加，钻井的数量也随之增加，对钻井的安全也愈加重视，甚至采取一系列以牺牲钻井效率来保证钻井的安全的措施，但是依然不能避免井喷失控事故的发生。例如，2003年12月23日22时左右，东北气矿罗家16H井发生天然气井喷，大量硫化氢气体喷涌而出，沿着高桥镇、正坝镇、麻柳乡的峡谷地带迅速蔓延，27日上午11时，川东北气矿16H井喷成功实施压井封堵。事故造成243人死亡、10175人不同程度中毒，10万群众被紧急疏散[1]。

因此，在钻井过程中，采取有效措施进行油气井压力控制是钻井安全的一个极其重要的环节。常用的防喷装置可以分为井口防喷装置和井下防喷装置，井口防喷器是在操作人员发现井下发生剧烈井涌时通过开启控制系统来完成防喷的功能[2]，这种方式必须依靠操作人员的经验和责任心才能防止井喷事故发生。如果操作人员经验不足或工作疏忽，未能及时发现井涌现象，就会造成严重事故[3-4]。

现代钻井工艺对井控 设备的要求已从单一的静态指标转为使用过程的动态性能，要求使用安全可靠、开关迅速灵活、多功能、耐高压、结构轻便、环境适应性强[5]。

1 井下防噴器的研究现状

国外生产防喷器的国家主要是美国、苏联等，其中美国的防喷器在数量和质量上居于领先地位[6]，主要有Cameron、Hydril和Shaffer三个公司[7]，现在国外防喷器产品主要有产品标准日趋严格、品种规格齐全、结构不断创新，性能日趋完善的特点。

国内的防喷器产品相比美国还有很大的差距，但是近年来发展迅速，国内防喷器生产厂家主要集中在华北石油荣盛机械制造有限公司、宝鸡石油机械厂、江苏信得石油机械厂等[8]，产品包括环形防喷器、闸板防喷器、分流器、带压作业装置等，已经初步实现了系列化、规模化[9]。

整体来说，防喷器系统的发展经历了三个技术发展阶段，第一阶段就是手动闸板防喷器；第二阶段就是液压闸板防喷器和环形防喷器的组合；第三阶段仍为液压操作防喷器，并且以高压、大通径和不断完善的结构为主要特点[10]。

2 结构及其控制方式

2.1 井下防喷器结构

如图6所示，这种打压膨脹式井下环空防喷器，主要由上接头、环空滑块、外套筒、中心筒、电机、电池、电控面板、集线器、可压缩滑块、打压滑块、限位开关、单向阀、上胶筒座、胶筒、下胶筒座、下接头组成；上接头和下接头外套于中心筒且与中心筒采用最为方便的螺纹连接，使得配合更为紧密；

上接头开有环空滑槽，滑槽左端的通气空可以减少环空滑块滑动的阻力；环空滑块启闭动力采用功率损耗较小，传动最直接丝杆螺母副传动；动力部分采用的是空心杯电机，其转子为空心杯转子，左右两边都有空心轴，分别给环空滑块和打压滑块提供动力；电机的外壳采用与固定筒一体化的方式，且上端伸出一段凸起内嵌于外套筒中；固定筒参与了电机定位，内嵌于外套筒的部分实现了电机的径向定位，且将电池、控制模块与电机隔开，防止受到恶劣环境的影响。

打压滑块的传动方式也采用丝杆螺母副传动的方式；将电机的旋转运动改变为直线运动，推动打压滑块，将液体压入胶筒，实现密封，并且能在压井完成后能实现快速解封；打压滑块上的凸块和外套筒的凹槽组成导轨，便于打压滑块的滑动，同时凸块开有斜楔且可压缩，组装简单方便。

打压滑块采用双流道设计，打压和卸载流道各不相同，上胶筒座上开有卸载通道，下胶筒座与销钉组成限位装置，防止胶筒位移过大。

打压滑块的位置和环空滑块的位置是靠限位开关控制的，如图7，限位开关位于打压滑块环空内，限位开关的数据传输线通过打压滑块的通孔与集线器相连，限位开关对应有四个信号发射器，分别为卸载位置、打压起始位置、打压最大行程、打开旁通；信号接收器接收到不同信号发射器的信号时控制系统采取相应的动作，实现密封、打开旁通、卸载的功能。

如图8（a）所示，为环空滑块处的剖面图，滑块滑块开有凸起与外套筒上的凹槽相互配合，不仅为滑块的滑动提供导轨，而且对其进行了径向定位；如图8（b）所示，为打压滑块处的剖面图，打压滑块和环空滑块之间装有可压缩滑块，它和外套他筒的凹槽组成打压胶筒的导轨。

2.2 控制方式

此打压膨胀式井下环空防喷器采用泥浆压力脉冲的通讯控制方法，主要包括地面控制中心、编码器、脉冲转换器、井下连续波脉冲发生器、防喷器信号处理器、译码器。

由于采用了泥浆压力脉冲的通讯控制方式，地面控制中心发出控制命令，传输至编码器，编码器对控制命令按曼彻斯特编码规则进行编码处理，经过脉冲转换器使其转换成一个脉冲序列，该编码序列驱动井下连续波脉冲发生器将电子脉冲序列转换为泥浆压力脉冲序列，经过防喷器信号处理器对信号进行数字滤波，传输至译码器，对脉冲序列进行译码，从而得到地面的控制命令，再由控制模块实现对电机的控制。

3 工作原理

1.发现溢流时，地层高压液体经过钻头进入钻柱内向上流动，发现溢流，地面关井后，地层高压液体通过钻头进入钻柱内向上流动，使钻头附近的井下内防喷工具关闭，封堵钻柱内通道。同时，井筒环空中的地层高压流体通过井下防喷器下接头，此时需要采取防喷措施；

2.由地面控制中心发出控制命令，传输至编码器，编码器对控制命令按曼彻斯特编码规则进行编码处理，经过脉冲转换器使其转换成一个脉冲序列，该编码序列驱动井下连续波脉冲发生器将电子脉冲序列转换为泥浆压力脉冲序列，经过防喷器信号处理器对信号进行数字滤波，传输至译码器，对脉冲序列进行译码，从而得到地面的控制命令，再由控制模块实现对电机的控制；

3.电机在电信号的控制下，通过丝杆螺母副传动方式，当信号接收器接收到打压起始位置信号发射器的信息时，电机推动打压滑块，打压导流孔连通，液体从打压仓通过单向阀进入胶筒，使胶筒膨胀实现密封，信号接收器接收到打压最大行程信号发射器的信息时，完成打压；

4.完成打压后，打压滑块继续右移开启环空通道，形成新的循环通道，为后续压井做准备；

5.需要解封时，重复步骤1、2，电机反向拖动打压滑块，到达卸载信号发射器的位置时，卸载通道连通，胶筒的打压液体流回打压仓，通过卸载导流孔流出，即可关闭环空通道和解封。

4 结论

1.该防喷器结构简单，操作极为简易，仅需在井口发出压力脉冲命令，就可以实现打压、开启旁通、解封的动作；

2.该防喷器能够确保钻井过程安全、可靠，安全系数高，使用寿命长，坐封后有新的循环通道连通，有利于后续压井作业；

3.该防喷器可以多次重复使用，适合于全井段和各种井型；

4.该防喷器可以迅速封井和解封，有效的防止井涌和井喷，且无需起出钻柱进行防喷器更换，能够重复使用，降低总成本，具有很高的可行性，适合推广。

参考文献

[1]谢传欣，叶从胜，黄飞. 国内外井喷事故回顾[J]. 安全、健康和环境，2004，02：9-19.

[2]杜丙国. 多功能修井防喷器[J]. 油气田地面工程，2010，12：108-109.

[3]肖晓华，杜利，李红伟，等. 井下防喷器的现状分析与研究[J]. 内蒙古石油化工，2010，14：1-3.

[4]王富涛，邓鹏. 液压防喷器试压控制系统的设计与改进[J]. 液压与气动，2006，03：41-42.

[5]杨启明，罗雷雨，雷建，等. FPQ-178型钻柱内井下防喷器的设计研究[J]. 石油和化工设备，2012，03：10-12.

[6]Ohta Keiji. INK RIBBON CASSETTE， INK RIBBON CARTRIDGE， PRINTING DEVICE AND CONTROL METHOD FOR PRINTING DEVICE[P]. ：US2015283834，2015-10-08.

[7]NIEUWSTAD RONALD L （NO）. Down-hole blow-out preventers[P]. ：US4712613，1987-12-15.

[8]金池，周晓来. 国外井下防喷器的研究现状[J]. 内蒙古石油化工，2011，04：34-35.

[9]王国荣，刘清友，杜利，等. 提升阀式井下内外一体式防喷器[P]. 四川：CN101718181A，2010-06-02.

[10]杨启明，刘清友，杨旭文. 装于钻柱内在井下自动控制的井下防喷器[P]. 四川：CN101748984A，2010-06-23.