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1、井下防喷器设计研究目 录1 绪论11.1国内外现状11.2 井下防喷器研究的意义41.3设计方案41.4方案选择52 井下防喷器设计62.1设计要求62.2具体结构62.3井下防喷器工作原理63 井下防喷器结构设计计算83.1设计参数83.2材料选择93.3确定胶筒型号93.4内筒设计103.5中心管设计计算113.6外筒设计计算143.8剪切销钉设计173.8.1增压活塞剪切销钉设计173.8.2胶筒座剪切销钉设计173.9结构校核183.9.1内筒校核183.9.2外筒校核193.9.3增压活塞校核203.9.4中心管校核213.10螺钉选取254压力试验255安装维护265.1安装265
2、.2维护26参考文献267井下防喷器设计研究1 绪论1.1国内外现状在石油天然气勘探开发中,地层流体(油、气、水) 一旦失去控制, 就会导致井喷失控, 造成钻井设备损坏, 危及钻井人员安全、破坏油气资源、污染自然环境、导致油气井报废等严重后果。当一种包含高压流体的地下构造被刺穿时，流体的局部压力可能会完全超过位于它上面的泥浆的液压头或水压头。这样就会发生井涌并且最终导致来自于井环的钻井泥浆的井喷。防喷器作为及时发现和控制溢流，防止井喷，避免油气资源浪费，保护设备及人身安全的井控装置中的关键部件，对钻井、修井、试油等整个钻井工程作业过程中控制井口压力，防止井喷事故，起着非常重要的作用。因此，国内
3、外石油界对其给以高度重视。美国内政部地质调查局根据联邦法律的授权，制定了钻井承包商必须安装使用防喷器等井控装备一系列有关井控的法规，我国也很重视井控设备的研制与使用。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，即要求使用安全可靠、开关迅速灵活、多功能、耐高压、结构轻便、环境适应性强。防喷器系统经历了三个发展阶段：第一阶段为手动闸板防喷器；第二阶段为液压闸板防喷器和环形防喷器；第三阶段仍为液压防喷器，以高压、大通径、可变径和不断完善的结构为主要特征。现在国外正在开发完善第四代产品即井下防喷器。手动防喷器结构简单、成本低、耐压低。液压防喷器操作简单、较为安全可靠，是正在完
4、善与提高的一类井口防喷装置。但是目前仍然存在安全性较差的问题，特别是必须借助于操作人员的责任心来保证钻井工作的安全，在保证安全生产上 具有较大的不确定性。目前国内外井控防喷器的类型：（1）闸板防喷器 主要由壳体、闸板、油缸总成、铰链部分、二次密封装置、手控总成等组成。（2）环形防喷器 类型有锥形胶芯环形防喷器、球形胶芯环形防喷器、组合胶芯环形防喷器（3）旋转防喷器 它是欠平衡钻井专用井控设备（又称旋转放喷头，或旋转控制头），由底座、液压卡框、大直径高压密封组件、现场测试装置、高压动密封旋转轴承总成等组成。（4）钻具内防喷器装置 包括放钻杆上，下旋塞、放钻杆防护阀、钻具回压阀。欠平衡钻井技术是今
5、后发展的趋势, 意味着旋转控制头（RCH）的大力发展。国外防喷器经过八十几年的发展，目前已经发展成规格齐全、功能较完善的系列产品。目前，世界上生产井控设备的国家主要有：美国、原苏联、罗马尼亚等主要厂家有：美国的欧福尔(SHAFFER)公司、海德里（HYDRIL)公司 卡麦隆(CAMERON)公司、库麦(KOOMEY)公司、麦克沃衣(MCEVOY)公司、罗马尼亚的鲁耶什蒂“五一”厂等美国研制生产防喷器的时间最长，产品种类数量最多，技术上也处于领先地位，代表了当今世界的先进水平。美国有Cameron,Shaffer和Hydril三家公司生产防喷器。我国防喷器的研制开始于1974年，经过30多年的发
6、展，开始初步建立了自己的防喷器制造业。我国的防喷器在采用先进标准、光弹性应力分析、三维有限元计算、优化设计、新产品样机壳体进行应力应变电测及产品的互换性、可靠性等方面均有较大的发展和进步与国外产品在技术性能上的差距正日益缩小，在向国际先进制造技术靠拢，正在逐步形成标准系列化产品、规模化生产,基本满足适应了国内井控市场的需求。液压防喷器由“六五”期间的7种规格，15个品种，发展到现在的10种规格，23个品种。已研制成功了180，230，280，350，540M 5种通径，21，35，70Wd 3种压力等级的系列产品。已能满足我国陆地上深井、超深井、复杂井井控技术的配套需要。现阶段我国新研制酌防喷
7、器系列产品有：（1）门535防喷器组有单、双闸板防喷器和环形防喷器3个品种。该产品属改造型，比同类老产品(门5350)具有更优越的性能。（2）阳414单间板防喷器已研制成功并填补丁国内大通径防喷器产品的空白。在深井上部井段，下入4508m的套管并固井后即可安装这种防喷器及其与之配套的四通、底法羊等。（3）PJ2870单双闸板防喷器在设计“阶段经过三维有限元计算及光弹性应力分拆，使其结构内部的应力分布更趋合理。特别是与之配套的70MPa胶芯性能指标巳达到APll6A要求，保障了该产品在高压下的密封可靠性。（4）阳570间板防喷器的主要承压件，国内有银件(成都石油总机厂)、铸件(上海第一石油机械厂
8、、华北石袖管理局第二石油机械厂)两种形式，标志着我国已具备生产大通径、高压力防喷器的能力。同时装于FZ3535防喷器上的可变通径间板已经投入实际使用一副胶芯可封闭管柱的直径变化范围在2in以内，减少了现场更换胶芯次数。目前国产防喷器在种类、性能、技术含量等方面与国外产品主要存在以下四个方面的差距：（1） 大口径高压防喷器研制生产起步较晚，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。（2）胶芯易损坏，重复使用次数较低。（3）常用的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，工作效率较低。（4）闸板防喷器的剪切闸板可以在紧急情况下剪断 12
9、7mm 的钻杆，应用比较广泛，但是在抗硫化氢方面效果不够理想。（5）带压作业防喷器的生产技术水平不高。在防喷器的橡胶方面，如闸板防喷器的密封半环、环形防喷器的胶芯，在使用性能和寿命方面与国外同类产品有较大差距。美国的胶芯可以便用上千次国内的远远达不到美国有天然橡胶胶心，丁晴胶胶芯，氯丁胶胶芯不同的胶芯材料用于不同工作介质和环境温度，我国只有丁晴橡胶硫化的胶芯。目前，有关部门正组织科研院所和生产厂家，从橡胶配方和硫化工艺等方面进行攻关。随着现代石油钻采技术的发展，如深井、超深井、高压油气井及广泛采用的平衡钻井工艺的发展，特别是在为发现、解放、保护油气层而日益受到重视的欠平衡(负压)钻井中，井下压
10、力高而复杂，仅靠地面井控设备控制流体流动和井内压力会增大地下井喷的可能性，对井控设备的性能提出了更高的要求。由于目前各种型式及规格的防喷器已有能力在井口控制住井涌及井喷, 井下钻柱内防喷问题也基本解决, 但井下钻柱外的防喷问题国内外却没能得到有效解决。井下防喷器可能在控制钻柱内井涌和井喷的同时，控制井下钻柱外的井涌和井喷。但目前世界上还没有产品，还处于研究探索阶段。有关的研究大多与井下安全阀或封隔器相联系。一般井下防喷器是在钻柱内，在钻井套管与钻杆的环形空间里安装一个井下防喷器，该井下防喷器通过一个可以伸缩的密封装置来控制井内压力，在压力变化时密封装置可以做出相应的改变，从而通过控制流量来控制
11、地层压力。使地层压力和井内压力达到不发生井喷而又有利于钻井顺利进行的位置。对于膨胀节的控制可以从地面通过传感器来控制，也可以采用其他可行的方法。Willams公司研制了一种井下防喷器，随技术套管一起下入，同时下入一寄生管，通过寄生管，在地面控制井下防喷器，在起下钻过程中保持井底为负压，使起下钻变得和常规过平衡钻井一样容易。目前有几种改进的井下防喷器：声波驱动井下防喷器、控制线防喷器、阀型井下防喷器、钻柱内井下防喷器。井下防喷器与通常的防喷器相比其优缺点是: （1）能有效快速的控制钻柱内的防喷问题（2）能很好的控制井下井喷，因为通常的防喷器只能控制井上井喷（3）可以减少防喷的步骤，缩短有效控制井
12、喷的时间，简化防喷器的结构和材料。（4）缺点是研发难度大，技术要求高，容易损坏，维修成本高。1.2 井下防喷器研究的意义防喷器作为钻井井控装置中的核心设备，国内外对其质量性能极为重视，各国制造商都投入大量人力物力进行研制开发。目前各种各样的井口防喷器已经能有效地控制井口井涌井喷事件，但是关闭井口防喷器防止流体流动或控制压力就可能会增加井下井喷的可能性，井下井喷对于油气地层、钻井设备、人员安全仍然有很大的威胁，且地面井控总会存在由操作失误和设备故障所引起的地面井喷失控的问题，所以通过对井下防喷器的设计研究就可能解决这些通常的防喷器不能解决的问题，也可能在深井钻探过程中有效地控制井喷，保证在规定的
13、时间内圆满的完成工作要求，提高生产地安全性，降低成本，为各方面带来更好的经济效益打下基础。故井下防喷器的研究具有重要的实际意义。通过对国内外井下防喷器的研究现状进行分析与研究，了解了国内外当前已经采用或准备采用的井下防喷器的基本类型、工作原理和存在的问题，根据目前已经提出的各种切实可行的解决办法和存在的问题，设计出比较新型的井下防喷器，提出井下防喷器可能的发展方向以及可能克服目前存在问题所可以采取的进一步技术措施与设备。1.3设计方案根据井下防喷器的总体框图，（如图四），初步拟定了三个方案。方案一：封闭钻杆内井下机械传动封闭钻杆内井下防喷器这个方案优点是结构较简单，且国内外均有较成熟的产品，缺
14、点是发生井喷时，只能封住钻杆内环空，不能封住钻杆外环空。所以此方案不行。方案二：封闭钻杆外环空封闭钻杆外环空井下机械传动井下防喷器封住钻杆外环空一般方案是用泥浆进入胶筒（如图一），使胶筒憋压膨胀封闭外环空。此方案的优点设计结构简单，能及时控制钻杆外环空的节省时间，能及时控制井喷外环空的发生。缺点是没有封闭钻杆内环空。这个方案放弃。方案三：钻杆内外环空都封闭封闭钻杆内、外环空井下机械传动井下防喷器此方案的优点发生井喷时既能封住钻杆内环空也能封住钻杆外环空，缺点是结构有点复杂。1.4方案选择综上所述，相比较而言，选择方案三。2 井下防喷器设计2.1设计要求1全自动控制，不会因为电控系统、液控系统或
15、气控系统的故障而错过最佳关井时间,造成恶性事故。2随钻杆下入。3关闭灵敏度高，一旦井涌、井喷立即封堵井下通道关闭油气层。4能在120和35MPa的地质条件下可靠工作。5能在含硫化氢、二氧化碳较高的井中长期工作，不会因腐蚀而失效。6结构简单、安全可靠、独立于其它井控设备。7可重复使用。2.2具体结构井下防喷器的钻具止回阀安装于钻铤底、靠近钻头处，井涌、井喷时可在最短时间里关闭钻杆内通道。井下防喷器主体通过上接头19和下接头1的标准钻杆螺纹与钻杆联接。中心管10通过干密封圆锥管螺纹与上接头19和下接头1联接。下接头1与外筒9通过非标准的干密封圆锥管螺纹联接，与增压活塞6的大端并形成钻杆外液体进入防喷器的工作空间。增压活塞6用剪切销钉5固定在外管内，防止平时的误操作，只有在井喷时高压地层压力的出现剪断销钉5，防喷器才进行工作。外筒9上开一小孔供钻杆外液体进入井下防喷器，孔上安装滤网2，阻止钻杆外岩屑等大粒杂质进入防喷器堵塞防喷器，提高其工作可靠度。滤网2上用螺钉4安装一个滤网挡板3固定滤网2。增压活塞6大小端沿外筒9不同直径的内孔运动。增压活塞6大小端连接筒上开小孔，中心管10上开小孔，形成了钻杆内到增压活塞6大端上腔液体的流通通
