井下防喷系统及其操作工艺

张伟南　苗强　孟珍

摘 要：随着深层油气田的开发利用，在钻井过程中，发生井涌，井喷概率最大的是钻进过程，很容易出现着火等重大事故。2010年墨西哥湾石油泄漏就是因為深水地平线的防喷阀未能正常启动，造成了巨大的经济损失和环境污染。所以在钻井过程中，研发出一套能有效进行油气井压力及溢流控制系统迫在眉睫。而我们的井下防喷系统，集压力监测与声波发生装置，井下环空防喷器，信号接收与报警发生装置于一体，可以达到早发现、早处理的井控指导原则，并且较常规的井控操作更容易进行。

关键词：防喷器；系统整合；结构创新

目前，井口控制，井下钻柱内防喷问题已基本解决。但井下钻柱外及环空的防喷问题等却没能得到有效解决。经计算，井下防喷系统及操作工艺从发现到控制整个过程用时不超过30S，目前世界上还处于研究探索阶段。因此，开发一整套监测、预警、传输、接收与处理系统，能够有效地预防井涌和井喷事故的发生。

一、防喷工艺的发展概况

中国的防喷装置的发展，可以概括为四个阶段：第一是“60仿苏型”，由于其现实可操作性很差，不适合当时的生产力发展，很快被接下来的“70仿罗型”所取代，但是这种型号的防喷工艺密封性和可操作性依旧很差，所以后面陆续研究出来的就是“85型”和“U型”，这两种防喷工艺都可以达到远程控制和良好的可操作性。而目前我国的防喷工艺的现状主要有五个特点：承压较高/规格很全/结构较新/可靠性差/设备老旧；近年来，随着浅层油气田资源被开发殆尽和化石燃料的大量需求，深层陆地和海洋油气田的开发迫在眉睫，但是目前的防喷工艺不能满足当前的社会生产力的需求，且一些由于防喷阀未能及时打开而发生重大安全事故致使造成经济和生态破坏的例子频出不穷，所以研发一套能有效进行油气井压力及溢流控制系统显得至关重要。

二、井下防喷系统及操作工艺

（一）系统组成

此井下防喷系统由“信号接收与报警发生装置”“井下环空防喷器”“压力监测与声波发生装置”三个部分组成。“信号接收与报警发生装置”主要是接收井下传上来的信号并判断是否为异常信号从而报警来达到及时封井的作用；“井下环空防喷器”主要是系统接到下方钻柱坐封的信号之后挤压防喷器胶筒和环空内止回阀从而有效封隔油井，从而避免井下压力大于地表压力造成的井喷和井涌事故。“压力监测与声波发生装置”主要是随钻柱下放用来监测钻头附近压力是否为异常值，之后将压力信号通过两次爆炸的方式传到井上的信号接收并做出判断。

（二）工作原理

在钻柱本体上安装有井下环空防喷器，在钻柱本体邻近钻头的一端设置有至少一个压力监测与信号发生装置，顶部的部设置有信号接收及警报发生装置，且该信号接收及警报发生装置同压力监测与信号发生装置相匹配。防喷器位于中和点以上的位置，处于受拉状态，，能传递较大扭矩，能多次重复使用，实现下放管柱坐封，上提管柱解封，坐封后钻杆内与环空联通，利于替重泥浆压井作业。

（三）井下防喷系统及其操作工艺流程

在钻井的过程中，当当钻到油气层的溶洞或空坑时，若井底的压力明显大于当地的地层压力时，就有可能出现地层流体进入井眼的情况，当大量的地层流体进入井眼时，如果不能及时有效的进行封井作业，就很有可能出现井喷等重大安全事故的发生。我们的井下防喷系统及操作工艺就可以及时有效的避免这种情况的发生。其具体的操作工艺流程：钻头钻进到高压流体时，压力监测与声波发生装置监测井下压力值并将该信号与预定程序进行对比，判断是否为异常值。如果正常，不做处理。如果为异常值，则压力监测与声波发生装置再次发出信号，信号接收与报警发生装置收到信号，判断溢流严重程度并发出报警信号。接收到信号后，启动应急响应，自动启动井控设置，之后下放钻柱坐封，并打开防喷器导通口，再次将压力监测信号传到井口。此时替重泥浆进行压井作业，将被污染的泥浆压出。待井底压力与底层压力一致时，上提钻柱解封，继续钻进或进行其他动作。

三、与传统井控工艺的对比

1）将传统的井口防喷技术移植到井下，将“信号接收与报警发生装置”“井下环空防喷器”“压力监测与声波发生装置”三个部分按照上中下空间布局，有机地形成一套系统，第一时间发现井底溢流，将信号传递到地面，能够起到早发现，早控制的作用。

2）信号传输方式采用双向传输。信号由下到上采用爆炸的方式，而由上到下则采用下放钻柱作为信号传输媒介及动力传输的方式。这种方式可以达到快速准确地将井下压力值传递到井上，从发现到控制的整个过程不超过30s。由爆炸替换声波的优点主要有传输功率强大，传播速度快，传播距离远，抗噪能力强，可靠性高等。

3）结构创新。其上下钻杆间的扭矩传递是通过防喷器上下接头间的花键副传递，因此能够承受较大的扭矩，该环空防喷器各部件受力合理，有很高的可靠性。

4）便于重泥浆替换，上提钻柱解封，建立环空循环通道，即可直接继续钻进，且无需更换，可以多次重复利用，极大的节约成本。重新建立新的循环通道，便于后续压井作业的进行。在重泥浆替换之后，可以快速解封，继续钻井。

5）不与常规的钻井作业工艺相冲突。

四、经济效益

1）市场价值。随着浅层油气田资源的枯竭，深层油气田陆地和海洋开发市场潜力巨大。目前整套井下防喷系统价值约500万元。我国在西部地区钻井，每年以至少200口速度增长，而井深超过5000m的井数约80口，若80口井中有一半需要使用井下防喷器系统，即40口井每年，若每口井使用井下防喷器系统的净利润为80万，则纯利润为3200万元/年。

2）社会价值。近几年，钻井安全防控意识逐步加强，但是井喷事故依旧层出不穷，溢流压井延误钻井工期和井喷失控着火事故频发，造成巨大的经济损失和生态破坏。2003年12月23日21时57分，重庆市开县高桥镇，由中国石油天然气集团公司四川石油管理局川东钻探公司钻井二公司川钻12队承钻的中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司川东北气矿罗家16井发生一起井喷特大事故，造成243人死亡（职工2人，当地群众241人），直接经济损失9262.71万元，而导致的间接损失则数以亿计。

五、思考与建议

由于雷管爆炸具有不可恢复性，所以导致在使用一段时间后需要更换声波发生装置的部分零件。

作者简介：张伟南（1996-），男，汉族，安徽淮北人，学生，本科，研究方向：海洋石油装备；苗强（1994-），男，汉族，四川巴中人，学生，本科，研究方向：海洋石油装备；孟珍（1997-），女，漢族，河南安阳人，学生，本科。