浅谈海工装备钻井设备BPO

冯建新 孙宇 李丹

摘要：钻井是一项风险性很高的工程作业，尤其是海上钻井，环境相对孤立。为了保证安全顺利钻井，钻井过程中，尤其对于探井，配备性能好，操作方便灵活，可靠性高的井控装置是十分重要的。本文主要以海上钻井所使用的防喷器为主，对其类型、工作原理、各自特点和要求、防喷器控制系统，以南海东部某半潜式钻井平台水下防喷器为例，做了简单的介绍和分析。对进一步了解钻井井控设备和安全钻井有了更深刻的认识。

关键词：钻井;防喷器;海工钻井装备

随着海洋石油勘探和开发的进程日益深入，深水钻井渐渐成为一种主流的发展趋势，而保证安全钻井最关键的设备，便是深海防喷器组。深海防喷器也叫水下防喷器，在石油钻井时安装在井口套管头上，用于控制井口压力，是井控设备中的核心设备。是海洋石油钻井行业水下器具的部件之一，是设置在海底用来控制和防止井喷，保证海下作业顺利完成的关键环节之一。

1.深海防喷器组国内外现状

1.1 国内研究现状

目前，国内外对防喷器做了大量的研究工作，但是世界防喷器（BOP）的发展没有像其它一些技术那样发展迅速[1]。对于防喷器的研究，主要是考虑其活塞的行程和密封，对于含硫化物的油气井，其硫化物应力腐蚀机理研究还不是很透彻。所以，对于含H2S油气井的环形防喷器的研究，有待加强。同时，防喷器控制系统的研究也是相对缓慢，新型的还处于研发中，目前广泛使用的就是电液控制系统，典型的如库美控制系统。目前防喷器控制系统主要是“开式系统”，既电控气、气控液和液控液。同時，根据API对防喷器控制系统的要求，其闸板防喷器关井时间不能>45s，环形防喷器不能>60s，这个对于陆地钻井现在完全可以满足，在陆地油田钻井现场，环形防喷器关闭时间为30s，而闸板防喷器只需要3～8s时间。但是，对于海上钻井，当水深增加时，传输距离和控制软管束长度也随之增加，在海浪的冲击下可能会断裂，因此控制信号不能及时到达或者中途可能会出现故障。考虑到今后海上油田开发向深水进军的目标，对于浮式平台防喷器控制系统的研究也应该加强。国正式立项“3000米深海防喷器组及控制系统的研制”课题。2012年10月，国内首套3000米深水防喷器组及其控制系统，被华北石油荣盛机械制造有限公司研制并通过国家科技部验收。作为国家“863”计划“南海深水油气勘探开发关键技术与装备”的子课题之一，该项目的成功研发，填补了我国防喷器制造方面的不足甚至空白，是我国石油钻采作业的重大突破，具有极其深远的意义。

以目前国内海工行业的发展水平来看，海洋工程可以以其深度划分为海岸、浅海和深海工程。如何改善石油钻井平台，以便适应深水、超深水等环境作业的安全性能要求，是未来深海防喷器设计所一直追求的目标。目前国内自主设计的深海防喷器，大多是在国外成熟设计的产品基础上进行修改，一旦修改幅度过大，便会产生各类的问题。究其原因，缺乏创新，对设计理念的本质的理解匮乏才是根本。

1.2 国外研究现状

美国从20世纪50年代开始研究生产水下防喷器，经过三十年速度发展。90年代，Shaffer研发了以快速更换闸板为特点的NEXT 型闸板防喷器。2008年，美国JAMESI.LIVINGSTONE申请了一个井下防喷器专利，能够与井壁形成环形空间和内部通道的内管。同时该防喷器还一个单向阀和球阀，分别负责关闭井下防喷器的环形通道和内部通道。

2、深海防喷器的组成及工作原理

2.1 组成结构

防喷器是钻井井口装置的主要组成部分。它是保安全、快速、优质钻开高压油、气层的关键设备。海底防喷器组。具有结构简单，操作简易，耐高压耐腐蚀等特点。同时因为处在海洋环境下工作，需要耐腐蚀耐低温，其性能必须绝对可靠。深海防喷器组通常由环形防喷器、闸板式防喷器组成，为一般防喷器的三维模型图，由上至下分为一个环形防喷器、三个闸板防喷器和一个管道四通。深海防喷器组的性能要求随着水下深度的增加，也变得越来越高，防喷器组的高度变化会影响下部结构。尤其是在无导向绳作业的情况下，这就需要防喷器与下部结构留下足够的间隙。

2.2环形防喷器（ABOP）

环形防喷器按照胶芯形状和结构可分为锥形胶芯、球形胶芯和组合胶芯三种。环形防喷器的主要作用是为空井时，可封整个的井口;井不为空井时，可封环形空间;在封井的情况下，可向井里多下入钻具，但是使用的钻具必须有18°坡度的对焊钻杆接头。环形防喷器能够封闭不同钻柱的不同部位;能关闭试油抽子、电缆、空井和各种井下工具。胶芯一般都具有抗H2S应力腐蚀的特点。环形防喷器试压，试压介质清水。一般不做封零实验，只按规定做封管子的实验;根据海洋石油钻井规范要求，试压要求低压300～500psi，稳压5min;高压试压按照额定工作压力的70% 进行，或者按照套管最小抗内压强度的70% 进行，两者取其最小值进行，稳压15min。先进行低压试压，再进行高压试压，其主要目的是防止钻井液高压压实而密封，而低压更容易发现漏失。液控油压不能过大，最大不许>15MPa。通常液控油压在8.5～10.5MPa范围内;关井状态起下钻作业，只能通过18°。

2.3 闸板防喷器（RBOP）

闸板防喷器是最主要的井控设备。目前，海上主要使用的是HYDRIL， SHAFFER和CAMERON三家公司的闸板防喷器。闸板防喷器按照闸板的数量可以分为单闸板、双闸板和三闸板防喷器;按照闸板形状可以分为全封闸板防喷器、半封闸板防喷器、变径闸板防喷器和剪切闸板防喷器。闸板防喷器安装时不能倒置，因为闸板只能承受向上的压力，但是也有双面能够承受压力的闸板;芯轴有二次密封的作用，注入密封脂等可进行密封;闸板前部密封钻柱的橡胶有自封的作用;有自动清砂槽，维修和保养很方便。闸板的密封性能很重要，直接关系到是否能够实现顺利安全关井的目的。闸板防喷器地面试压，试压介质为清水。低压300～500psi，稳压5min，高压要达到100%额定工作压力，稳压15min。安装好后试压，要达到70%额定工作压力，或要低于套管最小抗

2.4 工作原理

钻井过程中地层流体压力大于井液密度，液控系统的高压油进入左右液缸关闭腔，推动其活塞带动左右的闸板沿闸板室限定的轨道同时向井口中心移动。闸板防喷器的闸板有四种，包括全封式和半封式。其中全封式闸板可以封住整个井口，而当有钻杆存在的时候，半封式可以封住井口的环形断面。根据闸板防喷器传递的信号源，系统性地由下至上，一层一层实现防喷器的封井动作。

3 结论

在国外的深水防喷器组已用于工程实践多年的同时，我国关于在防喷器领域的研究却处于一个正在起步的阶段。我国防喷器组的密封件质量不够过硬，且用于防喷器产品的材料种类单一，甚至有些技术性材料需要引进。随着对钻油作业中的安全性能和可靠性越来越重视，国内的深水防喷器组正在渐渐向高可靠性、智能化、高系统压力、三重冗余等方向发展。

随着深水防喷器技术的不断研究，深海防喷器不断向安全化、海洋化发展，同时钻油作业的水深也不会仅仅停留在水下三千米得程度。为降低深海油井勘探开发的风险、确保我国海洋钻井作业的施工安全、促进深海防喷器组技术的突破与跨越，关于防喷器组及其控制系统的研究势在必行。

目前，我国石油钻井作业中的深水、超深水防喷器组的相关研究仍然遵循着其领域内的基本原理，远没有其他领域的技术发展迅速。我国防喷器行业想要增强自身的竞争，必须在核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势等方面做出突破。只有了解国内外防喷器生产核心技术的应用及发展动向，逐步提升企业产品技术规格、提高自身的竞争力，这样才能逐渐领先于国外同行业的竞争者。

参考文献：

[1]侯国庆.水下防喷器组节流压井管线插接器研究现状[J].石油机械，2016（06）.

[2]巴鲁军.防喷器试压快速增压装置的研制及应用[J].石油机械，2016（01）.