水下防喷器的作用和原理介绍

井喷是危及油气钻井作业最严重的事故，不仅会造成油气资源破坏和人员伤亡，还会产生严重的环境污染。防喷器（BOP）是在钻井作业时用来封闭井口、防止流体从井中喷出的装置。石油和天然气作为不可再生资源已经历了100多年的开发，陆地储量越来越少，终将枯竭，而海洋油气开发正逐年增多。由于深水钻井的成本更高、困难和风险更大，因此对井控有更高的要求。水下防喷器组是保证水下钻井作业安全最关键的设备，其作用是在发生井喷或者井涌时控制井口压力，在台风等紧急情况下钻井装置必须撤离时关闭井口，保证人员和设备安全，避免油气资源破坏和海洋环境污染。

水下防喷器组在深水钻井系统中的布置位置如图1所示。水下防喷器组的组成如图2所示^[1]。最初的水下防喷器系统由4个闸板防喷器、1～2个环形防喷器组成。随着钻井水深不断增加及对可靠性的要求，近几年海上新增钻井平台深水防喷器系统基本上由6个闸板防喷器和2个环形防喷器组成，通径为476.3mm，大部分系统工作压力为103.5MPa，少部分系统工作压力为69MPa^[2]。

图1 水下防喷器组在深水钻井系统中的布置位置

1—钻井船 2—隔水管 3—防喷器控制箱 4—环形防喷器 5—闸板防喷器

图2 水下防喷器组的组成

水下防喷器组的具体用途如下^[3]：

1）在钻井或提钻等井内作业发生井涌或井喷时，控制井口的压力。先关闭环形防喷器，视必要关闭半封闸板防喷器，利用压井/放喷阀及水面设施进行压井放喷作业。

2）在海况恶劣、船位超过规定的漂移、升沉或摇摆时，或钻生产井需要移动井位时，可以脱开井口头联结器，利用隔水管张紧器将隔水管上部的伸缩立管往上收缩，使防喷器组与井口脱开连接。待海况恢复到允许值后，再恢复防喷器组与井口的联结，进行正常的钻井作业。

3）在紧急情况下，如海况恶劣、船位无法保持、来不及提出孔内钻具或井喷无法控制时，先关闭环形防喷器，将钻杆接头坐在剪切全封闭闸板防喷器下面的防喷器上，用剪切全封闸板防喷器将钻杆或套管剪断，压井后使立管系统与海底防喷器组脱开联结，必要时使船安全撤离。

4）满足钻井工艺需要的各项作业。

防喷器按结构和工作原理可分为闸板防喷器和环形防喷器等类型。

（1）闸板防喷器闸板防喷器是井控设备中的关键设备之一，其主要功能是封闭环形空间或空井，以控制井喷或悬挂钻具等。

闸板防喷器按闸板的数量可分为单闸板、双闸板和三闸板防喷器，其外形图如图3所示。(www.xing528.com)

图3 闸板防喷器外形图

图4 单闸板防喷器结构示意图

1—左缸盖 2—盖形螺母 3—液缸联结螺栓 4—侧门螺栓 5—铰链座 6—壳体 7—闸板总成 8—闸板轴 9—右侧门 10—活塞密封圈 11—活塞 12—活塞锁帽 13—右缸盖 14—锁紧轴 15—液缸 16—侧门密封圈 17—油管座 18—左侧门

单闸板防喷器的结构如图4所示，主要由壳体、油缸、活塞和闸板总成组成。当液控系统高压油进入左右油缸闸板关闭腔时，推动活塞带动左右闸板总成沿壳体闸板腔分别向井口中心移动，实现封井。同时高压油进入左右锁紧液缸锁紧腔，推动楔形活塞，使楔形活塞的楔面与锁紧轴端的楔面靠紧，实现自锁紧闸板，这时可卸掉来自液控系统的高压油。当要打开闸板时，高压油首先进入左右锁紧液缸解锁腔，推动楔形活塞，使楔形活塞的楔面与锁紧轴端的楔面脱开，当将要到达完全解锁位置时，楔形活塞开始压缩设置于解锁位置的顺序阀的阀杆，直到完全压缩并完全打开顺序阀，使高压油进入油缸的闸板开启腔，推动活塞带动左右闸板总成向离开井口中心方向移动，打开井口。

闸板防喷器的闸板可分为全封闸板（盲板）、半封闸板、剪切闸板和变径闸板，如图5所示。

图5 闸板结构

不同结构的闸板防喷器，其应用场合不同^[4]。当井内有钻柱、油管和套管时，利用半封闸板（管子闸板）防喷器封闭相应管子与井眼形成的环形空间，达到封井目的；在必要的情况下，半封闸板防喷器可以悬挂钻柱。用全封闸板（盲板）防喷器时，当井中无钻具时，可全封井眼。在特殊情况下可用剪切闸板防喷器剪断钻具并达到全封井的目的。变径闸板防喷器可以适用于几个不同尺寸的钻具，在整个起钻柱过程中不必经常更换闸板芯，就可以达到封井的目的。

（2）环形防喷器环形防喷器又称为万能防喷器，其结构如图6所示。环形防喷器封闭井口的部件是环形的胶芯（图7）。

环形防喷器的开闭由液压控制系统来操作。关闭时，工作液进入活塞下面的关闭腔，推动活塞上行并挤压胶芯。由于受顶盖的限制，胶芯上行受阻，只能被挤压变形，胶芯加强筋之间的橡胶因加强筋相互靠拢而被挤向中心。如果井内有钻具，胶芯与钻具表面接触并封闭环形空间，如果是空井，则封死井口，达到封井的目的。打开时，工作液进入活塞上面的开启腔，推动活塞下行，作用在胶芯上的挤压力消除，胶芯在自身橡胶弹性力的作用下逐渐复位，打开井口。

图6 环形防喷器结构图

1—顶盖 2—防尘圈 3—油塞 4—胶芯 5—油塞 6—活塞 7—支撑筒 8—壳体