井喷就是指钻井时地下的高压原油、天然气、地下水等受地层压力作用突然夹带着泥沙从井口喷出的现象。井喷是石油天然气开采中非常忌讳的重大事故,井喷往往伴随着有毒气体,对人员和环境造成极大危害,且当发生井喷时,高压原油、天然气等喷出后往往会发生燃烧,因此非常危险。引起井喷的原因有多种,例如,地层压力掌握不准、钻井液密度偏低、井内钻井液液柱高度降低、起钻时抽吸作用等。
控制井喷失控的主要手段是安装与使用钻井井控装置,钻井井控装置主要包括防喷器、四通、远程控制台、司钻操作台、节流压井放喷管线等。钻井井控装置必须满足钻井井控工艺要求,安全可靠,操作方便,并能够快速关闭和开启井口,既能在钻机司钻操作台上控制,又能在远离井口的远程控制台上控制。钻井井控装置要具有一定的耐压能力,可实现有控制的放喷、压井和进行起下钻作业。防喷器是井控装置中的重要组成部分,钻井常用防喷器有35、70、105、140、175兆帕等压力系列装置,选用的原则由关井时所承受的最大井口压力来决定。海上钻井时,由于海洋作业的特殊环境影响,防喷器一般装在海底,称之为海底井口装置。
防喷器的作用就是一旦有发生井喷的征兆实时关闭井口,又称封井或关井,即一旦发现井底压力异常,关闭防喷器就可以将可能喷出的高压原油、天然气等关闭在井内,使之无法喷出。要想了解防喷器是如何防止井喷的,就要从防喷器的结构说起。防喷器可以分为环形防喷器、闸板防喷器和旋转防喷器三类。
环形防喷器是由其封井元件,即胶芯呈环状而得名。环形防喷器根据胶芯形状分为锥形环形防喷器、球形环形防喷器和组合胶芯环形防喷器。环形防喷器主要由上壳体、胶芯、活塞、下壳体等组成,当井内有管柱时,能封闭钻柱与井口形成的环形空间,空井时能全封井口,在测井、打捞等特殊作业过程中,还能封住方钻杆、电缆、钢丝绳以及处理事故的工具与井口所形成的空间,进行带压强行起下作业等。可以说,不论井内有无钻具,环形防喷器都能适应多种工况下迅速封井,所以过去也曾称之为万能防喷器或多效能防喷器。
闸板防喷器是由其封井元件,即带有胶芯的闸板而得名,通过两块闸板从左右两侧推向井眼中心来封闭井口。闸板防喷器按闸板数量可分为单闸板防喷器、双闸板防喷器和三闸板防喷器。按闸板作用可分为全封闸板防喷器、半封闸板防喷器、剪切闸板防喷器以及悬挂闸板防喷器。半封闸板防喷器用于封闭井内有钻具时,钻具与井口间的环形空间;全封闸板防喷器用于井内无钻具时全封闭井口;需将井内钻具剪断并全封井口时,可用剪切闸板防喷器剪切井内钻具,然后全封井口;悬挂闸板防喷器则可用以悬挂钻具。闸板防喷器一般带有手动锁紧装置,可用来长期封井。闸板防喷器主要由壳体、侧门、液缸、活塞与活塞杆、锁紧轴、闸板等零部件组成。闸板防喷器的封井、开井动作是靠液压实现的。当液压控制系统的高压油进入闸板防喷器左右液压关闭腔时,推动左右活塞带动左右闸板总成沿着腔体室内导向轨道分别向井口中心移动,实现封闭井动作。当液压控制系统高压油进入闸板防喷器左右液压开启腔时,推动左右活塞带动左右闸板总成沿着腔体室内导向轨道分别向离开井口中心的方向移动,实现打开井动作。
旋转防喷器是由其封井元件,即胶芯可以随所封钻柱旋转而得名。严格意义讲,国际上没有把旋转防喷器列为井控装置中,主要原因是旋转防喷器承受压力有限,国际上最先进的旋转防喷器额定静压35兆帕,额定动压21兆帕,钻井工程设计与实际施工中一般动压控制在7兆帕以下。旋转防喷器是进行近平衡钻井、欠平衡钻井、控压钻井时必须配备的装备,其主要作用是实现井口带压钻井作业。旋转防喷器分为主动式和被动式两种。被动式为筒形橡胶密封,只能实现钻柱下的封井,主动式为球状环形密封,可以实现各种工况下的封井。主动式旋转防喷器主要由上壳体、机械密封、主轴承、胶芯、上部衬套、下部衬套、扶正轴承、活塞、下壳体等组成。旋转防喷器实际上就是在球形环形防喷器的内腔顶部增设了一套旋转轴承系统,除具有环形防喷器的工作特点和功能外,旋转防喷器在封闭井内钻具和井眼之间的环形空间时,胶芯能随钻具一起带压转动,实现井下带压钻井作业。
在钻井作业中,为适应各种情况下均能迅速可靠地封井,井口所装的防喷器常常不止一个,而是各种防喷器的组合。在深井钻井中,防喷器组一般由两种以上的闸板防喷器,再加环形防喷器、旋转防喷器等三种或四种组合而成。防喷器远程控制台、司钻操作台、四通、节流压井放喷管线等是钻井井控装置必配的主要部件。钻井井控装置各部件协同作用以满足钻井井控工艺要求,既能在钻机司钻操作台上操作,又能在远离井口的防喷器远程控制台上实现控制,达到快速关闭和开启井口,且安全可靠,操作方便。钻井井控装置还要具有一定的耐压能力,可实现有控制地放喷、压井和起下钻作业。