2.2.3.1　水下防喷器系统作用

水下防喷器是海洋石油钻井的重要设备之一。它是设置在海底、用来控制和防止井喷的一种井口设备，通常由几个闸板式防喷器、一个环形防喷器、两条带控制阀组的压井或放喷管线及控制全套水下器具的两套控制阀组成。

水下防喷器组是保证钻井作业安全最关键的设备。防喷器组在水下钻井过程中的作用是：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、设备安全，避免海洋环境被污染和油气资源被破坏。

2.2.3.2　水下防喷器系统工作原理

现代石油钻井使用的防喷器都是液压防喷器，防喷器的关井、开井动作是靠液压实现的。防喷器分为普通（单闸板、双闸板）防喷器、环形（万能）防喷器和旋转防喷器等。普通防喷器有闸板全封式的和半封式的，全封式防喷器可以封住整个井口，半封式防喷器封住有钻杆存在时的井口环形断面。环形防喷器可以在紧急情况下启动，应对任何尺寸的钻具和空井。旋转防喷器可以实现边喷边钻作业。在深井钻井和海上常常除两种普通防喷器外，再加上环形防喷器或旋转防喷器，使三种或四种组合装在井口。

1）闸板防喷器

闸板防喷器是井控装置的关键部分。其工作原理是通过液压驱动操作活塞的移动来实施关闭和打开功能。其主要用途是在钻井、修井、试油等过程中控制井口压力，有效地防止井喷事故发生，实现安全施工。具体可完成以下作业：

①当井内有管柱时，配上相应管子闸板能封闭套管与管柱间的环形空间。

②当井内无管柱时，配上全封闸板可全封闭井口。

③当处于紧急情况时，可用剪切闸板剪断井内管柱，并全封闭井口。

④在封井情况下，通过与四通及壳体旁侧出口相连的压井、节流管汇进行泥浆循环、节流放喷、压井、洗井等特殊作业。

⑤与节流、压井管汇配合使用，可有效控制井底压力，实现近平衡压井作业。

闸板防喷器关井时，来自控制装置的动力液经上铰链座导油孔道进入两侧油缸的关井油腔，推动活塞与闸板迅速向井眼中心移动，实现关井；同时开井油腔里的动力液在活塞推动下通过下铰链座导油孔道，再经液控管路流回控制装置油箱。开井动作时，动力液经下铰链座导油孔道进入油缸的开井油腔，推动活塞与闸板迅速离开井眼中心，闸板缩入闸板室内；此时关井油腔里的动力液则通过上铰链座导油孔道，再经液控管路流回控制装置油箱。水下防喷器略有不同，为了简化液压系统的流程、提高系统的可靠性，水下防喷器系统压力液将不再返回水面油箱，而是直接排放到海水环境当中。图2-14、图2-15分别为闸板防喷器在关闭和开启状态的示意图。

图2-14　闸板防喷器关闭状态示意图

图2-15　闸板防喷器开启状态示意图

2）环形防喷器

环形防喷器工作原理是：关闭时压力驱动活塞上移，迫使芯子处于关闭在钻杆上的状态，达到密封的目的；开启时压力驱动活塞下移，芯子依靠本身的弹性而打开。

环形防喷器能够完成以下作业：

①可以密封各种形状和尺寸的钻杆、钻杆接头、钻铤、套管、电缆等与套管之间的环形空间。

②当井内无钻具时，能全封闭井口。

③在使用缓冲蓄能器的情况下，进行强行起下钻作业。

环形防喷器仅是在关井时的一个临时设备，不能用它长时间地封井，长时间地封井应采用闸板防喷器。

环形防喷器的关井、开井动作也是靠液压实现的。关井动作时，来自液控系统的压力油进入下油腔（关井油腔），推动活塞迅速向上移动。胶芯受顶盖的限制不能上移，在活塞内锥面的作用下被迫向井眼中心挤压、紧缩、环抱钻具，封闭井口环形空间。在井内无钻具时，胶芯向中心挤压、紧缩直至胶芯中空部位填满橡胶为止，从而全封井口。在关井动作时，上油腔里的液压油通过液控系统管路流回油箱。开井动作时，来自液控系统的压力油进入上油腔（开井油腔），推动活塞迅速向下移动。活塞内锥面对胶芯的挤压力迅速消失，胶芯靠本身橡胶的弹性向外伸张，恢复原状，井口全开。在开井动作时，下油腔里的液压油通过液控系统管路流回油箱。图2-16、图2-17分别为环形防喷器在开启和关闭状态的示意图。

图2-16　环形防喷器开启状态示意图

图2-17　环形防喷器关闭状态示意图

2.2.3.3　水下防喷器系统构成

如图2-18所示，水下防喷器组从结构上分为两部分，即下部隔水管组和防喷器组，这也是水下防喷器组与陆地防喷器组在结构上的最大不同。下部隔水管组放置在防喷器组的上方，通过可快速解锁的液压连接器与防喷器组连接。这样便于整个下部隔水管组和隔水管的安装和运移，在海上出现台风等紧急情况时可以迅速与井口断开，从而避免重大事故发生。

1）闸板防喷器

（1）制造厂家

主要有3家防喷器制造厂商：Cameron公司、Hydril公司和Shaffer公司。

（2）操作压力

以3 000psi压力等级控制系统为例，5 in钻杆闸板和可变闸板的正常操作压力为1 500psi；剪切闸板的关闭压力应根据井内钻杆的尺寸和钻杆等级而调节，但不能高于防喷器控制系统的最大压力3 000psi。

图2-18　水下防喷器组构成

（3）一般配置

两套5 in钻杆闸板、一套可变闸板和一套剪切闸板。

（4）闸板的悬挂能力(www.daowen.com)

5 in钻杆闸板的能力一般为600 kip（1 kip=4.48kN），可变闸板的悬挂能力随着井内钻杆尺寸的变化而变化（尺寸越小的钻杆，悬挂能力越小）。

2）环形防喷器

（1）万能芯子的结构

加强筋外面浇注橡胶。

（2）万能芯子的种类

从结构上分为球形芯子（Shaffer公司产品）、锥形芯子（Hydril公司产品）和星形芯子（Cameron公司产品）；从材质上分有天然橡胶（NR，适用于水基泥浆，温度范围-35～+107℃）、丁腈橡胶（NBR，适用于油基泥浆，温度范围-7～+88℃）和氯丁橡胶（CR，适用于油基泥浆，温度范围-35～+77℃）。

（3）特性

包括：可以封闭空井；关闭后可以允许钻具旋转和钻具接头通过；井内压力对环形防喷器有助封作用，但助封作用的大小与防喷器的结构有关；球形芯子、锥形芯子可以在井内有钻具时进行更换。

①关闭压力。由于环形防喷器的助封作用，为延长芯子的使用寿命，其关闭压力应随着井内压力的变化而变化（厂家提供关闭压力与井内压力的对照表）。

②封空井。由于封空井对芯子的影响很大，所以一般不做封空井检验。

③强行起下钻。为保证钻具接头和钻杆通过芯子，又保持密封和延长芯子的使用寿命，因此在环形防喷器的关闭口（靠近防喷器附近）安装一个缓冲瓶和允许少许泥浆泄漏。

④井内有钻具时更换芯子。球形和锥形芯子可以在井内有钻具时更换，而星形芯子不能。

（4）试验压力

安装新芯子后，第一次可以试100%的工作压力，第二次起一般不低于70%。

3）隔水管连接器

隔水管连接器如图2-19所示。

（1）功能

连接防喷器组，以防平台有应急情况或修理后的回接。

（2）制造厂家

连接器的主要制造厂家有Vetco公司、Cameron公司和Drill Quip公司。

（3）特性

图2-19　隔水管连接器

如果采用Vetco Gray的连接器作为隔水管连接器，其最大工作角度比井口连接器大。

4）控制系统

水下防喷器控制系统的设计制造主要依照API 16D，该标准对水下防喷器组通用控制系统进行了规定，主要包括响应时间、泵系统要求、蓄能器要求、先导系统要求、水下液压供压分离阀、水下蓄能器、控制管汇、表面功能、调节阀、关键控制功能、盲板／剪切闸板压力调节阀、遥控面板、控制面板、安全需求、冗余控制系统及测试试验等。

国际上能够生产先导液压控制系统的制造商也是能够设计制造深水防喷器组及控制系统的制造商，包含Cameron公司、Shaffer公司和Hydril公司等，这些厂家代表了深水钻井水下井控设备技术的最高水平。

（1）Cameron水下先导液控系统

①Cameron水下控制箱（图2-20）。控制箱采用管式连接形式，各控制阀件间均采用不锈钢管连接；控制箱与LMRP之间采用圆柱面的连接形式。插头圆柱面直径小于插环圆柱面直径，插入后操纵控制阀件，使控制箱内液缸带动插头内的楔形结构向上，插头张开，密封面与插环密封。这种连接形式的优点在于不容易划伤密封面，可以有效地保护各油路口胶圈免于划伤；其缺点是泄漏点多，管道由于插头的扩张而变形，容易造成泄漏，降低了可靠性。

图2-20　Cameron水下控制箱

②Cameron关键液压阀件。Cameron水下SPM阀（图2-21）是重要的水下控制阀件，通过液压软管提供先导液和供给液。其采用金属剪切密封结构，是一种三位四通阀，单个阀件可以实现两个功能的控制。其优点是抗污染能力强，可以长时间免维护。

（2）Shaffer水下先导液控系统

①Shaffer水下控制箱（图2-22）。控制箱采用板式连接形式，各控制阀件均安装在不锈钢阀板上；控制箱与LMRP之间采用圆锥面的连接形式。

图2-21　Cameron水下SPM阀

图2-22　Shaffer水下控制箱

②Shaffer关键液压阀件。Shaffer水下SPM阀是一种两位三通换向阀，通过先导液控制供给液的通断，实现一个控制功能。其优点是响应速度快，密封安全可靠。

（3）Hydril水下先导液控系统

采用管式连接形式，各控制阀件间均采用不锈钢管连接；控制箱与LMRP之间采用平面的连接形式。这种控制箱的优点是结构紧凑、重量轻、加工简易；缺点是泄漏点多、可靠性较差。