项目四 井下作业控制设备
井下作业控制设备是对油气井实施压力控制，对事故进行预防、监测、控制、处理的关键手段，是实现安全井下作业的可靠保证。通过井下作业控制设备可以做到在井内带压的情况下，完成起下管柱的作业，既可以减少对油气层的损害，又可以保护套管，防止井喷和井喷失控，实现安全作业。常规作业经常使用手动开关的井口控制器；高压井、气井以及大修取套井施工时，要使用液（气）动和手动双重开关的防喷器。
【知识目标】
①了解井口控制装置的组成。
②掌握封井器（防喷器）的作用。
③了解不压井作业装置的组成及其配置。
【技能目标】
①熟练封井器的使用要求。
②清楚带压作业操作规程。
【背景知识】
一、井口控制装置
常规作业使用的机械式井口控制装置如图1-4-1所示。按其工作原理可分为井口控制部分、加压部分和油管密封部分。
图1-4-1 机械式井口控制装置
1—分段加压吊卡；2—油管；3—安全卡瓦；4—自封封井器；5—加压支架；6—法兰短节；7—全封封井器；8—半封封井器；9—顶丝法兰； 10—四通；11—套管
井口控制部分由自封封井器、半封封井器、全封封井器、法兰短节和连接法兰组成。其作用是在不压井起下作业时控制井口压力，使作业施工安全顺利地进行。
1.自封封井器
（1）结构和工作原理
自封封井器由壳体、压盖、压环、密封圈、胶皮芯子和放压丝堵组成，如图1-4-2所示。它依靠井内油套环空的压力和胶皮芯子自身的伸缩力使胶皮芯子扩张，起到密封油套环形空间的作用。井内管柱和井下工具能顺利通过自封芯子，最大通过直径应小于115mm。
图1-4-2 自封封井器结构示意图
1—压盖；2—压环；3—密封圈；4—胶皮芯子；5—放压丝堵；6—壳体
（2）使用要求
通过自封封井器的下井工具，外径应小于115mm。通过较大直径的下井工具时，可在自封的胶皮芯子上涂抹黄油。冬天使用时，应用蒸汽加热，以免拉坏胶皮芯子。
2.半封封井器
半封封井器是靠关闭闸板来密封油套环形空间的井口密封工具。
（1）结构和工作原理
半封封井器由壳体、半封芯子总成、丝杠等组成，如图1-4-3所示。其密封元件为两个带半封圆孔的胶皮芯子，它装在半封芯子总成上，转动丝杠，可以带动半封芯子总成运动，完成开关操作。
图1-4-3 半封封井器结构示意图
1—压帽；2—轴承外壳；3—止动螺钉；4—壳体；5—半封芯子总成；6—压圈； 7—U形密封圈；8—螺钉；9—接头；10—倒键；11—密封圈；12—垫片； 13—止推轴承；14—下垫圈；15—“人”字密封圈； 16—中垫圈；17—密封圈压帽；18—丝杠
（2）使用要求
①芯子手把应灵活，无卡阻现象，要求能够保证全开或全关。
②胶皮芯子无损坏、无缺陷，并随时检查，如有问题及时更换。
③使用时不能使芯子关在油管接箍或封隔器等下井工具上，只能关在油管本体上。
④正常起下时，要保证处于全开状态。
⑤冬季施工时，应用蒸汽加热后再转动丝杠，以免半封内结冰，拉脱丝杠。
⑥开关半封时两端开关圈数应一致。
3.全封封井器
全封封井器是用于起出管（钻）柱后封闭井口的控制装置。
（1）结构与工作原理
全封封井器由壳体、闸板、丝杠等组成，如图1-4-4所示。它的外形和工作原理与半封封井器基本相同。不同之处是闸板没有半圆孔，两块闸板关紧可以密封井口。转动丝杠，可以开井或关井。
图1-4-4 全封封井器结构示意图
1—壳体；2—压盖；3—U形密封圈；4—固定螺钉；5—芯子壳体；6—胶皮芯子；7—丝杠； 8—压帽；9—止推轴承；10—O形密封圈；11—丝杠壳体；12—芯子接头
（2）使用要求
①丝杠开关灵活，无卡阻现象，全开直径应大于178mm。
②冬季施工使用时应加热，以免冻结后拉脱丝杠。
二、带压作业装置
（一）带压作业技术
带压作业是指利用特殊修井设备，在油、气、水井井口带压的情况下，实施起下管杆、井筒修理及增产措施的井下作业技术。通过防喷器组控制油套环空压力，堵塞器控制油管内部压力，然后通过对管柱施加外力克服井内上顶力，从而完成带压起下管柱。
几乎所有的油、气、水层从勘探，开发到后期的维护过程中都受到不同程度的伤害。如何避免或减小油气层伤害，提高油气水井寿命和产能一直是开发技术人员努力的方向。带压作业技术的出现为实现真正意义上的油气层保护提供了可能。
相对于油井来说，带压作业较传统井下作业，没有外来流体入侵，油气层就没有外来固相、液相的伤害，不会产生新的层间矛盾，地层压力系统不会受到破坏，不需要重新建立平衡，有利于油井修复后稳产、高产。相对于传统水井作业，在不放喷、不放溢流的情况下带压作业，对单井而言不需要卸压，同时解决了污水排放问题，降低注水成本；对整个注采网来说，对周边受益井，注水站注入工作不影响，保持整个注采网络地层压力系统不受破坏，不需要再建压力平衡，有利于提高注水实效。
（二）带压作业装置
带压作业装置根据作业井别不同而有所不同，但其核心部分包括三大系统，分别是井口密封系统、加压动力系统和附属配套系统。
1.井口密封系统
井控密封系统主要由三闸板防喷器、单闸板防喷器、环形防喷器和升高短接等部分组成。其作用是在起下管柱过程中实现油套环空密封。
（1）三闸板防喷器
三闸板防喷器（全封、半封、安全卡瓦）目前主要应用型号为3FZ18-21和3FZ18-35，如图1-4-5所示。
图1-4-5 三闸板防喷器
三闸板防喷器的下腔装全封闸板，可以在井内没有管柱的情况下密封井内压力。
三闸板防喷器的中间装半封闸板，根据井内的油管直径，配上相应的半封闸板，可以在井内有油管的情况下密封环形空间。
三闸板防喷器的上腔装卡瓦闸板，卡瓦闸板不起密封作用，其闸板上装的是卡瓦，配上相应规格的卡瓦牙，可以在上部设备进行检修或更换配件时卡紧油管，防止油管窜出或掉入井内。
（2）单闸板防喷器
单闸板防喷器（图1-4-6）主要应用型号为FZ18-21和FZ18-35，参与倒出接箍及井下工具，其闸板及密封胶件都用特种耐压、耐磨材料制成，减小作业油管压痕对前密封的损坏，保证闸板前密封具有一个合理的寿命。
图1-4-6 单闸板防喷器
（3）环形防喷器
环形防喷器（图1-4-7）主要应用型号为FH18-21和FH18-35。用于起下油管过程中密封油管及套管环空，确保井内流体不喷出。环形防喷器动密封均采用唇形结构的密封圈，最大限度地降低了密封圈的磨损，密封可靠胶芯不易翻胶，有漏斗效应。另外，井压亦有助于密封作用。
图1-4-7 环形防喷器
（4）各种防喷器的组合形式
黑体开始基本配置黑体结束 包括一台三闸板防喷器、两台单闸板防喷器和一台环形防喷器。可适用于井筒压力35MPa以下的井的带压作业，如图1-4-8所示。
图1-4-8 基本配置防喷器组合
黑体开始高压力配置黑体结束 如果压力较高，或是井内情况工具比较复杂，也可以增加一台单闸板防喷器，变为一台三闸板防喷器、三台单闸板防喷器和一台环形防喷器（图1-4-9）。这种结构方式适用于要进行二次投堵的情况：一是投堵塞器不到位，需要二次投堵；二是对于起配水器以下的管柱。
图1-4-9 高压力配置防喷器组合
黑体开始低压力配置黑体结束 如果井筒压力较低，可以减少一台单闸板防喷器，变为一台三闸板防喷器、一台单闸板防喷器和一台环形防喷器的组合，如图1-4-10所示。这种结构适用于井筒压力14MPa的井的带压作业。也可以将三闸板防喷器改为双闸板防喷器，变为一台双闸板防喷器、一台单闸板防喷器和一台环形防喷器的组合。这样可以降低设备的高度，适用于与井架较低的修井机配合进行带压作业。
图1-4-10 低压力配置防喷器组合
2.加压动力系统
加压动力系统主要由双向双作用液压缸、上游动卡瓦和下固定卡瓦等组成。用于油管自身重量小于井内液体作用于油管的上顶力时，提放管柱，以保证安全起下。
（1）双向双作用液压缸
双向双作用液压缸即升降油缸（图1-4-11），行程为3.5m左右，在固定卡瓦打开时，通过游动卡瓦咬住井内管柱，操控液压系统，在管柱重量小于井内液压的上顶力（浮力）时，实现井内管柱的安全起下。当管柱重量大于井内液压的上顶力时，停止使用升降液缸，用修井机大钩起下油管。
图1-4-11 双向双作用液压缸
（2）固定卡瓦和游动卡瓦
固定卡瓦（图1-4-12）在作业过程中主要用于卡住油管，阻止油管上窜。当井内压力对油管上浮力小于井内油管重量时，不用固定卡瓦而改用大钩及吊卡，防止油管掉下去。
图1-4-12 固定卡瓦
游动卡瓦是在井内管柱的重量小于井内压力对油管的上浮力时，用游动卡瓦卡住油管，随着升降油缸上升或下降从而提出或压入油管。当井内管柱重量大于井内压力对油管的上浮力时，油缸及游动卡瓦停用，改用大钩及吊卡。
（3）横梁
横梁的作用是承受作业过程中的作用力，并且将整套系统连接并固定成一体，从而保证了整个系统的稳定性。包括游动横梁、上横梁、中横梁、下横梁。
游动横梁下面安装的是游动卡瓦，上面可以安装重力卡瓦或是吊卡。它的两端分别与升降液缸的活塞杆相连，在作业过程中带到游动卡瓦一起运动，主要是承受游动卡瓦和升降液缸的作用力。
上横梁和中横梁的主要作用是将升降液缸和中间的防喷器组连接在一起，保证装置的稳定性。上横梁卡在溢流筒和升降液缸上，中横梁卡在短节和升降液缸上。它们的两边是合页形式的卡子，可以转过100°的角度，卡在升降液缸上。下横梁两边与升降液缸的下部相连，中间卡在下横梁座上，下横梁座下部连接三闸板防喷器，上面连接特种单闸板防喷器。
3.附属配套系统
附属配套系统主要由液压控制系统、油管堵塞器、双向阀、卸油箱、工作平台等组成。
（1）液压控制系统
液压控制系统由液控操作台、蓄能器系统及联结软管等组成。
液控操作台（图1-4-13）实现对井口封井器的开关动作及升降油缸的上下运动，同时可分别调整各封井器系统液压，使各封井器在最佳工作压力工作，延长各部位工作寿命。蓄能器系统能储存一定的压能，在作业机或液压泵出现故障时，靠储存能量实现液压快速关井，提高带压作业的安全系数。联结软管为高压软管，和蓄能器、液控操作台联结，传递液压能量，实现远程控制液压缸和井控装备。
图1-4-13 液控操作台
（2）油管堵塞器
最近几年，结合生产实际情况，国内有针对性地研发了系列油管堵塞器和配件堵塞器以及其他堵井工艺，有效地解决了带压作业技术中油管内部堵塞的核心问题。
FXY211-50油管堵塞器（图1-4-14）主要由钢体、卡瓦、密封胶筒、密封胶皮组成，工作原理：油管堵塞器靠水泥车打压，将油管堵塞器推送至设计位置，停泵后油管堵塞器在地层压力的推动下向上运行，至油管接箍处时卡瓦牙卡在油管之间的缝隙处，不能运行。但堵塞器的本体继续运行，安全剪钉断，密封胶筒受压扩张，实现油管内堵塞。
图1-4-14 FXY211-50油管堵塞器
（3）双向阀
双向阀（图1-4-15）在完井时安装在管柱最下部，在油管下入过程中，在单向翻板的作用下，凡尔球座于上球座中，起反向止回作用，使油管内部保持常压，油管下入完成后，向油管内打压，在液力作用和球的自重作用下，凡尔球冲过单向翻板座入下球座中，起挡球作用，可以实现分注作业。
图1-4-15 双向阀
（4）卸油箱
一般在上环形防喷器上方加装一个升高短节式的卸油短节，一方面便于上部防顶卡瓦的安装，另一方面从环形防喷器微漏出的水和接箍瞬间流出的水能通过导流管流到指定地方，不要上喷和流到井口处，污染地面环境。
（5）工作平台
工作平台（图1-4-16）包括主工作平台和辅助平台。主平台上安装有司钻控制台、斜梯、逃生滑道、油管坡道，主平台主要是提供作业的空间。
图1-4-16 工作平台
辅助平台上有环形防喷器及部分控制阀，为环形防喷器及固定卡瓦的检修提供空间。
【技能训练】
一、井口控制装置的安装
（一）安装防喷器
①检查、清洁大四通钢圈槽并涂抹黄油，检查、清洁井口钢圈并涂抹黄油后放入钢圈槽内。
②吊带穿过游动滑车大钩钩体内，两端挂在防喷器上，缓慢吊起防喷器，吊起过程中控制防喷器，防止刮碰。
③将防喷器提至操作人员胸部位置时，停止提升，检查、清洁防喷器钢圈槽并涂抹黄油，在防喷器两侧对应井口大四通套管闸门处各安装2条螺丝。
④缓慢下放，当防喷器两侧螺丝接触大四通上法兰螺孔时，井口操作人员用手扶正防喷器，使防喷器两侧螺丝顺利穿过大四通上法兰螺孔，将防喷器平稳坐在井口大四通上。
⑤左右转动防喷器，使钢圈进入防喷器底法兰的钢圈槽内，摘掉吊带，对角上紧4条法兰螺栓。
⑥将剩余的法兰螺栓对角上紧，并用大锤按对角顺序依次砸紧。
⑦按设计要求对防喷器进行密封性试压。
（二）拆卸防喷器
①先用大锤按对角顺序依次砸松并卸掉大四通上法兰其余8条螺丝（防喷器两侧对应井口大四通套管闸门处4条螺丝先卸螺丝下部螺帽，螺栓与上部螺帽留在防喷器两侧），然后用大锤按对角顺序依次砸松并卸掉4条对角螺丝。
②吊带穿过游动滑车大钩钩体内，两端挂在防喷器上，缓慢吊起防喷器，井口操作人员用手扶正防喷器轻轻摇晃，使螺栓顺利提出大四通上法兰螺孔，吊起过程中控制防喷器，防止刮碰。
③将防喷器提至操作人员胸部位置时，停止提升，取下防喷器两侧法兰盘处4条螺丝。
④控制防喷器缓慢下放至地面（不影响井口操作），下部要铺设保护装置，避免损坏、脏污钢圈槽，然后摘下吊带与牵引绳。
二、归纳总结
①在地面检查井口控制装置的各部件，半封封井器和全封封井器的丝杆应开关自如、无卡阻现象。全部打开封井器，由下到上按万能法兰、全封封井器、半封封井器、法兰短节、半封封井器、自封封井器、安全卡瓦的顺序组装井口控制装置。各组件中间放入ϕ211mm钢圈，钢圈和钢圈槽用擦布擦拭干净，在钢圈槽内涂好黄油，放好钢圈，对角平衡用力上紧螺母。
②用擦布擦净井口四通的钢圈槽，涂好黄油，放入ϕ211mm钢圈。用钢丝绳套吊起组装好的井口控制装置，缓慢放下，让井口控制装置底部的4条螺栓进入四通的连接孔内。与井口四通连接时，要选择封井器丝杠，便于开关的位置方向连接。对角平衡用力上紧螺母。
③再次检查全封封井器和半封封井器的丝杠是否处于全开的位置。检查法兰短节上的放空闸门是否关闭。高压防喷井控设备在常规作业中很少使用，这里不做详细介绍。
三、思考练习
①简答井口控制装置的组成。
②简述井口防喷器安装与拆卸方法。