項目四 井下作業控制設備
井下作業控制設備是對油氣井實施壓力控制，對事故進行預防、監測、控制、處理的關鍵手段，是實現安全井下作業的可靠保證。通過井下作業控制設備可以做到在井內帶壓的情況下，完成起下管柱的作業，既可以減少對油氣層的損害，又可以保護套管，防止井噴和井噴失控，實現安全作業。常規作業經常使用手動開關的井口控制器；高壓井、氣井以及大修取套井施工時，要使用液（氣）動和手動雙重開關的防噴器。
【知識目標】
①了解井口控制裝置的組成。
②掌握封井器（防噴器）的作用。
③了解不壓井作業裝置的組成及其配置。
【技能目標】
①熟練封井器的使用要求。
②清楚帶壓作業操作規程。
【背景知識】
一、井口控制裝置
常規作業使用的機械式井口控制裝置如圖1-4-1所示。按其工作原理可分為井口控制部分、加壓部分和油管密封部分。
圖1-4-1 機械式井口控制裝置
1—分段加壓吊卡；2—油管；3—安全卡瓦；4—自封封井器；5—加壓支架；6—法蘭短節；7—全封封井器；8—半封封井器；9—頂絲法蘭； 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、法蘭短節和連接法蘭組成。其作用是在不壓井起下作業時控制井口壓力，使作業施工安全順利地進行。
1.自封封井器
（1）結構和工作原理
自封封井器由殼體、壓蓋、壓環、密封圈、膠皮芯子和放壓絲堵組成，如圖1-4-2所示。它依靠井內油套環空的壓力和膠皮芯子自身的伸縮力使膠皮芯子擴張，起到密封油套環形空間的作用。井內管柱和井下工具能順利通過自封芯子，最大通過直徑應小于115mm。
圖1-4-2 自封封井器結構示意圖
1—壓蓋；2—壓環；3—密封圈；4—膠皮芯子；5—放壓絲堵；6—殼體
（2）使用要求
通過自封封井器的下井工具，外徑應小于115mm。通過較大直徑的下井工具時，可在自封的膠皮芯子上涂抹黃油。冬天使用時，應用蒸汽加熱，以免拉壞膠皮芯子。
2.半封封井器
半封封井器是靠關閉閘板來密封油套環形空間的井口密封工具。
（1）結構和工作原理
半封封井器由殼體、半封芯子總成、絲杠等組成，如圖1-4-3所示。其密封元件為兩個帶半封圓孔的膠皮芯子，它裝在半封芯子總成上，轉動絲杠，可以帶動半封芯子總成運動，完成開關操作。
圖1-4-3 半封封井器結構示意圖
1—壓帽；2—軸承外殼；3—止動螺釘；4—殼體；5—半封芯子總成；6—壓圈； 7—U形密封圈；8—螺釘；9—接頭；10—倒鍵；11—密封圈；12—墊片； 13—止推軸承；14—下墊圈；15—“人”字密封圈； 16—中墊圈；17—密封圈壓帽；18—絲杠
（2）使用要求
①芯子手把應靈活，無卡阻現象，要求能夠保證全開或全關。
②膠皮芯子無損壞、無缺陷，并隨時檢查，如有問題及時更換。
③使用時不能使芯子關在油管接箍或封隔器等下井工具上，只能關在油管本體上。
④正常起下時，要保證處于全開狀態。
⑤冬季施工時，應用蒸汽加熱后再轉動絲杠，以免半封內結冰，拉脫絲杠。
⑥開關半封時兩端開關圈數應一致。
3.全封封井器
全封封井器是用于起出管（鉆）柱后封閉井口的控制裝置。
（1）結構與工作原理
全封封井器由殼體、閘板、絲杠等組成，如圖1-4-4所示。它的外形和工作原理與半封封井器基本相同。不同之處是閘板沒有半圓孔，兩塊閘板關緊可以密封井口。轉動絲杠，可以開井或關井。
圖1-4-4 全封封井器結構示意圖
1—殼體；2—壓蓋；3—U形密封圈；4—固定螺釘；5—芯子殼體；6—膠皮芯子；7—絲杠； 8—壓帽；9—止推軸承；10—O形密封圈；11—絲杠殼體；12—芯子接頭
（2）使用要求
①絲杠開關靈活，無卡阻現象，全開直徑應大于178mm。
②冬季施工使用時應加熱，以免凍結后拉脫絲杠。
二、帶壓作業裝置
（一）帶壓作業技術
帶壓作業是指利用特殊修井設備，在油、氣、水井井口帶壓的情況下，實施起下管桿、井筒修理及增產措施的井下作業技術。通過防噴器組控制油套環空壓力，堵塞器控制油管內部壓力，然后通過對管柱施加外力克服井內上頂力，從而完成帶壓起下管柱。
幾乎所有的油、氣、水層從勘探，開發到后期的維護過程中都受到不同程度的傷害。如何避免或減小油氣層傷害，提高油氣水井壽命和產能一直是開發技術人員努力的方向。帶壓作業技術的出現為實現真正意義上的油氣層保護提供了可能。
相對于油井來說，帶壓作業較傳統井下作業，沒有外來流體入侵，油氣層就沒有外來固相、液相的傷害，不會產生新的層間矛盾，地層壓力系統不會受到破壞，不需要重新建立平衡，有利于油井修復后穩產、高產。相對于傳統水井作業，在不放噴、不放溢流的情況下帶壓作業，對單井而言不需要卸壓，同時解決了污水排放問題，降低注水成本；對整個注采網來說，對周邊受益井，注水站注入工作不影響，保持整個注采網絡地層壓力系統不受破壞，不需要再建壓力平衡，有利于提高注水實效。
（二）帶壓作業裝置
帶壓作業裝置根據作業井別不同而有所不同，但其核心部分包括三大系統，分別是井口密封系統、加壓動力系統和附屬配套系統。
1.井口密封系統
井控密封系統主要由三閘板防噴器、單閘板防噴器、環形防噴器和升高短接等部分組成。其作用是在起下管柱過程中實現油套環空密封。
（1）三閘板防噴器
三閘板防噴器（全封、半封、安全卡瓦）目前主要應用型號為3FZ18-21和3FZ18-35，如圖1-4-5所示。
圖1-4-5 三閘板防噴器
三閘板防噴器的下腔裝全封閘板，可以在井內沒有管柱的情況下密封井內壓力。
三閘板防噴器的中間裝半封閘板，根據井內的油管直徑，配上相應的半封閘板，可以在井內有油管的情況下密封環形空間。
三閘板防噴器的上腔裝卡瓦閘板，卡瓦閘板不起密封作用，其閘板上裝的是卡瓦，配上相應規格的卡瓦牙，可以在上部設備進行檢修或更換配件時卡緊油管，防止油管竄出或掉入井內。
（2）單閘板防噴器
單閘板防噴器（圖1-4-6）主要應用型號為FZ18-21和FZ18-35，參與倒出接箍及井下工具，其閘板及密封膠件都用特種耐壓、耐磨材料制成，減小作業油管壓痕對前密封的損壞，保證閘板前密封具有一個合理的壽命。
圖1-4-6 單閘板防噴器
（3）環形防噴器
環形防噴器（圖1-4-7）主要應用型號為FH18-21和FH18-35。用于起下油管過程中密封油管及套管環空，確保井內流體不噴出。環形防噴器動密封均采用唇形結構的密封圈，最大限度地降低了密封圈的磨損，密封可靠膠芯不易翻膠，有漏斗效應。另外，井壓亦有助于密封作用。
圖1-4-7 環形防噴器
（4）各種防噴器的組合形式
黑體開始基本配置黑體結束 包括一臺三閘板防噴器、兩臺單閘板防噴器和一臺環形防噴器。可適用于井筒壓力35MPa以下的井的帶壓作業，如圖1-4-8所示。
圖1-4-8 基本配置防噴器組合
黑體開始高壓力配置黑體結束 如果壓力較高，或是井內情況工具比較復雜，也可以增加一臺單閘板防噴器，變為一臺三閘板防噴器、三臺單閘板防噴器和一臺環形防噴器（圖1-4-9）。這種結構方式適用于要進行二次投堵的情況：一是投堵塞器不到位，需要二次投堵；二是對于起配水器以下的管柱。
圖1-4-9 高壓力配置防噴器組合
黑體開始低壓力配置黑體結束 如果井筒壓力較低，可以減少一臺單閘板防噴器，變為一臺三閘板防噴器、一臺單閘板防噴器和一臺環形防噴器的組合，如圖1-4-10所示。這種結構適用于井筒壓力14MPa的井的帶壓作業。也可以將三閘板防噴器改為雙閘板防噴器，變為一臺雙閘板防噴器、一臺單閘板防噴器和一臺環形防噴器的組合。這樣可以降低設備的高度，適用于與井架較低的修井機配合進行帶壓作業。
圖1-4-10 低壓力配置防噴器組合
2.加壓動力系統
加壓動力系統主要由雙向雙作用液壓缸、上游動卡瓦和下固定卡瓦等組成。用于油管自身重量小于井內液體作用于油管的上頂力時，提放管柱，以保證安全起下。
（1）雙向雙作用液壓缸
雙向雙作用液壓缸即升降油缸（圖1-4-11），行程為3.5m左右，在固定卡瓦打開時，通過游動卡瓦咬住井內管柱，操控液壓系統，在管柱重量小于井內液壓的上頂力（浮力）時，實現井內管柱的安全起下。當管柱重量大于井內液壓的上頂力時，停止使用升降液缸，用修井機大鉤起下油管。
圖1-4-11 雙向雙作用液壓缸
（2）固定卡瓦和游動卡瓦
固定卡瓦（圖1-4-12）在作業過程中主要用于卡住油管，阻止油管上竄。當井內壓力對油管上浮力小于井內油管重量時，不用固定卡瓦而改用大鉤及吊卡，防止油管掉下去。
圖1-4-12 固定卡瓦
游動卡瓦是在井內管柱的重量小于井內壓力對油管的上浮力時，用游動卡瓦卡住油管，隨著升降油缸上升或下降從而提出或壓入油管。當井內管柱重量大于井內壓力對油管的上浮力時，油缸及游動卡瓦停用，改用大鉤及吊卡。
（3）橫梁
橫梁的作用是承受作業過程中的作用力，并且將整套系統連接并固定成一體，從而保證了整個系統的穩定性。包括游動橫梁、上橫梁、中橫梁、下橫梁。
游動橫梁下面安裝的是游動卡瓦，上面可以安裝重力卡瓦或是吊卡。它的兩端分別與升降液缸的活塞桿相連，在作業過程中帶到游動卡瓦一起運動，主要是承受游動卡瓦和升降液缸的作用力。
上橫梁和中橫梁的主要作用是將升降液缸和中間的防噴器組連接在一起，保證裝置的穩定性。上橫梁卡在溢流筒和升降液缸上，中橫梁卡在短節和升降液缸上。它們的兩邊是合頁形式的卡子，可以轉過100°的角度，卡在升降液缸上。下橫梁兩邊與升降液缸的下部相連，中間卡在下橫梁座上，下橫梁座下部連接三閘板防噴器，上面連接特種單閘板防噴器。
3.附屬配套系統
附屬配套系統主要由液壓控制系統、油管堵塞器、雙向閥、卸油箱、工作平臺等組成。
（1）液壓控制系統
液壓控制系統由液控操作臺、蓄能器系統及聯結軟管等組成。
液控操作臺（圖1-4-13）實現對井口封井器的開關動作及升降油缸的上下運動，同時可分別調整各封井器系統液壓，使各封井器在最佳工作壓力工作，延長各部位工作壽命。蓄能器系統能儲存一定的壓能，在作業機或液壓泵出現故障時，靠儲存能量實現液壓快速關井，提高帶壓作業的安全系數。聯結軟管為高壓軟管，和蓄能器、液控操作臺聯結，傳遞液壓能量，實現遠程控制液壓缸和井控裝備。
圖1-4-13 液控操作臺
（2）油管堵塞器
最近幾年，結合生產實際情況，國內有針對性地研發了系列油管堵塞器和配件堵塞器以及其他堵井工藝，有效地解決了帶壓作業技術中油管內部堵塞的核心問題。
FXY211-50油管堵塞器（圖1-4-14）主要由鋼體、卡瓦、密封膠筒、密封膠皮組成，工作原理：油管堵塞器靠水泥車打壓，將油管堵塞器推送至設計位置，停泵后油管堵塞器在地層壓力的推動下向上運行，至油管接箍處時卡瓦牙卡在油管之間的縫隙處，不能運行。但堵塞器的本體繼續運行，安全剪釘斷，密封膠筒受壓擴張，實現油管內堵塞。
圖1-4-14 FXY211-50油管堵塞器
（3）雙向閥
雙向閥（圖1-4-15）在完井時安裝在管柱最下部，在油管下入過程中，在單向翻板的作用下，凡爾球座于上球座中，起反向止回作用，使油管內部保持常壓，油管下入完成后，向油管內打壓，在液力作用和球的自重作用下，凡爾球沖過單向翻板座入下球座中，起擋球作用，可以實現分注作業。
圖1-4-15 雙向閥
（4）卸油箱
一般在上環形防噴器上方加裝一個升高短節式的卸油短節，一方面便于上部防頂卡瓦的安裝，另一方面從環形防噴器微漏出的水和接箍瞬間流出的水能通過導流管流到指定地方，不要上噴和流到井口處，污染地面環境。
（5）工作平臺
工作平臺（圖1-4-16）包括主工作平臺和輔助平臺。主平臺上安裝有司鉆控制臺、斜梯、逃生滑道、油管坡道，主平臺主要是提供作業的空間。
圖1-4-16 工作平臺
輔助平臺上有環形防噴器及部分控制閥，為環形防噴器及固定卡瓦的檢修提供空間。
【技能訓練】
一、井口控制裝置的安裝
（一）安裝防噴器
①檢查、清潔大四通鋼圈槽并涂抹黃油，檢查、清潔井口鋼圈并涂抹黃油后放入鋼圈槽內。
②吊帶穿過游動滑車大鉤鉤體內，兩端掛在防噴器上，緩慢吊起防噴器，吊起過程中控制防噴器，防止刮碰。
③將防噴器提至操作人員胸部位置時，停止提升，檢查、清潔防噴器鋼圈槽并涂抹黃油，在防噴器兩側對應井口大四通套管閘門處各安裝2條螺絲。
④緩慢下放，當防噴器兩側螺絲接觸大四通上法蘭螺孔時，井口操作人員用手扶正防噴器，使防噴器兩側螺絲順利穿過大四通上法蘭螺孔，將防噴器平穩坐在井口大四通上。
⑤左右轉動防噴器，使鋼圈進入防噴器底法蘭的鋼圈槽內，摘掉吊帶，對角上緊4條法蘭螺栓。
⑥將剩余的法蘭螺栓對角上緊，并用大錘按對角順序依次砸緊。
⑦按設計要求對防噴器進行密封性試壓。
（二）拆卸防噴器
①先用大錘按對角順序依次砸松并卸掉大四通上法蘭其余8條螺絲（防噴器兩側對應井口大四通套管閘門處4條螺絲先卸螺絲下部螺帽，螺栓與上部螺帽留在防噴器兩側），然后用大錘按對角順序依次砸松并卸掉4條對角螺絲。
②吊帶穿過游動滑車大鉤鉤體內，兩端掛在防噴器上，緩慢吊起防噴器，井口操作人員用手扶正防噴器輕輕搖晃，使螺栓順利提出大四通上法蘭螺孔，吊起過程中控制防噴器，防止刮碰。
③將防噴器提至操作人員胸部位置時，停止提升，取下防噴器兩側法蘭盤處4條螺絲。
④控制防噴器緩慢下放至地面（不影響井口操作），下部要鋪設保護裝置，避免損壞、臟污鋼圈槽，然后摘下吊帶與牽引繩。
二、歸納總結
①在地面檢查井口控制裝置的各部件，半封封井器和全封封井器的絲桿應開關自如、無卡阻現象。全部打開封井器，由下到上按萬能法蘭、全封封井器、半封封井器、法蘭短節、半封封井器、自封封井器、安全卡瓦的順序組裝井口控制裝置。各組件中間放入?211mm鋼圈，鋼圈和鋼圈槽用擦布擦拭干凈，在鋼圈槽內涂好黃油，放好鋼圈，對角平衡用力上緊螺母。
②用擦布擦凈井口四通的鋼圈槽，涂好黃油，放入?211mm鋼圈。用鋼絲繩套吊起組裝好的井口控制裝置，緩慢放下，讓井口控制裝置底部的4條螺栓進入四通的連接孔內。與井口四通連接時，要選擇封井器絲杠，便于開關的位置方向連接。對角平衡用力上緊螺母。
③再次檢查全封封井器和半封封井器的絲杠是否處于全開的位置。檢查法蘭短節上的放空閘門是否關閉。高壓防噴井控設備在常規作業中很少使用，這里不做詳細介紹。
三、思考練習
①簡答井口控制裝置的組成。
②簡述井口防噴器安裝與拆卸方法。