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1,第一章 电驱动钻机,本章目录第一节 电驱动钻机的类型及特点 一、ACAC 电驱动钻机 二、DCDC 电驱动钻机 三、ACSCRDC 电驱动钻机 四、ACCFAC 电驱动钻机 第二节 电动机的机械特性 一、机械特性的分类 二、电动机的固有机械特性 三、直流电动机的人为机械特性 四、钻机用它励直流电动机的人为机械特性 第三节 ACSCRDC电驱动钻机的可控硅电源简介 一、可控硅控制系统的主要作用 二、可控硅控制柜的电路,第一节 电驱动钻机的类型及特点 从诞生到现在，电驱动钻机主要有四大类。一、ACAC 电驱动钻机 最初的电驱动钻机为该类型，目前已很少使用。1、动力分配 由柴油机带动交流发电机发电，通过电网实现动力并车，集中供电，驱动交流电动机，从而带动工作机工作。典型的动力分配图如下。,2,3,2、ACAC 电驱动钻机的特点（1）通过电网实现动力并车，省去了机械钻机庞大复杂的动力并车系统；（2）采用单独或分组驱动，简化了传动系统，传动效率提高；（3）采用电子调速，柴油机可以稳定在高效区工作，寿命延长，燃油消耗降低（降低1012%）；（4）交流电动机为硬特性，绞车、钻盘仍需设较多的机械档，只能有级变速。,4,二、DCDC 电驱动钻机 这是继ACAC电驱动钻机后出现的类型。1、动力分配 由柴油机带动直流发电机发直流电，驱动直流电动机，带动工作机工作。典型的动力分配图如下。,5,6,2、DCDC 电驱动钻机的特点（1）采用单独或分组驱动，传动系统简化，传动效率提高；（2）采用电子调速，可使柴油机稳定在最佳运转工况，寿命延长，钻机总燃油消耗降低（降低1012%）；（3）直流电动机，具有人为的柔特性，调速范围宽，可实现无级调速，绞车、钻盘只需设少量的机械档；（4）用直流电动机驱动，启动能力强。(5)需要专门配置交流发电机组，提供辅助设备和照明电源；（6）直流发电机、直流电动机成本高，寿命相对较短，维护困难，还需特别考虑防爆问题；（7）动力机不能互济，总装机功率大，影响可靠性。,7,三、ACSCRDC 电驱动钻机 这是当前世界最流行的电驱动钻机类型。1、动力分配 由柴油机带动交流发电机发交流电，通过电网实现动力并车，集中供电。再经可控硅整流装置将交流电变为直流电，驱动直流电动机，从而带动工作机工作。典型的动力分配图如下。,8,9,返回24,2、ACSCRDC 电驱动钻机的特点（1）具有ACAC、DCDC 电驱动钻机的全部优点；（2）用直流电动机价格高、寿命短，还需特别需考虑防爆问题。（3）投资成本略高于DCDC电驱动钻机。是当今电驱动钻机的主力机型之一。,10,四、ACVFAC 电驱动钻机 基本原理 用柴油机带动交流发电机发出交流电，通过可控硅变频器，得到可以改变频率的交流电，驱动交流电动机工作，从而带动钻机各工作机工作。在可控硅变频器的内部，经历两次电流性质的改变：首先用晶闸管整流电路将交流电转变为可调电压的直流电，再用逆变器将可调直流电转变为可调频率的交流电。（见图）利用改变频率，交流电动机的机械特性可以人为地改变，得到人为的柔特性，满足钻机工作机的性能要求。人为特性曲线见图。,11,返回11,12,特点：1、具有ACSCRDC 电驱动钻机所有优点；2、克服了ACSCRDC 电驱动钻机的主要缺点；3、变频器价格稍高，传动效率稍低。是当今电驱动钻机的最高水平。最终将全部取代ACSCRDC电驱动钻机。,第二节 电动机的机械特性 一、机械特性的分类 机械特性：电动机的转速n随转矩M而变化的关系。一般用曲线表示，称机械特性曲线。按转速n随转矩M变化的程度不同，机械特性可分为三类：1、当 时，为特硬特性；在 nM曲线上，表现为一条水平线。2、当 时，为硬特性；在 nM曲线上，表现为一条略向下倾斜的直线。3、当 时，为柔特性；在 nM曲线上，表现为一条近似的双曲线。见下图。,13,14,二、电动机的固有机械特性 固有机械特性：电动机的转速 n 随转矩 M 而自动变化的关系。用曲线表示，则称固有机械特性曲线。1、交流电动机的固有机械特性 a、同步交流电动机 同步交流电动机固有机械特性为 特硬特性。特点：具有较高的功率因数，效率高；启动性能很差；结构复杂、寿命相对较短，价格较高。适用于：不经常启动、转速恒定的中、大功率场合。用得较少。b、异步交流电动机 异步交流电动机固有机械特性为 硬特性。特点：过载能力较大；结构简单、寿命长、维护方便、便宜。适用于：不需要调速的各种场合。交流电动机固有机械特性曲线见下图。,15,16,2、直流电动机的固有机械特性 直流电动机的优点：调速方便；启动力矩大。缺点：价格高、维护困难。按照励磁方式，可以分为：并励、它励、串励、复励直流电动机，石油现场最常用的是它励直流电动机。a、并励、它励直流电动机 并励、它励直流电动机的固有机械特性均为硬特性。电路原理与固有机械特性见下图。,17,18,b、串励直流电动机 串励直流电动机的固有机械特性为 柔特性。该特性很好，满足钻机的绞车和转盘的要求。但是，当载荷很小时，转速过高，有“飞车”危险，不适合用链条、皮带传动。这导致其不能用在石油钻机上。,19,三、直流电动机的人为机械特性 人为机械特性：人为地改变直流电动机某些参数而获得的机械特性。通常也称：调速特性。现代石油钻机广泛使用它励直流电动机，这里主要讲它的调速特性。它励直流电动机的基本调速方式有：1、在电枢电路中串电阻调速（见曲线）特点：空载转速不变；转速只能下调；转速越低，特性越软；调速方便；调节电阻长期大量耗电，不经济。适用场合：中小功率电机。石油钻机不适用。,20,2、降低电枢电压调速（见曲线）特点：1）转速只能下调；硬特性不变（固有特性曲线平移）；2）调速方便；调速范围大；经济性好。可适用场合：石油钻机。,3、在励磁电路中串电阻调速（见曲线）特点：1）转速只能上调；随所串电阻增大，特性变软；2）调速方便；经济性较好。转速不得超过额定值的20%。可适用场合：石油钻机。,四、钻机用它励直流电动机的人为机械特性 石油钻机的工作主机是绞车、转盘、泥浆泵。一般情况下，工作机的转速都是从额定转速向下调。对于绞车，当大钩空载上行时，为了减少上行时间，需要短时高速运行，此时，可以高于额定转速。现代钻机采用ACSCRDC 电驱动方式，每台（组）电动机用一个可控硅控制柜，电枢的输入电压易于调节，故钻机中大都采用它励直流电动机复合调速：降低电枢电压 励磁电路串电阻。,22,23,ACSCRDC 电驱动钻机电路,调速过程如下：a、当励磁电路中串入的调速电阻阻值Rf=0、电枢输入电压为额定值时，电动机的机械特性为固有机械特性；b、当需要增速时，增大励磁电路中串入的调速电阻阻值Rf，固有机械特性曲线上移，且特性变软；c、当需要减速时，将励磁电路中串入的调速电阻Rf调至0，然后通过调节可控硅晶闸管的触发电路，降低电枢输入电压，电动机的固有机械特性曲线向下平移。参见下图。,第三节 ACSCRDC电驱动钻机的可控硅电源简介 现代钻机采用ACSCRDC 电驱动方式，每台（组）电动机用一个可控硅控制柜，将交流电转变成可调的直流电，驱动它励直流电动机。一、可控硅控制系统的主要作用 柴油机带动交流发电机发出的三相交流电，经电力并车后进入交流电网（见前图）。可控硅控制系统完成以下主要工作：a、经三相电力变压器输入600V交流电，经晶闸管构成的全控桥式整流电路转换成可调电压的直流电，供给它励直流电动机的电枢；b、用单相电力变压器将电网中的交流电降压，经半导体二极管构成的桥式整流电路转换成直流电，供给它励直流电动机的励磁线圈。c、利用触发电路控制晶闸管的触发角，从而调节电枢电压。,24,二、可控硅控制柜的电路 可控硅控制柜的电路主要有：a、整流电路；b、触发控制电路；c、保护电路；,25,本章完,2023/10/16,30,第二章 顶部驱动钻井系统,本章目录第一节 顶部驱动钻井系统的功能和类型 一、顶部驱动钻井系统的功能二、顶部驱动钻井系统的类型 三、顶部驱动钻井系统的基本组成第二节 顶部驱动钻井系统的结构及工作原理 一、直流电驱动的顶部驱动钻井系统 二、全液压驱动的顶部驱动钻井系统第三节 顶部驱动钻井系统的特点,2023/10/16,31,第一节 顶部驱动钻井系统的功能和类型 一、顶部驱动钻井系统的功能 最早的顶部驱动装置是“动力水龙头”，即：在水龙头上设置动力装置，驱动水龙头的中心管旋转，中心管下部直接接钻杆。这样，在钻井过程中，可以省去转盘。现在的顶部驱动钻井系统，无论在功能上，还是在结构上，都发展得日益完善。它的主要功能有：1、旋转钻进；2、循环钻井液；3、起吊钻具；4、上卸钻柱。,2023/10/16,32,二、顶部驱动钻井系统的类型 顶部驱动钻井系统是在80年代末，由美国、法国、挪威相继研制而成。基本类型有三大类：1、全液压驱动（如Maritime Hydraulics 公司的产品）驱动主轴旋转的动力源是液压能。由两台轴向柱塞马达经齿轮减速箱带动主轴旋转。2、直流电驱动（如美国Varco公司的产品）驱动主轴旋转的动力源是直流电。由直流电动机经齿轮减速箱带动主轴旋转。直流电源是来自电动钻机的ACSCR 系统。3、交流电驱动（如挪威的DDM型）驱动主轴旋转的动力源是交流电。由交流电动机经齿轮减速箱带动主轴旋转。调速则利用AC/AC变频技术。三种类型，都把无级调速特性作为基本要求。,2023/10/16,33,三、顶部驱动钻井系统的基本组成 一个完整的顶部驱动钻井系统由以下几部分组成：1、水龙头钻井马达装置总成 具体有：水龙头、电动机（或液压马达）、齿轮减速器、主轴；作用：驱动主轴正反转、向钻柱内导入钻井液。2、导向滑车总成 具体有：导轨（立于井架内，有单轨和双轨两种）、滑车框架（固定在顶部驱动装置壳体上）、导向轮（装在滑车框架上，可沿导轨滚动）。作用：引导顶部驱动装置上下运动；承受钻井过程中的反向力矩。3、钻杆上卸扣装置（Pipehander）具体有：吊卡、吊环、吊环连接器、吊环倾斜器、液压扭矩钳。作用：通过吊卡、吊环、起吊钻具；通过液压扭矩钳上、卸扣（将钻具与顶部驱动装置的主轴连接或卸开）。,2023/10/16,34,第二节 顶部驱动钻井系统的结构及工作原理 一、直流电驱动的顶部驱动钻井系统 这里介绍美国Varco公司的产品。1、系统组成 Varco公司的顶部驱动钻井系统主要由以下几大部分组成：1）水龙头（借用钻机原配的常规水龙头）；2）钻井马达总成由直流电动机、一级齿轮减速箱、主轴、散热装置组成；3）导向滑车总成由滑车框架、导向轮、导轨等组成；4）钻杆上卸扣装置由旋转头、吊环连接器、吊环倾斜器、液压扭矩钳等组成；5）动力系统由柴油机、发电机、SCR控制房、液压泵站、电力电缆、控制电缆、柔性液压管汇等组成。2、安装布置（见图）；3、水龙头钻井马达总成（见图）4、导向滑车（见图）；5、钻杆上卸扣装置（见图）,2023/10/16,35,返回5,2023/10/16,36,返回5,要点：1、水龙头中心管经锥管螺纹与主轴连接。2、主轴与从动大齿轮固连。3、电动机为双出轴，下端通过花键与主动小齿轮连接，上端与气动制动器摩擦轮固连。4、气动制动器的作用有两方面：需要主轴快速停止；使用井底动力钻具时制动主轴。,2023/10/16,37,返回5,2023/10/16,38,返回5,要点：1、钻杆上卸扣装置利用上部旋转头固连在顶部驱动装置总成的减速箱壳体的下方；2、吊环倾斜器靠液缸推动而摆动，通过链条带动吊环倾斜；3、液压扭矩钳（扳手）通过吊架悬挂在旋转头上，有上、下两个钳。下钳（夹持钳）不旋转，可由夹紧液压缸驱动，夹紧钻具母接头；上钳可以靠两个液压缸夹紧主轴下端连接的保护短接，靠另外两个液压缸推动正、反转，完成钻具与主轴的紧扣和崩扣。低扭矩时，可用钻井马达旋转主轴，实现上、卸扣。,2023/10/16,39,二、全液压驱动的顶部驱动钻井系统 这里介绍挪威 Maritime Hydraulics 公司的产品。1、系统组成 PTD轻便式顶部驱动钻井系统主要由以下几大部分组成（由上到下）：1）水龙头（借用钻机原配的常规水龙头）；2）液控钻具防喷器由钻具防喷器、液压缸组成；3）钻井马达总成由两个斜轴式轴向柱塞液压马达、两级齿轮减速箱、主轴组成；4）钻杆上卸扣装置由旋转头、悬挂杆（含弹簧）、吊钩本体、吊环倾斜器、液压扭矩钳等组成；5）液压动力系统由液压泵站、液压控制台、柔性液压管汇等组成。2、安装布置（见图）3、顶部驱动装置总成（见图）4、驱动装置减速箱总成（见图）5、导向滑车、吊环倾斜器、液压扭矩钳的安装（见图）6、液压钻具防喷器的安装（见图）,2023/10/16,40,返回10,液压顶驱安装图,2023/10/16,41,返回10,要点：1、水龙头中心管经锥管螺纹与主轴连接。2、主轴与从动大齿轮固连。3、两个液压马达的输出轴通过花键与主动小齿轮轴固连。4、钻杆上卸扣装置悬挂在主轴下台肩上。5、导向滑车通过四个铰链与减速箱壳体固连；,液压顶部驱动装置结构原理图,2023/10/16,42,返回10,要点：该装置采用了高速小扭矩液压马达。为使主轴获得很大的扭矩，采用了两级齿轮减速。为减轻齿面载荷，采用双闭环齿轮传动。,顶驱减速器结构原理图,2023/10/16,43,要点：1、观察导向滑车安装和工作状态；2、观察吊环倾斜器安装和工作位置；3、钻具机械手的旋转头经法兰盘连接在减速箱壳体上；吊钩本体经两个含弹簧的吊杆悬挂在旋转头下；吊钩承载后，吊钩本体下坐在主轴下台肩上，卸载后，在弹簧作用下上移而离开主轴下台肩。液压马达通过链条使旋转头可做360旋转。利用锁紧液缸可以制动。4、液压扭矩钳经框架固连在吊钩本体上，扭矩钳工作原理见液压扭矩钳结构原理图,返回10,导向滑车、吊环倾斜器、扭矩钳安装位置,2023/10/16,44,要点：1、液压缸为单作用缸，夹紧靠液压力，释放靠弹簧力。2、共有两组液压缸，处并联状态，输入液压油时，左右两缸同时外伸，夹紧钻具接头。3、钳牙用螺钉固定，可以随时更换。,液压扭矩钳结构原理图,返回14,2023/10/16,45,钻具防喷器的安装,2023/10/16,46,第三节 顶部驱动钻井系统的特点 顶部驱动钻井系统是钻井设备发展更新的重要成果之一。1982年，第一台该系统投入矿场使用，目前，已经广泛用于海洋和陆地钻机上。我国石油现场也开始逐步采用该系统。中国钻井队要想到国外竟标，在设备上的先决条件就是要有电动钻机和顶部驱动钻井系统。顶部驱动钻井系统被如此看重，主要是其有如下特点：1）可以用立根（三根钻杆，长27米多）钻进，减少2/3的钻柱连接时间，提高了工作效率，减轻了工人的劳动强度和伤亡事故；2）在起、下钻过程中，可以立即循环钻井液，实行倒划眼起钻和划眼下钻，减少卡钻事故和由此带来的打捞作业；3）主轴上连接有液压钻具防喷器。当起钻中发现有井喷迹象，可遥控实现顶部驱动装置与钻柱连接，立即循环钻井液，避免井喷事故发生；4）用27米钻柱钻定向井，可以减少井深测量次数，容易控制井底马达造斜方位，节省钻井时间；5）用27米钻柱取芯，可连续取芯27米，提高了岩心质量。,2023/10/16,47,井 控 设 备第一节 井控设备概述 一、井控设备的功用 二、井控设备的组成 三、液压防喷器的特点 四、液压防喷器的主参数 五、液压防喷器的型号 六、井口防喷器的组合 第二节 液压防喷器的结构原理 一、环形防喷器 1、锥形胶芯环形防喷器 2、球形胶芯环形防喷器 3、环形防喷器的比较 4、环形防喷器的合理使用 二、闸板防喷器 1、闸板防喷器结构概况 2、闸板防喷器的工作原理与特殊结构 3、闸板防喷器的合理使用 第三节 防喷器液压控制系统 一、概述 1、防喷器液压控制系统的组成 2、防喷器液压控制系统类型与型号 二、防喷器液压控制系统的工作原理,2023/10/16,48,第一节 井控设备概述 井控设备是指实施油气井压力控制技术的所有设备、专用工具和管汇。一、井控设备的功用 1、预防井喷保持井内泥浆静液柱压力略高于地层压力；2、及时发现溢流对上返泥浆量进行监测，及时发现溢流征兆；3、迅速控制井喷井喷一旦发生，迅速关井、并实施压井。二、井控设备的组成 1、井口防喷器组环形防喷器、闸板防喷器、四通等；2、控制系统远程控制台（储能器装置）、司钻控制台；3、节流与压井管汇；4、监测仪表泥浆罐液面监测仪、有毒气体监测仪；5、钻具内防喷工具方钻杆球阀、钻杆回压凡尔、投入式单向阀等；6、辅助设备加重泥浆配制设备、液气分离设备。参见下图。,2023/10/16,49,返回39,图1,2023/10/16,50,三、液压防喷器的特点 防喷器是井控设备的核心组件。最原始的防喷器是手动的，开关费力，关井耗时多，承受压力低，故障多，经常在需要关井时封不住井，造成井喷失控，因而已被淘汰，取而代之的是液压防喷器。我国70年代初研制出液压防喷器，它具有以下特点：1、关井动作迅速。闸板防喷器38秒内可关井；环形防喷器30秒内可以关井。2、操作方便。用液压传动的方式迫使胶芯变形、闸板运动，操作省力、方便。3、安全可靠。防喷器强度可靠；防喷器封井机能可靠，出厂前进行严格试压；防喷器的控制操作可靠，若司钻操作控制失灵，可以用远程控制台控制，若远程控制台控制也失灵，闸板防喷器还可以用手动关井。4、现场维修方便。液压防喷器的胶芯和闸板是最关键元件，最易损坏，若发现损坏，可以及时拆换。,2023/10/16,51,四、液压防喷器的主参数 液压防喷器的最重要的参数是最大工作压力和公称通径。最大工作压力封井时，防喷器能够承受的最大井口压力；公称通径防喷器上下垂直通孔直径。该尺寸表明防喷器可以通过的最大钻头直径。（注：公称通径是经过圆整的，实际通经与其有微小差异）我国规定的防喷器最大工作压力和公称通径见下表。,2023/10/16,52,五、液压防喷器的类型及型号 1、液压防喷器的类型 液压防喷器的类型有三大类：1）闸板防喷器有单、双、三闸板防喷器三种；2）环形防喷器有锥形胶芯、球形胶芯防喷器两种；3）旋转防喷器一种在封井的情况下允许钻具旋转钻进的特殊防喷器。2、液压防喷器的型号 防喷器的型号要反映其类型、最大工作压力和公称通径。我国规定的防喷器型号表示如下：1）单闸板防喷器：FZ 公称通经最大工作压力；2）双闸板防喷器：2FZ 公称通经最大工作压力；3）三闸板防喷器：3FZ 公称通经最大工作压力；4）环形防喷器：FH 公称通经最大工作压力。例如：FZ 2321，代表单闸板防喷器，公称通经为230mm，最大工作压力为 21MPa。,2023/10/16,53,六、井口防喷器的组合 油气井口所安装的部件自下而上依次为：a）套管头套管顶部的法兰盘。b）四通带有四个通道和法兰盘的管接头；其下法兰与套管头连接，上法兰与上部设备相连，左右两法兰分别接压井管汇和接流管汇。c）双闸板防喷器一个为全封闸板，另一个为半封闸板。d）环形防喷器也称万能防喷器，其即可以封零（封空井），也可以封环空（封闭井内环形空间）。e）防溢管其下部与防喷器相连，上部伸至钻井平台底面，中部有一旁通管。井下上返泥浆由旁通管引至泥浆净化系统。根据所钻井的深度不同，预期的井下地层压力就不同，井口所配备的防喷器的类型、数量、公称通经、压力等级就不同。这些是由多种因素决定的：1、根据套管头通径确定防喷器的通径 防喷器的公称通经不得小于套管头的通径，以便可以通过所需的钻头和钻具。,2023/10/16,54,2、根据预期井口最大压力确定防喷器的压力等级 预期井口最大压力根据油气井的性质不同而不同。a）对于生产井：预期井口最大压力=地层压力-半井深钻井液液柱压力 b）对于深井、高压气井：预期井口最大压力=地层压力 根据我国油气田的地质情况以及多年的钻探经验，得出如下规律：若井深小于2000m，预期井口最大压力一般低于14 MPa，防喷器的压力等级选14 MPa；若井深为20004000 m，预期井口最大压力为21 35 MPa，防喷器的压力等级选21或35MPa；若井深为40007000 m，预期井口最大压力可达70 MPa 或更高，防喷器的压力等级选70 或105MPa；,2023/10/16,55,3、防喷器类型和数量的确定 为了提高关井的可靠性，井口所装防喷器的数量不止一个，以保证在井内有无钻具的情况下都可关井。防喷器的使用原则为：井内无钻具时，用全封闸板防喷器封井；井内有钻具时，用半封闸板防喷器封井；井内有不规则物体时，用环形防喷器封井；在封井状态下又需要强行起下钻时，用环形防喷器封井。很明显，在实际钻井过程中，以上四种情况均可能产生，理论上讲，各类防喷器均应有。但是，钻机底座的高度是有限的，防喷器的数量也不能太多。根据规定，在各种压力等级情况下，防喷器的数量与类型组合如下：1）压力等级为14MPa a）一个环形防喷器；b）一个双闸板防喷器；c）两个单闸板防喷器；d）一个单闸板防喷器与一个环形防喷器组合。,2023/10/16,56,2023/10/16,57,2）压力等级为2135MPa a）一个双闸板防喷器与 一个环形防喷器组合 b）两个单闸板防喷器与 一个环形防喷器组合,2023/10/16,58,3）压力等级为70105MPaa）一个双闸板防喷器、一个单闸板防喷器与 一个环形防喷器组合b）一个三闸板防喷器与 一个环形防喷器组合c）一个双闸板防喷器、一个单闸板防喷器、一个环形防喷器、与 一个旋转防喷器组合,2023/10/16,59,第二节 液压防喷器的结构原理 国内目前使用最广泛的防喷器是闸板防喷器和环形防喷器，旋转防喷器暂时还用得不多。但是，随着欠平衡钻井新工艺的出现和推广，旋转防喷器的应用会越来越多。一、环形防喷器 功用：当井内无钻具时，全封井口（简称封零）；当井内有钻具或其他物体时，封闭井口环形空间（简称封环空）。类型：按照胶芯形状的不同，环形防喷器有以下几种类型：1）锥形胶芯环形防喷器胶芯的主体呈锥台形（见图）；2）球形胶芯环形防喷器胶芯的主体呈球形（见图）；3）组合胶芯环形防喷器胶芯由内胶芯（有金属支撑筋）、外胶芯（纯橡胶）组成。,2023/10/16,60,1、锥形胶芯环形防喷器 结构 防喷器结构：由壳体、活塞、胶芯、顶盖、密封件等部分组成，具体见装配示意图。胶芯结构：胶芯外形呈截锥状，锥度40；沿圆周方向均布有1230块相隔一定距离的铸钢支撑筋（通经越大，筋越多），经橡胶硫化成一个整体，见胶芯结构图。工作原理：1）液压动作 下油口进油，上油口出油，活塞上行，推挤胶芯，封井；上油口进油，下油口出油，活塞下行，胶芯靠弹性恢复，开井。2）井压助封 锥形胶芯环形防喷器在封井过程中和封井之后，井内压力流体可以进入活塞上部环形槽内，产生对活塞的上推力，协助液压油推挤胶芯，帮助封井。注：不能单靠井内压力流体封井。,2023/10/16,61,返回13,返回14,2023/10/16,62,胶芯寿命及其检测：一个胶芯可以封井多次。有些锥形胶芯环形防喷器的顶盖有一检测孔，现场可以检测胶芯的寿命，如下图。在防喷器开启时，测出；在最后一次封零时，测出；则，活塞实际最大行程为：=-，在产品说明书中可以查出活塞应有的最大行程，则，胶芯的剩余寿命为：=-当 为0时，胶芯寿命已尽，必须更换。注：由于胶芯价格较高，封井次数只有几次，因此，环形胶芯防喷器不做“封零”实验。,2023/10/16,63,返回16,2023/10/16,64,胶芯的更换：一般情况下，打开顶盖便可方便地更换胶芯；在使用中需更换，则和用“切割法”(如图)。,2023/10/16,65,2、球形胶芯环形防喷器 结构 防喷器结构：由壳体、“Z”形活塞、胶芯、顶盖、密封件等部分组成，具体见装配示意图。胶芯结构：胶芯外形呈球面状；沿圆周方向均布有1220块相隔一定距离的铸钢支撑筋（通经越大，筋越多），经橡胶硫化成一个整体，见胶芯结构图。工作原理：1）液压动作 下油口进油，上油口出油，活塞上行，推挤胶芯，封井；上油口进油，下油口出油，活塞下行，胶芯靠弹性恢复，开井。2）井压助封 球形胶芯环形防喷器在封井过程中和封井之后，井内压力流体可以进入活塞上部环形槽内，产生对活塞的上推力，协助液压油推挤胶芯，帮助封井。注：不能单靠井内压力流体封井。球形胶芯环形防喷器的封井状态见封井状态示意图。,2023/10/16,66,返回19,2023/10/16,67,球形胶芯的结构,返回19,返回13,2023/10/16,68,球形胶芯的封井状态,返回19,2023/10/16,69,3、环形防喷器的比较 公称通经相同、最大工作压力相同的环形防喷器，各有自己的优劣。,2023/10/16,70,4、环形防喷器的合理使用 由于环形防喷器是利用胶芯的强烈变形来完成封井、利用胶芯的弹性完成开井的，胶芯的磨损、胶芯老化导致的弹性下降，都会降低胶芯的寿命，影响环形防喷器的封井效果。因此，合理使用环形防喷器，对保证其胶芯的寿命以及封井效果至关重要。使用中，应注意以下几点：1）在现场不做“封零”实验，但应做“封环空”实验；2）在封井状态下，可以慢速上下活动钻具，但不允许旋转钻具；3）不允许采用微开防喷器的方法卸降套管压力；4）严禁将防喷器当刮泥器使用；5）强行起下钻时，只能通过具有18度坡度的对焊钻杆接头；6）封井的液控压力不能太大。液控压力一般为10.5MPa，最大不得超过15MPa；7）不允许长期处于关井状态，否则，橡胶会加速老化，弹力下降；8）胶芯备件应平放在27以下、干燥避光的场合，不要压挤叠堆，还要远离产生电弧的设备，以防变形、老化。,2023/10/16,71,二、闸板防喷器 闸板防喷器是利用液压力将两块带有胶芯的闸板，从两侧推向井眼中心，封闭井口。该类防喷器在国内研制最早，现场应用最多。功用：1）当井内无钻具时，利用全封闸板全封井口；2）当井内有钻具时，利用与钻具尺寸相应的半封闸板封闭井口环形空间。3）当井内有钻具，又需要将钻具剪断全封井口时，可用剪切闸板迅速剪断钻具，全封井口。类型：按照闸板形状的不同，闸板防喷器有以下几种类型：1）单闸板防喷器壳体内只有一个闸板室，只能装一副闸板；2）双闸板防喷器壳体内有两个闸板室，能装两副闸板；3）三闸板防喷器壳体内有三个闸板室，能装三副闸板。国内只有单闸板防喷器和双闸板防喷器，其中双闸板防喷器用得最多，一般装一副全封闸板、一副半封闸板。国内目前尚无研制三闸板防喷器。,2023/10/16,72,1、闸板防喷器结构概况 由于生产厂家不同，闸板防喷器的具体结构有很大的差异。使用时应熟悉所用闸板防喷器的具体结构。这里介绍闸板防喷器的一般构造。基本组成：闸板防喷器由壳体、侧门、油缸体、端盖、活塞与活塞杆、锁紧杆、闸板等组成（见结构图）。结构要点：1）壳体上有垂直通孔；上下端面有与其他部件连接的双头螺栓孔；体内有闸板室，当防喷器开启时，闸板处于闸板室内；2）壳体两侧有上下双铰链座，铰接着可以开启的侧门；3）铰链座上有油口。其中，上铰链座的油口与关闭闸板的油路相通；下铰链的油口与开启闸板的油路相通（也有例外的，要注意）；4）侧门通过螺钉与壳体固连；卸掉螺钉，可以打开侧门，以便更换闸板。5）侧门的外侧是液压缸，液压缸的活塞与活塞杆是整体结构，活塞杆端部有“T”形钩头，钩挂着闸板体；6）活塞杆内有左旋螺纹孔，中间旋有锁紧杆。当闸板关井后，顺时针旋转锁紧杆，锁死闸板，控制系统可以卸压；当关井前液压系统出故障，顺时针旋转锁紧杆，则可手动关井。,2023/10/16,73,2023/10/16,74,返回26,返回29,2023/10/16,75,2、闸板防喷器的工作原理与特殊结构 在了解了闸板防喷器的总体结构后，下面将对其工作原理和一些特殊结构问题作进一步的介绍。1）液压动作（见结构图）闸板防喷器的上、下铰链座的两个油口，分别与远程控制台上的三位四通换向阀的工作油口相通。操作换向阀，使上铰链座油口进油，下铰链座油口出油，则左右两油缸通过活塞和活塞杆推动闸板向中心运动，实现封井；反之，则实现开井。特别注意，有的闸板防喷器与上所述相反。2）闸板结构 闸板有全封、半封和剪切闸板三类，最常用的是前两类。闸板由闸板体、密封胶芯、压块三部分组成，见结构示意图。3）闸板防喷器的四处密封（见结构图）为保证闸板防喷器可靠封井，必须保证以下四处密封可靠：a、闸板前部与钻具之间；b、闸板顶部与壳体之间；c、侧门与壳体之间；d、侧门腔与活塞杆之间。,2023/10/16,76,单面半封闸板,单面全封闸板,双面半封闸板,返回29,2023/10/16,77,4）井压助封 当闸板封井后，井内流体压力可以协助液压系统实现可靠封井。这样，可以减轻液压系统的负担。井压助封可以体现在两个方面：a）轴向助封。帮助完成上述第二项密封：闸板顶部与壳体之间；b）径向助封。帮助完成上述第一项密封：闸板前部与钻具之间。注：不能单靠井内压力流体封井。,2023/10/16,78,5）钻具自动居中、自动清沙 闸板防喷器工作中，可能会出现两个问题：a）当需要封井时，钻具有可能不在井眼中心，无法实现封井；b）钻井液中的泥沙会沉积在闸板室内，堵塞闸板，使闸板无法移动。为防止这些问题，在结构上做了特殊考虑：a）闸板体上设居中撞块（见下图）；b）闸板室底部设计成向中心倾斜的斜面，以利泥沙冲入井内。闸板则支撑在很窄的两条支撑筋板上，保证闸板的水平移动（见下图）。,2023/10/16,79,6）闸板防喷器的机械锁紧装置 作用：1、液压封井后，锁紧活塞，使液压系统卸压，保持长时间封井；2、当液压控制系统失效后，可以手动封井。组成：活塞杆内孔与锁紧轴构成的左旋螺纹副、止推轴承、手轮（未画）。操作要点：1、液压封井后，顺时针旋转锁紧轴，锁紧轴退出，实现机械锁紧；2、在未封井情况下，顺时针旋转锁紧轴，实现手动封井；3、在锁紧情况下要液压开井，必须先逆时针旋转锁紧轴解锁。,2023/10/16,80,7）闸板防喷器活塞杆的二次密封 闸板防喷器的侧门体与活塞杆之间有两组密封圈（如图），右侧一组防止液压缸内的油外泄，左侧一组防止井内泥浆进入液压缸。两组密封圈必须背靠背安装。利用下部的观察孔可以判断何组密封圈失效。在封井情况下，若密封圈失效，特别是左侧密封圈失效，将造成严重的井喷失控。为此设计了以防万一的二次密封装置。该装置由单向阀、二次密封脂、起推挤作用的内六方螺钉、螺塞组成。使用注意：1、预先填满二次密封脂，专用扳手妥善放好，以备急用；2、防喷器使用时，卸掉观察螺塞，随时观察；3、密封失效后，压注二次密封脂，量以堵住泄漏为限，不可过多。,2023/10/16,81,3、闸板防喷器的合理使用（1）半封闸板防喷器的尺寸应与钻杆杆身尺寸相对应；（2）井中有钻具时切忌使用全封闸板封井；（3）当需要长期封井时，应手动锁紧，然后将远程控制台上的换向阀手柄扳至“中”位，使液压系统卸压，也为下次开井做好准备；（4）闸板在手动锁紧操作时，两手轮必须顺时针旋转到位，再回转1/41/2圈；（5）长期封井后，开井之前，应首先解锁，然后才扳动液压换向阀手柄至“开”位，液压开井；未解锁不得液压开井；未开井，不得上提钻具；（6）闸板在手动解锁操作时，两手轮必须逆时针旋转到位，再回转1/41/2圈；,2023/10/16,82,（7）半封闸板封井后不能旋转钻具；（8）进入油气层后，每次起下钻前，应开、关活动闸板一次；（9）半封闸板不得在空井情况下试开、关；（10）防喷器在“待命”状态下应旋下二次密封观察孔螺塞；在封井状态下应有专人负责监视二次密封观察孔是否溢流；（11）井喷后需要封井，应先关环形防喷器短时阻断液流，再关闸板防喷器，防止高速流体刺坏闸板密封；然后打开环形防喷器。,2023/10/16,83,第三节 防喷器液压控制装置 一、概述 1、防喷器液压控制装置的组成 防喷器液压控制系统主要由三大部分组成：（1）司钻控制台(遥控装置)安放在钻台上，由司钻操作实现井喷控制；（2）远程控制台（储能器装置）安放在井架大门侧前方25米以远处，当无法用司钻控制台时，可用其控制井喷。主要由电动液压泵、气动液压泵、储能器、油箱、各种液压元件等组成。（3）控制管汇液压管汇排、气压管汇束。将远程控制台与井口装置联系起来、将司钻控制台与远程控制台联系起来。现代的防喷器液压控制系统还增加了辅助控制台，安放在值班室内，用作应急遥控装置。见图。,2023/10/16,84,2、防喷器液压控制装置类型与型号（1）防喷器液压控制系统的类型 按照远程控制台上主换向阀的遥控方式不同，防喷器液压控制系统的类型可分为三类：液控液型利用液压传动的方式来遥控主换向阀。由于遥控距离很长，液压阻力大，该法不太好。气控液型利用气压传动的方式来遥控主换向阀。由于气体流动阻力小，反应灵敏，使用安全，该方法很适合。陆地钻机大都用此法。电控液型利用电磁方式来控制主换向阀（主换向阀是电磁换向阀）。该方法要用电，因此防止电火花成为主要问题。海洋钻机采用较多。（2）防喷器液压控制系统的型号 型号由字母与数字组成：FKQ 400 5 A,2023/10/16,85,二、防喷器液压控制装置的工作原理 这里以陆地钻机使用较多的FKQ4005型为例介绍。（见下页图）介绍顺序：1、液压源的制备、储存与补充；电动泵三缸单作用卧式柱塞泵；气动泵由往复式气马达驱动抽油泵（与井下抽油泵原理相同，由游动阀和固定阀保证液体单向流动）；储能器10个气囊式钢瓶组成，有效工作总容积400升；油箱850升立式油箱。2、液流方向、压力的控制；主换向阀5个三位四通O型手动换向阀（钢球定位），可控制5个对象；减压阀2个先导式手动减压阀，其中一个专为环形防喷器油路设；旁通阀1个二位二通手动换向阀；溢流阀2个先导式手动溢流阀；压力继电器一个，调定21MPa，控制电动泵自动启停车；3、气压遥控 每个主换向阀的手柄上都连一个气缸，由司钻台上的二位四通Y型手动换向阀（弹簧复位）控制；利用气动变送器将液压力转换为气压力，司钻台上的气压表显示相应液压力。,2023/10/16,86,红色高压液压源管道；蓝色气压管道；黑色控制液压管道,2023/10/16,87,第三章 自动送钻装置,本章目录第一节 自动送钻装置的类型及特点 一、自动送钻装置的类型 二、自动送钻装置的特点第二节 自动送钻装置的工作原理 一、摩擦式自动送钻装置 二、液压式自动送钻装置 三、电动式自动送钻装置,2023/10/16,88,第一节 自动送钻装置的类型及特点 一、自动送钻装置的类型 根据自动送钻装置的结构特点和控制方式，可以分为三大类：1、摩擦式自动送钻装置 该装置象司钻一样，通过控制绞车的刹把，改变刹带与滚筒摩擦鼓之间的摩擦力，平衡钻具自重产生的力矩，实现自动送进钻具。注：该类型又有机械摩擦式（如6B型）、气动摩擦式（如Bear Cat）、液压摩擦式等种类。该类型的最大优点是：易于安装到任何钻机上，不需改变原钻机的结构。,2023/10/16,89,2、液压式自动送钻装置 该装置通过控制与滚筒相连接的液压马达的回油压力，从而产生反力矩，平衡钻具自重产生的力矩，实现自动送进钻具。3、电动式自动送钻装置 该装置通过控制与滚筒相连接的直流电动机的输入电压，从而产生反力矩，平衡钻具自重产生的力矩，实现自动送进钻具。,2023/10/16,90,二、自动送钻装置的特点 自动送钻装置是一个机械手，可以代替司钻，自动送进钻具，实现正常的钻进工作。在正常钻井过程中使用自动送钻装置，具有如下优点：1、控制钻压稳定，可以保证优化设计的钻井方案得到实施，提高钻井速度；2、控制钻压稳定，可以大大提高钻头的使用寿命，提高钻头进尺；3、钻压调节方便、且准确，根据不同的地层，采用最佳的钻压，可以防止井斜，提高井身质量；4、可以减轻司钻的劳动强度（包括精神和体力方面）。,2023/10/16,91,第二节 自动送钻装置的工作原理 一、摩擦式自动送钻装置送钻装置 这里介绍美国 6B型机械摩擦式自动送钻装置送钻装置。其装配在我国引进的1320UE钻机上。1、基本组成 1）钻压传感器把死绳拉力信号转化为液压信号；2）给定钻压调节器给出预定的气压形式的钻压信号；注意：“气压形式的钻压信号