(一)钻井水下设备的主要用途、分类和组成
1．钻井水下设备的主要用途
    钻井水下设备是海洋浮式石油钻井(包括钻井浮船、半潜式钻井装置及其他浮动式石油钻井装置)装置关键配套设备，有以下主要用途：
(1)使浮式石油钻井装置在锚泊或动力定位条件下，在船偏离口中心位移不超过工作水深的5％(最大10％)的范围内，适应升沉、摇摆、平移的综合运动状态下进行石油钻井作业。
(2)形成海底井口与船上浮式钻井装置之间隔开海水的通道，以便于循环泥浆、钻具旋转钻进、提升和重返井孔。
(3)遥控井喷、节流放喷或压井。
(4)承托海底各型套管，并保持密封。
(5)张紧在升沉运动状态下的入水绳缆和隔水管。
(6)满足石油钻井工艺需要的各项送入和取出器具的作业。
(7)连接和脱开海底井口，并为下一步海底采油准备条件。
(8)在遇紧急情况(如海况恶劣、船位无法保持或井喷无法控制时)下，可剪断孔内钻具、脱开隔水管系与封井系统的连接，使船安全撤离。
2．钻井水下设备的分类和组成
    钻井水下设备主要分为一般绳索导向水下设备和无绳索导向水下设备两种，前者普遍用于水深300m(1000in)范围内，后者用于水深300～500m以上。
(1)具有导向绳的钻井水下设备
导向绳钻井水下设备一般由以下几部分组成：
1)井口系：包括井口导管、通用系列的套管头组、井口盘，永久导向架等．主要用于：确定和固定井口；按工艺需要下人各层套管并保持密封；装设永久导向绳或海底声学信标系统；为下一步海底采油提供导入连接接口。
2)封井系(即防喷器组)：包括液压连接器、液压闸板防喷器(含剪切钻轩均闸板防喷器)、液压万能防喷器、液控节流压井阀门、防喷器组上接头和防喷器组导向架等，是水下设备的心脏部分和关键所在，主要用于联接或脱开井口系。井内有钻杆或无钻杆时，进行预防井喷的封井、压井或放喷作业。
3)隔水管系：包括带有隔水管系导向臂、液压连接器、液压平衡式球形接头或挠性接头以及液压万能防喷器和挠性压井放喷管线组成的下隔水管组、按工作水深配备不同长度的隔水管或浮力式隔水管、气控或液控密封的伸缩隔水管、带球接头和液控导流器的泥浆出口管组等。主要用于隔开海水，循环泥浆；导入各层套管或钻具；靠上、下球形(或柔性)接头和伸缩隔水管以适应浮式钻井的升沉、摇摆、平移等综合运动；在浅地层钻遇天然气时进行分流防喷和钻井作业；临时控制井喷(装有万能防喷器)和在恶劣海况时脱开隔水管系与封井系的连接。
4)控制系：控制系统分为液、液控制系统、电、液控制系统和声学控制系统3种。而声学控制则用于液、液或电、液控制的辅助应急控制。它们包括船上(水面)的液压泵蓄能器组、司钻台控制柜(钻工控制柜)、生活区遥控柜、油管电缆绞车、管线、电缆、滑轮组；水面至海底的油管束或油管电缆；海底的阀门(液、液或电、液、声学的)插接器组等组成。主要用于遥控海底各液压执行器的各项启闭动作。
(2)无绳索导向的钻井水下设备
    无绳索导向的钻井水下设备，主要适用于工作水深超过300m的动力定位浮式石油钻井装置的配套。
    无绳索导向钻井水下设备的基本组成部分与具有导向绳的钻井水下设备基本相同，但外形结构和导入方式不同。其导向方式系利用海底声学信标、船上的船位仪、水下电视并结合动力定位系统调整船位将其导入。
1)井口系：具有声学信标的发送装置和具有倒喇叭、弹簧销式防震触头的井口系。其套管头组件被悬挂锁紧在井口，并提供液压连接器相匹配的外形结构。
2)封井系：除上部具有倒锥喇叭、弹簧销式防震触头，下部具有大角度安全释放连接的液压连接器外，其余的液压闸板防喷器、液压万能防喷器等，与有导向绳式的基本相同。
3)隔水管系：除具有挠性接头之上的声控液压紧急脱迁隔水管连接装置和下部具有大角度安全释放的液压连接器外，其余组成：诸如液压万能防喷器、挠性接头等，均与有导向绳式的隔水管系统基本相同(但隔水管采用浮力式)。
4)控制系统：采用电、液遥控(或电、液多路传输遥控)并结合应急的声学控制系统。
5)张紧系统：由于无永久导向绳，故不需要永久导向绳张紧器，但必须配备张力大的(或数量更多，一般在6个以上)隔水管张紧器。
(二)国外钻井水下设备近期发展概况与水平
1．随着工作水深和钻井深度的增加。封井工作压力已提高到105MPa(相当15000 psi)最高达到140MPa(相当20000psi)，最低为70MPa(相当10000psi)。
2．双组防喷器系统。已由单组防喷器系统所取代；防喷器通径已经标准化，通常为476．3mm(即18 3／4in)；而通径为406．4mm(虽p 16in)的防喷器主要用于深海石油钻井。
3．井口系
(1)为使勘探井与开发井相结合，已发展了可在海底拆装的组合式海底基板；为实现海上油田早期开发，新发展了可导入导管架的预钻井底盘；丛式井口中心距和导向绳对钻孔中心距离。已实现标准化并设有可调节水平装置。
(2)海底套管头组和套管程序已标准化，并统一为：762mm(30in)、508mm(20in)、340mm(13 3／8in)、244．5ram(9 5／sin)、178mm(7in)和140ram(5 1／2in)6种．
(3)海底套管头组的结构已设计成既能适应10．5MPa以上压力和悬吊深井套管又能适应水下完井作业。其密封已从挤压式发展为自封式或金属密封；为适应深水钻井，套管头组的送入工具，已从一般左旋螺纹工具，发展为液压或其它易于取出的工具。
4．防喷器组
(1)上下液压连结器已发展为易于开启的环形液缸，而取消了应急备用液缸，并可用绳索人工打开。
(2) 随着水深的增加，防喷器液压控制压力相对降低。并发展了水压平衡式闸板防喷器，当工作水深大幅度增加时，不需要再增加防喷器的液压控制力。
(3)为适应工作水深和钻井深度增加后对组合钻杆的需要，已成功的使用了变径闸板。其封钻杆的变径范围，一般为89～127mm(3 1／2～5in)；剪切全封闸板采用宇航材料后。其硬度显著增加，并可防止硫化氢造成的氢脆现象；闸板与承托壳体间采用了堆焊耐腐材料，以提高其使用寿命。
(4)防喷器壳体设计，采用了有限元计算、光弹法、断裂力学、声发射检验和CAD等现代化设计方法．为降低防喷器的有效高度空间。还采用了闸板防喷器与环形(万能)防喷器整体铸造工艺；防喷器组的配置，一般采用两组双闸板(其中最上一个为剪切全封闸板)和其上的环形(万能)防喷器，在下隔水管组上还安装了一组环形防喷器．
(5)为提高节流压井放喷阀门的工作压力。简化其制造工艺和缩小外形尺寸，大都为平行闸板型和集成块式的锻钢壳体。
5．隔水管系
(1)研制了一种长寿命特殊橡胶与球面叠层状钢板结合的挠性接头，不经任何维修，其使用寿命可达20年以上。
(2)开发了一种深水浮力隔水管微球浮力材料，耐压20MPa，适于工作水深2000m以内的浮力隔水管使用。
(3)在伸缩隔水管伸缩行程15m的范围内，采用了一种表面经耐磨处理的钢管和调压式密封，在使用中可更换密封元件，并有上、下密封(下密封在钻遇浅层气时与导流器联合使用，并作为上密封损坏时的应急使用件)。
(4)发展了一种连续式节流、压井挠性高压软管，节约了隔水管节流、压井管线的下放插接试压时间，并克服了在高压(>10．5MPa)下机械插接式管线因环状插接截面的存在而产生巨大的上下推力。
(5)普遍采用了导流器，并发展了一种更为安全、可全封的球形胶芯导流器。
    海洋石油钻井中发生重大海难事故的原因之一，是当钻遇浅层天然气时。由于没有安装导流器而造成的。浅层天然气不能采用封井(关闭防喷器)的办法。因为在浅层时，较大直径套管(承压强度低)及其水泥固井不能确保浅层气的密封，为不破坏浅层套管，只能采用导流的办法，将天然气导至左(或右)船舷烧掉。故现在所有钻井装置均设有导流器，导流器除沿用筒囊状密封之外。近期还发展了一种类似球形胶芯万能防喷器的导流器，Hydril公司采用的西546mm×14MPa(西21in×2000psi)组合式导流防喷器，为程序控制，可以封闭任何尺寸钻具，孔内无钻具时也能全封与导流。
(三)我国钻井水下设备的发展概况、水平与差距
1．1974年，地质矿产部上海海洋地质调查局首次将自行设计制造的I型全套钻井水下设备，用在双体石油钻井船“勘探1号”上，并在南黄海完成9 口石油普查钻井，该型钻井水下设备主要由以下几部分组成：
(1)防喷器组：由套管头液压连接器组、两组双闸板防喷器、防喷器上接头、4组液压平衡压井液控防喷阀和防喷器组导向架组成。
(2)下隔水管组：由机械连接器、球形接头、高压挠性胶管放喷管线和下隔水管组导向臂组成。
(3)控制系统：由进行电、液控制的液压软管、单独多芯电缆、船上控制的电控柜、液压操纵台、电机、液压泵、油箱、液管、双组备用控制绞车和液压软管绞车组成。
    I型钻井水下设备的主要技术参数是：
垂直通孔直径 324mm(12 1／2in)
封井工作压力 1 5MPa
防喷器组重量 80t(含两组海底电、液阀插接器组)
伸缩隔水管伸缩行程l 0m
控制系统电压 24V(直流)
控制系统液压 1 6MPa
整套钻井水下设备重量 约l 80t(包括全部送入工具)
    I型钻井水下设备与国外产品相比其主要差距是：封井工作压力偏低。仅为15MPa(目前国外最高达105～140MPa)；工作通径太小且不标准，目前国外已采用476．3mm大通径(18 3／4in)标准；电、液系统的水下部分制造质量不高，电磁阀密封环节多、不可靠；整个系统不完善。I型水下设备虽然在海上完成了9口石油普查钻井。但均未钻遇油、气层，故并未得到主要的封井、控制性能考验。该I型钻井水下设备仅相当国外60年代末、70年代初期水平。
2．在总结I型钻井水下设备研制、使用经验的基础上。地矿部上海海洋地质调查局又设计了Ⅱ型钻井水下设备，于1981年在上海完成了制造和陆地总装试验，整套Ⅱ型钻井水下设备主要包括以下几个部份：
(1)防喷器组：由液压连接器(带备用应急油缸)、两组双闸板防喷器、球形万能防喷器、防喷器上接头组、防喷器组导向架、8组液控平行闸板式压井放喷阀组成。
(2)隔水管系统：由下隔水管的液压连接器(与防喷器组液压连接器通用)、液压平衡式球形挠性接头、液控多油道母插座、快速卡块式连接隔水管与挠性节流压井管组合的公插头、下隔水管组导向架、伸缩隔水管组(为双密封剖分式充压密封结构)、带球形接头的泥浆出口管组等组成．
(3)水下设备控制系统：由进行电、液控制的电液组合式软管和用于船上控制的电控柜、微型遥控柜、储能器组(电机、液压泵)、组合式电、液软管绞车等组成．
    Ⅱ型钻井水下设备的主要技术参数是：
垂直通孔直径：346mm(13 5／8in)
封井工作压力：35MPa(5000 psi)
套管程序：508，340，244．5，178，140mm
(20，13 3／8，9 5／8，7，5 1／2in)
防喷器组重量：48．2t
隔水管通径：370mm
节流管线、压井管线(通径×压力)：68mm×35MPa
伸缩隔水管组伸缩行程：l0m
控制系统电压：24V(直流，湿式电磁铁)
控制系统液压：20MPa
整套钻井水下设备重量：约200t(包括全部送入工具)
    Ⅱ型钻井水下设备与国外产品相比，其主要差距是：
    封井压力仍然偏低，国外最高压力为105~140MPa，Ⅱ型水下设备仅为35MPa；工作通径较小，国外为476．3mm(18 3／4in)标准通径，Ⅱ型仅为346mm(13 5／8in)；国外采用电一气一液一液系统，控制系统可靠。Ⅱ型为水下罐式密封电一液系统，虽然比I型大，但与电一气一液一液系统(水下仅为液一液系统)比，其可靠性较差(因国内无条件制造液一液系统的长软管束)．后来，发现东海钻井井口压力高于50MPa，敢Ⅱ型未正式投入海上使用。该设备相当国外70年代后期水平。
    目前，“勘探3号”半潜式平台上使用的钻井水下设备，系由美国Vetco公司总装，除防喷器组、控制系统采用美国N·L·Shaffer公司产品，导流器选用休斯近海公司(Hughcs Offshore)的产品外，其余均为Vetco公司产品；“南海2号’全部为Cameron公司及其合作伙伴公司的产品；以上两艘半潜式平台的防喷器组通径均为476mm(18 3／4in)，封井压力为70MPa(10000 lbf／in2)“南海5号”和“南海6号”防喷器组的工作通径亦均为476．3ram(18 3／4in)，封井压力为105MPa(15000]bf／in2)，为美国海德里耳(Hydril Co．)公司等产品，符合国际80年代末期技术水平。
(四)对发展我国钻井水下设备的建议
    如前所述。我国已先后自行研制了I、Ⅱ型钻井水下设备。另外，上海大隆机器厂已于80年代中期引进了美国休斯近海公司的制造技术，并建立了钻井水下设备的专用总装试验车间；上海第一石油机械厂引进了美国Koomey公司的水下设备控制系统制造技术并已成套供应陆用石油钻井防唢器组和控制系统；上海第二石油机械厂也引进了美国McVoy公司关于套管头组、平行闸板高压节流、压井闸门技术．说明我国钻井水下设备的设计、制造技术水平和能力大有提高，建议今后我国所需的浮式钻井装置应自行研制。