空氣鉆井燃爆滅火閥的研制及其在普光氣田的應(yīng)用

摘 要

摘要：空氣鉆井有效地提高了機械鉆速、縮短了鉆井周期，但其最大的問題之一就是井下燃爆問題。為了解決空氣鉆井在鉆遇油氣層時，發(fā)生井下燃爆，造成埋鉆具、井眼報廢等復(fù)雜情況，基于
摘要：空氣鉆井有效地提高了機械鉆速、縮短了鉆井周期，但其最大的問題之一就是井下燃爆問題。為了解決空氣鉆井在鉆遇油氣層時，發(fā)生井下燃爆，造成埋鉆具、井眼報廢等復(fù)雜情況，基于阻斷氧氣使火熄滅的思路研制出了一種低熔點合金制造的井下工具——空氣鉆井燃爆滅火閥。該滅火閥連接在鉆頭上方，一旦環(huán)空著火爆炸，溫度升高，低熔點合金就會熔化，關(guān)閉閥門，切斷氣源使火熄滅，制止事態(tài)的進一步擴大；還開發(fā)了空氣鉆井防燃爆監(jiān)測系統(tǒng)，可實時監(jiān)測返出氣體組分的變化和井下燃爆隱患，以確保空氣鉆井安全、實現(xiàn)快速鉆進。
關(guān)鍵詞：空氣鉆井；天然氣；井下燃爆；滅火閥；研制；空氣鉆井防燃爆監(jiān)測系統(tǒng)
    近年來，空氣鉆井技術(shù)在川東北地區(qū)得到推廣應(yīng)用，有效地提高了上部陸相地層的機械鉆速，大幅度地加快了川東北地區(qū)的勘探開發(fā)步伐。但空氣鉆井實施過程中曾出現(xiàn)井下燃爆事故，其破壞性極大，造成的損失也相當(dāng)嚴(yán)重。為減少或避免井下燃爆發(fā)生的概率，進行了空氣鉆井井下工具滅火閥及井口燃爆監(jiān)測系統(tǒng)的研制開發(fā)。
1 井下燃爆及其危害
1.1 井下燃爆
   井下燃爆，主要發(fā)生在用空氣或霧化空氣鉆開油氣層的過程中，當(dāng)空氣與油或氣混合達(dá)到一定的濃度范圍及反應(yīng)溫度時，發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放出熱量，并最終引起井下爆炸[1～2]。發(fā)生燃爆的原因是比較復(fù)雜的，一是濾餅圈的形成堵塞環(huán)空通道；二是鉆具與硬地層的碰撞產(chǎn)生火星；三是巖屑上返摩擦生熱[3]。
1.2 井下燃爆的危害
    井下燃爆在空氣鉆井中發(fā)生的概率較低，但其破壞性極大，造成的損失會相當(dāng)嚴(yán)重，不但造成鉆具燒毀，還會造成井眼破壞、套管燒熔，甚至使井眼報廢，填井側(cè)鉆[2]。在四川普光氣田，普104-1井和普303-1井都因發(fā)生井下燃爆導(dǎo)致斷鉆具而填井側(cè)鉆。其中，普光104-1井采用空氣鉆井鉆至上三疊統(tǒng)須家河組3836m時，發(fā)生井下燃爆，直接導(dǎo)致卡鉆事故的發(fā)生，打撈失敗，最后填井側(cè)鉆，報廢進尺為277.5m。川東北元壩3井也因井下燃爆導(dǎo)致鉆頭報廢(見圖1、2)。
 
2 滅火閥的性能及主要技術(shù)參數(shù)
2.1 滅火閥
    任何井下起火乃至爆炸，都要有足夠的氧氣來點火、足夠的燃料來支撐和火源，這3個條件必須同時達(dá)到。根據(jù)該思路，如果在鉆柱上接一個接頭，能夠阻斷氧氣供應(yīng)的話，就可以使火熄滅。為此，研制設(shè)計了鉆柱防火接頭——滅火閥，它是在井下發(fā)生著火或燃爆時自動切斷氣體混合通道，制止事態(tài)擴大的一種有效工具。
2.2 滅火閥的研制
滅火閥其實是一個特殊的鉆柱浮閥。氣體鉆井中，在鉆頭上部都安裝有安全裝置——浮閥(單向閥)，可以防止環(huán)空中的壓縮空氣(或其他氣體)和攜帶的巖屑回流進鉆柱內(nèi)。這種閥裝有一個活瓣機構(gòu)，循環(huán)停止時環(huán)空中的壓縮空氣和巖屑將會回流，回流推動活瓣關(guān)閉，反過來阻止回流。把浮閥經(jīng)過改進，在其上部設(shè)計一個低熔點合金制造的閥件(采用鋅環(huán))，加工形成了由單向閥總成和熔斷閥總成兩部分組成的滅火閥[4](見圖3、4、5)。在正常情況下，循環(huán)的空氣流動壓力使彈簧瓣向下張開，允許空氣循環(huán)通過。一旦環(huán)空著火，溫度上升，當(dāng)超過設(shè)計溫度時，低熔點合金鋅環(huán)熔化使襯套封住空氣流道，關(guān)閉閥門，停止向井底循環(huán)補充空氣，從而切斷氣源使火熄滅[5]。
 


2.3 滅火閥的技術(shù)參數(shù)
    滅火閥的有效長度為700mm，外徑為208mm；通徑為65mm，連接螺紋為730×730，鋅合金牌號為ZZnA14Cu3Mg，作用溫度為385℃。
2.4 滅火閥本體強度分析
    滅火閥接在鉆頭上部，其運動狀態(tài)及受力情況較復(fù)雜，要求強度高。對滅火閥進行了力學(xué)特性分析和可靠性分析。
2.4.1有限元模型的建立
利用SolidWorks三維CAD軟件，得到的本體的三維實體模型(見圖6)，利用COSMOS/Works自動劃分網(wǎng)格，建立有限元模型(見圖7、8)。劃分好的有限元模型與實體模型基本吻合，無“贅余”與“凹陷”，劃分較為準(zhǔn)確。
 
2.4.2邊界條件
    滅火閥工作時，下端面與空氣錘或鉆頭緊密接觸，上端面承受載荷(鉆壓和扭矩)。因此，取下端面為約束面，該面上所有節(jié)點的位移為零，除下端面上的節(jié)點外，其余節(jié)點自由。
2.4.3載荷條件
    在井下數(shù)千米，滅火閥受到的載荷情況十分復(fù)雜，是一個典型的隨機動載，起主要作用的載荷一是通過鉆柱傳來的鉆壓(p)與扭矩(M)，二是由泵壓與鉆井液液柱壓力在穩(wěn)定器內(nèi)腔產(chǎn)生的內(nèi)壓(q)。
    根據(jù)設(shè)計要求，在取鉆壓與內(nèi)壓時，按6000m深井的極限工作情況計算，以使滅火閥安全可靠。
    計算鉆壓：
    p=α·β·p0=2.0×1.6×300=640kN
式中：α為動載系數(shù)，無量綱；β為應(yīng)力集中系數(shù)，無量綱；p0為鉆壓，kN。
    根據(jù)現(xiàn)場實際應(yīng)用情況，扭矩按ZP-520轉(zhuǎn)盤額定扭矩取值，即M=16850Nm，滅火閥內(nèi)壓按6000m深井的極限工作情況，取q=84MPa(見圖8)。
2.4.4材料性能
    滅火閥本體的材料為40CrNiMo，其力學(xué)性能為彈性模量E=2.06×105MPa；剪切模量G=0.81×105MPa；泊松比μ=O.3；屈服應(yīng)力σs=930MPa；強度極限σb=1080MPa。在計算過程中將材料性質(zhì)定性為線彈性材料。
2.4.5強度分析
    用有限元分析軟件COSMOS/Works對上述有限元模型進行計算，得出了滅火閥本體內(nèi)各單元的應(yīng)力分布情況，最大應(yīng)力值為164.1MP。因本體的最大應(yīng)力值低于本體材料的屈服極限(930MPa)，其強度已經(jīng)足夠。使用分析軟件進行設(shè)計檢查，顯示其最小安全系數(shù)為5.7，滅火閥本體結(jié)構(gòu)具有足夠的強度儲備。
3 空氣鉆井防燃爆監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)
    空氣鉆井防燃爆監(jiān)測系統(tǒng)是專門為監(jiān)測氣體鉆井過程中返出氣體組分的變化而達(dá)到預(yù)防井下燃爆現(xiàn)象發(fā)生而配套開發(fā)研制的。它的工作原理是在監(jiān)測到烴類氣體的情況下，通過檢測CO2、CO、02、H2S等氣體體積分?jǐn)?shù)的變化來判斷是否有地層氣體進入井眼和是否發(fā)生井下燃爆[6～7]。
3.1 系統(tǒng)組成
    空氣鉆井防燃爆監(jiān)測系統(tǒng)主要由氣樣采集及凈化裝置、氣體監(jiān)測儀、壓力傳感器、圖像監(jiān)測儀、無線傳輸模塊、監(jiān)測平臺(監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、顯示與存儲)等組成。用于對井口氣體的成分?jǐn)?shù)據(jù)進行采集、存儲、動態(tài)顯示，以便對氣體鉆井的過程進行安全監(jiān)測。需要采集的數(shù)據(jù)包括：①井深；②二氧化碳含量；③一氧化碳含量；④氧氣含量；⑤甲烷等可燃?xì)怏w含量；⑥硫化氫含量；⑦溫度；⑧濕度。同時裝備攝像頭監(jiān)視泄流管口的流體形態(tài)，并在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上同步顯示其視頻。
3.2 系統(tǒng)功能
    1) 采用VC語言進行編程，工業(yè)串口參數(shù)設(shè)置界面，保證數(shù)據(jù)傳輸有效性和正確率。
    2) 數(shù)據(jù)實時記錄和保存，曲線實時動態(tài)顯示。
    3) 可以進行報警閾值參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)具有超限報警功能，O2、CO、CO2、H2S、CH4和排砂管線取樣口壓力測量范圍的閾值可以根據(jù)研究成果進行合理設(shè)定。
4 認(rèn)識與建議
    1) 在川東北地區(qū)，非儲層段陸相地層如上三疊統(tǒng)須家河組、中侏羅統(tǒng)千佛崖組等地層為含氣層段，氣體鉆進過程中遇到地層出氣，均有發(fā)生燃爆的可能性，一旦發(fā)生燃爆，造成的損失很大。
    2) 研制設(shè)計的滅火閥，強度符合現(xiàn)場實際要求，在正常氣體鉆進時作為單流閥，當(dāng)井下發(fā)生可燃性氣體爆炸時，可有效阻斷氧氣的供應(yīng)，控制燃爆的進一步擴大。
3) 空氣鉆井防燃爆監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)，能夠?qū)崟r監(jiān)測到返出氣體組分的變化和捕捉到井下燃爆現(xiàn)象，操作方便、界面友好。
4) 加強對地層的認(rèn)識，實時監(jiān)測，采取有效手段，保證空氣鉆井的安全、實現(xiàn)快速鉆進。
參考文獻
[1] 趙業(yè)容，孟英峰.氣體鉆井理論與實踐[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007.
[2] 李鐵成，劉東峰，胡建均，等.川東北地區(qū)空氣鉆井燃爆分析與預(yù)防[J].天然氣工業(yè)，2009，29(5):78-81.
[3] 李永杰.空氣霧化鉆井井下燃爆分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2002.
[4] WILLIAM C LYONS，BOYUN GUO，F(xiàn)RANK A SEIDEL.空氣和氣體鉆井手冊[M].曾義金，樊洪海，譯.北京：中國石化出版社，2006.
[5] 張林，余代銀.空氣鉆井井下燃爆事例分析[J].天然氣工業(yè)，2008，28(5):53-54.
[6] 馮靚，陳一健.空氣鉆井井下燃爆監(jiān)測系統(tǒng)[J].石油機械，2007，35(5):35-37.
[7] 朱禮平，王希勇.空氣鉆井隨鉆監(jiān)測技術(shù)及其應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2009，29(1):64-66.
 
 
(本文作者：劉東峰 聶軍 蘭凱 侯樹剛 中國石化中原油田鉆井工程技術(shù)研究院)