摘要：空氣鉆井在鉆遇油氣層時，易發(fā)生井下燃爆，造成鉆具被埋、井眼報廢等復雜情況。為此，分析了井下燃爆發(fā)生的條件、方式、原因和燃爆機理，提出針對現場實際情況預防燃爆的措施，即加強對地層的認識，避免在油氣層采用空氣鉆井或轉換成霧化泡沫鉆井，防止井下燃爆和卡鉆的發(fā)生，保持井眼暢通防止濾餅圈的形成，利用UBD氣體監(jiān)測系統(tǒng)加強井下烴類氣體的隨鉆監(jiān)測以及采用防燃爆短節(jié)來及時發(fā)現和預防井下燃爆的發(fā)生，以保障空氣鉆井的順利實施。
關鍵詞：空氣鉆井；井下燃爆；預防；空氣霧化鉆井；四川盆地東北
O 引言
中國石化集團自2005年12月在老君1井推廣應用氣體鉆井以來，已在川東北地區(qū)60多口井上實施了氣體鉆井，平均機械鉆速為7.47m/h，較常規(guī)鉆井液鉆井提高了3～8倍，嚴重漏失、井斜等鉆井復雜問題得到了較好的控制，加快了川東北勘探開發(fā)的步伐。空氣鉆井或空氣霧化鉆井中最大的問題之一就是井下燃爆問題，有多口井在川東北地區(qū)陸相地層遇到了地層出氣的情況。在空氣鉆井中鉆遇的任何油氣層，無論其產量多么小，壓力多么低，均有井下燃燒、爆炸的可能性，即井下燃爆[1]。
1 井下燃爆的條件、原因及燃爆機理
1.1 井下燃爆的定義
井下燃爆，通稱井下著火。主要發(fā)生在用空氣或霧化空氣鉆開油氣層的過程中，當空氣與油或氣混合達到一定的濃度范圍及反應溫度時，可能發(fā)生氧化反應，并釋放出熱量。如果該過程產生的熱量不能及時釋放出來，則會導致燃燒反應的加速，并最終引起井下爆炸[2～3]。
1.2 井下燃爆的危害性
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，造成的損失會相當嚴重，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，只能填井側鉆。在四川普光氣田的普104-1井和普303-1井都因發(fā)生井下燃爆導致斷鉆具而填井側鉆。
1.3 井下燃爆的條件
任何井下起火，都要有足夠的氧氣來點火、足夠的燃料來支撐和火源，這3個條件必須同時達到。研究表明，常溫常壓下天然氣(甲烷氣)與空氣混合爆炸極限濃度為5%～15%，H2S爆炸濃度為4.3%～46%。隨著溫度、壓力的升高，天然氣與H2S氣體與空氣混合發(fā)生燃爆的濃度范圍會擴大。
1.4 井下燃爆的原因
在空氣鉆井作業(yè)中，井下著火通常可由如下3種因素引起[4～5]：
1.4.1 濾餅圈
濾餅圈的形成使循環(huán)氣體攜巖、攜水能力不足，致使巖屑發(fā)生水化粘接的現象，堵塞氣流循環(huán)通道，從而使天然氣與空氣聚積，當天然氣與空氣的比例達到其燃爆范圍內時，將會發(fā)生自行爆燃。
1.4.2 井下火星
由于井內沒有水基流體存在，空氣鉆井中，鉆頭、鉆鋌及鉆桿接頭等部件與石英砂巖等硬地層碰撞時可能會產生火星。如果井內可燃物質與空氣的濃度比達到其燃爆極限，這種火星就會點燃可燃混合物，引起井下著火。
1.4.3 鉆柱小孔
當空氣在一定的壓力下通過鉆柱上的小孔時，高速流動的氣體會在小孔周圍產生大量的熱而形成一個熱點，若此時井內可燃氣體與空氣的混合物比例在其燃爆極限之內，也會引起井下著火爆炸。
1.5 空氣鉆井井下燃爆機理
使可燃混合物著火的方式一般有兩種：自燃與點燃，前者是自發(fā)的，后者為強制的。而在這兩種情況下空氣鉆井井下燃爆主要有井下熱自燃、井下熱球點火、井下熱板點火和井下火花點火4種著火機理，對于空氣鉆井而言主要有如下的燃爆情況：
1) 在正常鉆進環(huán)空流道暢通的條件下，井下最可能的著火方式是火花點火方式。
2) 在出現環(huán)空流道不暢的現象時，井下最可能的著火方式是熱自燃方式。
3) 熱球點火方式和熱板點火方式，一般著火時要求的熱球、熱板溫度相對比較高，在正常條件下，除鉆頭部分和鉆具上的微小縫洞造成的高速氣流發(fā)熱外，若鉆具其他部分與井壁不存在嚴重的摩擦等局部發(fā)熱現象，井下無異常高溫源，由此方式著火的可能性較前述兩種相對較小，但也不是絕對不可能的。
2 川東北地區(qū)空氣鉆井燃爆情況
在川東北地區(qū)，有多口空氣鉆井施工在千佛崖組、自流井組和須家河組遇到了地層出氣情況，并監(jiān)測到氣測值升高，甲烷含量升高，其中有3 VI井發(fā)生了井下燃爆，造成了嚴重的后果和經濟損失。
元壩3井空氣鉆進至千佛崖組地層，井深為3521.24m，立管壓力由3MPa上升到8MPa；全烴突然從零快速上升達到50%，后達到86.21%。排砂管出口處測得H2S值達40mg/L，立即停氣停鉆；關封井器，改成放噴池點火，兩條放噴管線出口火焰高為5m左右。起鉆后發(fā)現井下在鉆開氣層后曾發(fā)生燃爆，鉆頭牙齒脫落，3號牙輪局部被高溫燒熔，面積達3號牙輪總面積的1/10，共打撈出完整牙輪齒39顆，斷齒18顆，碎片若干，總重量為3.3kg，導致鉆頭報廢(見圖1)。終止空氣鉆井施工，轉換為鉆井液鉆井、壓井。普光104-1井采用空氣鉆井鉆至須家河組3836m時，氣體監(jiān)測見異常顯示，氣測全烴值迅速從0.031%升高至76.865%，C1由0.021%上升至46.505%，工程停鉆，排砂管線用常明火點燃氣體，并打開兩條主放噴管線放噴，火焰高為10m。氣體監(jiān)測：CO2值大幅度上升，02由20%下降到零，判斷為井下燃爆。這次燃爆，直接導致發(fā)生卡鉆事故，爆炸松扣，鉆桿斷，打撈失敗，最后填井側鉆，報廢進尺為277.5m。普303-1井發(fā)生了井口燃爆并造成了重大的經濟損失(見圖2和表1)。
表1 川東北空氣鉆井燃爆發(fā)生情況統(tǒng)計表
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井號
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燃爆情況
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地層
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井深(m)
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復雜情況
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排砂口
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事故損失
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元壩2
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井下燃爆
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千佛崖組
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3727.82
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出氣，全烴升高
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放噴，火焰高為6～8m
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放噴點火12h后，轉換為氮氣鉆井
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元壩3
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井下燃爆
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下沙溪廟組
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3521.44
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出氣，烴值增大，含有H2S
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放噴，火焰高為4～5m
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牙輪鉆頭牙齒共計整體脫落51顆，明顯是高溫燒熔，導致鉆頭報廢
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P303-1
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井口燃爆
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千佛崖組
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2177.61
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出氣，全烴升高
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放噴，火焰高為2m
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炸斷鉆具，共計1847.11m，打撈失敗，填井側鉆，報廢進尺1286.61m，損失時間31d
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P104-1
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井下燃爆
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須家河組
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3836.00
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出氣，全烴升高
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放噴，火焰高為10m
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燃爆，導致卡鉆，打撈失敗，填井側鉆，報廢進尺277.5m
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3 燃爆的預防及滅火
空氣鉆井無論是在井口還是井下發(fā)生燃爆，都會造成嚴重的后果和經濟損失。實施空氣鉆井，預防井下或井口燃爆的有效措施是要準確地預知鉆遇地層是否含有氣層以及出氣量的大小，然后在空氣鉆井鉆遇氣層時，杜絕火源和井下著火。
3.1 避免在油氣層采用空氣鉆井
針對在生產層位或預計鉆遇含有油氣層位的井段避免或停止空氣鉆井，而轉換成其他常規(guī)鉆井方式。這就要求加強地層出氣對比分析，提前控制空氣鉆井速度，遇鉆時變快、氣測異常等及時停鉆循環(huán)處理，正常后鉆進。
3.2 保持井眼通暢，降低井下著火的可能性
通過觀察立管壓力的變化，可以了解井下濾餅圈的結構狀況，或者地層中天然氣侵入井內后在井底形成的回壓大小。一旦立管壓力值超過正常鉆進的壓力值，井下所形成的濾餅圈，只需很少量的天然氣氣體即可引燃井下混合氣體，所以，一旦在鉆進中發(fā)現了天然氣侵入井內，應立即停止鉆進，停止循環(huán)空氣。
3.3 向井內轉入霧化泡沫液或轉換循環(huán)介質
將井下易燃氣體與氧化劑的濃度控制在不會發(fā)生著火的范圍，甚至完全避免氧氣的進入。因此，可以采用將空氣轉換為泡沫或惰性氣體，即轉換循環(huán)介質。
1) 泡沫黏度高，對氣體具有很好的包被性，能有效阻止空氣與油或天然氣的接觸，有效地避免井下著火。但將空氣鉆井轉換為泡沫鉆井時需要同時考慮保護產層問題。
2) 將空氣轉換為氧氣含量很少甚至為零的惰性氣體是最為可靠和有效地防止井下燃爆的方法，可有效地避免井下油氣的燃燒爆炸。其中，利用氮氣鉆井是目前比較成熟的技術，但費用很高。
3) 在井內注入霧化液也能防止井下著火。
3.4 使用井下滅火短節(jié)
滅火短節(jié)(見圖3、圖4)，即鉆柱防火接頭，這是一種低熔點合金制造的閥件，即滅火浮閥，閥內裝有一個鋅環(huán)。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，當超過設計溫度時，低熔點合金鋅環(huán)熔化使一個襯套封住空氣流道，關閉閥門，停止向井底循環(huán)補充空氣，從而切斷氣源使火熄滅。
3.5 加強井下隨鉆監(jiān)測
井下隨鉆監(jiān)測系統(tǒng)是專門為監(jiān)測井下燃爆現象而開發(fā)研制的。目前，在現場使用比較成熟的是西南石油大學研制的UBD氣體監(jiān)測系統(tǒng)，其主要原理是在監(jiān)測到烴類氣體的情況下，通過對返出氣體中O2、CO2、和CO體積分數變化的監(jiān)測來判斷井下是否發(fā)生燃爆。一旦發(fā)生井下燃爆，由于井下燃燒為不完全燃燒，返出氣體中的CO2、CO氣體體積分數會升高，而O2氣體體積分數會降低。圖5是3種情況下監(jiān)測界面圖的對比[2]。
該系統(tǒng)在元壩1井等井上的應用，證明了該系統(tǒng)捕捉井下燃爆現象的靈敏性和準確性，能及時發(fā)現返出氣體組分、排砂管壓力等參數的異常變化、井下燃爆隱患和井下環(huán)空凈化問題，輔助綜合錄井儀判定有毒、易燃氣體出現的真實情況，為安全開展空氣鉆井起到保障作用。另外，在沒有發(fā)生井下燃爆和發(fā)現H2S氣體等有毒有害氣體，在烴類氣體體積分數為井隊安全預案許可范圍內的情況下，仍然可以在UBD氣體監(jiān)測系統(tǒng)的輔助下繼續(xù)使用空氣鉆井，從而提高鉆井速度。
4 認識與建議
1) 在川東北地區(qū)，非儲層段陸相地層，如須家河組、千佛崖組等地層為含氣層段，氣體鉆井過程中遇到地層出氣，均有發(fā)生燃爆的可能性，需要深入研究地層壓力、含氣量等情況。
2) 采用惰性氣體或氮氣代替空氣進行氣體鉆井，是可靠的防火、滅火方法。
3) 井下燃爆監(jiān)測系統(tǒng)能夠捕捉到井下燃爆現象，現場應用證明了該系統(tǒng)捕捉井下燃爆現象的靈敏性和準確性，建議擴大應用范圍。
參考文獻
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[5] 劉久艷，郭立穩(wěn).KJG2000監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的應用研究[J].中國礦業(yè)，2005，14(9)：81-83.
(本文作者：李鐵成1 劉東峰2 胡建均2 侯樹剛2 張堯3 鐘雨師3 1.中國石化中原油田普光分公司；2.中國石化中原石油勘探局鉆井工程技術研究院；3.西南石油大學)
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