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(jī)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(shí)，發(fā)生井下燃爆，造成埋鉆具、井眼報(bào)廢等復(fù)雜情況，基于
摘要：空氣鉆井有效地提高了機(jī)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(shí)，發(fā)生井下燃爆，造成埋鉆具、井眼報(bào)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(diǎn)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(diǎn)合金就會(huì)熔化，關(guān)閉閥門，切斷氣源使火熄滅，制止事態(tài)的進(jìn)一步擴(kuò)大；還開發(fā)了空氣鉆井防燃爆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)返出氣體組分的變化和井下燃爆隱患，以確?？諝忏@井安全、實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)。
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(cè)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(jī)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(shí)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(jìn)行了空氣鉆井井下工具滅火閥及井口燃爆監(jiān)測(cè)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(shí)，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(huì)相當(dāng)嚴(yán)重，不但造成鉆具燒毀，還會(huì)造成井眼破壞、套管燒熔，甚至使井眼報(bào)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(shí)，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(bào)廢進(jìn)尺為277.5m。川東北元壩3井也因井下燃爆導(dǎo)致鉆頭報(bào)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(diǎn)火、足夠的燃料來支撐和火源，這3個(gè)條件必須同時(shí)達(dá)到。根據(jù)該思路，如果在鉆柱上接一個(gè)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(jì)了鉆柱防火接頭——滅火閥，它是在井下發(fā)生著火或燃爆時(shí)自動(dòng)切斷氣體混合通道，制止事態(tài)擴(kuò)大的一種有效工具。
2.2 滅火閥的研制
滅火閥其實(shí)是一個(gè)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(jìn)鉆柱內(nèi)。這種閥裝有一個(gè)活瓣機(jī)構(gòu)，循環(huán)停止時(shí)環(huán)空中的壓縮空氣和巖屑將會(huì)回流，回流推動(dòng)活瓣關(guān)閉，反過來阻止回流。把浮閥經(jīng)過改進(jìn)，在其上部設(shè)計(jì)一個(gè)低熔點(diǎn)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(dòng)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(jì)溫度時(shí)，低熔點(diǎn)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(bǔ)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(zhǎng)度為700mm，外徑為208mm；通徑為65mm，連接螺紋為730×730，鋅合金牌號(hào)為ZZnA14Cu3Mg，作用溫度為385℃。
2.4 滅火閥本體強(qiáng)度分析
    滅火閥接在鉆頭上部，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及受力情況較復(fù)雜，要求強(qiáng)度高。對(duì)滅火閥進(jìn)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(shí)體模型(見圖6)，利用COSMOS/Works自動(dòng)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(shí)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(shí)，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(diǎn)的位移為零，除下端面上的節(jié)點(diǎn)外，其余節(jié)點(diǎn)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(gè)典型的隨機(jī)動(dòng)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(jì)要求，在取鉆壓與內(nèi)壓時(shí)，按6000m深井的極限工作情況計(jì)算，以使滅火閥安全可靠。
    計(jì)算鉆壓：
    p=α·β·p0=2.0×1.6×300=640kN
式中：α為動(dòng)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(chǎng)實(shí)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(qiáng)度極限σb=1080MPa。在計(jì)算過程中將材料性質(zhì)定性為線彈性材料。
2.4.5強(qiáng)度分析
    用有限元分析軟件COSMOS/Works對(duì)上述有限元模型進(jìn)行計(jì)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(qiáng)度已經(jīng)足夠。使用分析軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)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(qiáng)度儲(chǔ)備。
3 空氣鉆井防燃爆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)
    空氣鉆井防燃爆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是專門為監(jiān)測(cè)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(cè)到烴類氣體的情況下，通過檢測(cè)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(jìn)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(cè)系統(tǒng)主要由氣樣采集及凈化裝置、氣體監(jiān)測(cè)儀、壓力傳感器、圖像監(jiān)測(cè)儀、無線傳輸模塊、監(jiān)測(cè)平臺(tái)(監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、顯示與存儲(chǔ))等組成。用于對(duì)井口氣體的成分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、動(dòng)態(tài)顯示，以便對(duì)氣體鉆井的過程進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。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(shí)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(jìn)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(shí)時(shí)記錄和保存，曲線實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。
    3) 可以進(jìn)行報(bào)警閾值參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)具有超限報(bào)警功能，O2、CO、CO2、H2S、CH4和排砂管線取樣口壓力測(cè)量范圍的閾值可以根據(jù)研究成果進(jìn)行合理設(shè)定。
4 認(rèn)識(shí)與建議
    1) 在川東北地區(qū)，非儲(chǔ)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(jìn)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(jì)的滅火閥，強(qiáng)度符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求，在正常氣體鉆進(jìn)時(shí)作為單流閥，當(dāng)井下發(fā)生可燃性氣體爆炸時(shí)，可有效阻斷氧氣的供應(yīng)，控制燃爆的進(jìn)一步擴(kuò)大。
3) 空氣鉆井防燃爆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)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(qiáng)對(duì)地層的認(rèn)識(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采取有效手段，保證空氣鉆井的安全、實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)。
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(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)