川東北地區(qū)空氣鉆井燃爆分析與預(yù)防

摘 要

摘要：空氣鉆井在鉆遇油氣層時(shí)，易發(fā)生井下燃爆，造成鉆具被埋、井眼報(bào)廢等復(fù)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(jī)理，提出針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況預(yù)防燃爆的措施，即
摘要：空氣鉆井在鉆遇油氣層時(shí)，易發(fā)生井下燃爆，造成鉆具被埋、井眼報(bào)廢等復(fù)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(jī)理，提出針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況預(yù)防燃爆的措施，即加強(qiáng)對(duì)地層的認(rèn)識(shí)，避免在油氣層采用空氣鉆井或轉(zhuǎn)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(cè)系統(tǒng)加強(qiáng)井下烴類氣體的隨鉆監(jiān)測(cè)以及采用防燃爆短節(jié)來(lái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)防井下燃爆的發(fā)生，以保障空氣鉆井的順利實(shí)施。
關(guān)鍵詞：空氣鉆井；井下燃爆；預(yù)防；空氣霧化鉆井；四川盆地東北
O 引言
中國(guó)石化集團(tuán)自2005年12月在老君1井推廣應(yīng)用氣體鉆井以來(lái)，已在川東北地區(qū)60多口井上實(shí)施了氣體鉆井，平均機(jī)械鉆速為7.47m/h，較常規(guī)鉆井液鉆井提高了3～8倍，嚴(yán)重漏失、井斜等鉆井復(fù)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?？諝忏@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(wú)論其產(chǎn)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(jī)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(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)，可能發(fā)生氧化反應(yīng)，并釋放出熱量。如果該過程產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)釋放出來(lái)，則會(huì)導(dǎo)致燃燒反應(yīng)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(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，只能填井側(cè)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(dǎo)致斷鉆具而填井側(cè)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(lái)點(diǎn)火、足夠的燃料來(lái)支撐和火源，這3個(gè)條件必須同時(shí)達(dá)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(huì)擴(kuò)大。
1.4 井下燃爆的原因
在空氣鉆井作業(yè)中，井下著火通?？捎扇缦?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(xiàn)象，堵塞氣流循環(huán)通道，從而使天然氣與空氣聚積，當(dāng)天然氣與空氣的比例達(dá)到其燃爆范圍內(nèi)時(shí)，將會(huì)發(fā)生自行爆燃。
1.4.2 井下火星
由于井內(nèi)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(shí)可能會(huì)產(chǎn)生火星。如果井內(nèi)可燃物質(zhì)與空氣的濃度比達(dá)到其燃爆極限，這種火星就會(huì)點(diǎn)燃可燃混合物，引起井下著火。
1.4.3 鉆柱小孔
當(dāng)空氣在一定的壓力下通過鉆柱上的小孔時(shí)，高速流動(dòng)的氣體會(huì)在小孔周圍產(chǎn)生大量的熱而形成一個(gè)熱點(diǎn)，若此時(shí)井內(nèi)可燃?xì)怏w與空氣的混合物比例在其燃爆極限之內(nèi)，也會(huì)引起井下著火爆炸。
1.5 空氣鉆井井下燃爆機(jī)理
使可燃混合物著火的方式一般有兩種：自燃與點(diǎn)燃，前者是自發(fā)的，后者為強(qiáng)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(diǎn)火、井下熱板點(diǎn)火和井下火花點(diǎn)火4種著火機(jī)理，對(duì)于空氣鉆井而言主要有如下的燃爆情況：
1) 在正常鉆進(jìn)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(diǎn)火方式。
2) 在出現(xiàn)環(huán)空流道不暢的現(xiàn)象時(shí)，井下最可能的著火方式是熱自燃方式。
3) 熱球點(diǎn)火方式和熱板點(diǎn)火方式，一般著火時(shí)要求的熱球、熱板溫度相對(duì)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(yán)重的摩擦等局部發(fā)熱現(xiàn)象，井下無(wú)異常高溫源，由此方式著火的可能性較前述兩種相對(duì)較小，但也不是絕對(duì)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(cè)到氣測(cè)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(yán)重的后果和經(jīng)濟(jì)損失。
元壩3井空氣鉆進(jìn)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(dá)到50%，后達(dá)到86.21%。排砂管出口處測(cè)得H2S值達(dá)40mg/L，立即停氣停鉆；關(guān)封井器，改成放噴池點(diǎn)火，兩條放噴管線出口火焰高為5m左右。起鉆后發(fā)現(xiàn)井下在鉆開氣層后曾發(fā)生燃爆，鉆頭牙齒脫落，3號(hào)牙輪局部被高溫?zé)郏娣e達(dá)3號(hào)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(dǎo)致鉆頭報(bào)廢(見圖1)。終止空氣鉆井施工，轉(zhuǎn)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(shí)，氣體監(jiān)測(cè)見異常顯示，氣測(cè)全烴值迅速?gòu)?.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(diǎn)燃?xì)怏w，并打開兩條主放噴管線放噴，火焰高為10m。氣體監(jiān)測(cè)：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(dǎo)致發(fā)生卡鉆事故，爆炸松扣，鉆桿斷，打撈失敗，最后填井側(cè)鉆，報(bào)廢進(jìn)尺為277.5m。普303-1井發(fā)生了井口燃爆并造成了重大的經(jīng)濟(jì)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(jì)表
井號(hào)
燃爆情況
地層
井深(m)
復(fù)雜情況
排砂口
事故損失
元壩2
井下燃爆
千佛崖組
3727.82
出氣，全烴升高
放噴，火焰高為6～8m
放噴點(diǎn)火12h后，轉(zhuǎn)換為氮?dú)忏@井
元壩3
井下燃爆
下沙溪廟組
3521.44
出氣，烴值增大，含有H2S
放噴，火焰高為4～5m
牙輪鉆頭牙齒共計(jì)整體脫落51顆，明顯是高溫?zé)?，?dǎo)致鉆頭報(bào)廢
P303-1
井口燃爆
千佛崖組
2177.61
出氣，全烴升高
放噴，火焰高為2m
炸斷鉆具，共計(jì)1847.11m，打撈失敗，填井側(cè)鉆，報(bào)廢進(jìn)尺1286.61m，損失時(shí)間31d
P104-1
井下燃爆
須家河組
3836.00
出氣，全烴升高
放噴，火焰高為10m
燃爆，導(dǎo)致卡鉆，打撈失敗，填井側(cè)鉆，報(bào)廢進(jìn)尺277.5m
3 燃爆的預(yù)防及滅火
空氣鉆井無(wú)論是在井口還是井下發(fā)生燃爆，都會(huì)造成嚴(yán)重的后果和經(jīng)濟(jì)損失。實(shí)施空氣鉆井，預(yù)防井下或井口燃爆的有效措施是要準(zhǔn)確地預(yù)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(shí)，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(duì)在生產(chǎn)層位或預(yù)計(jì)鉆遇含有油氣層位的井段避免或停止空氣鉆井，而轉(zhuǎn)換成其他常規(guī)鉆井方式。這就要求加強(qiáng)地層出氣對(duì)比分析，提前控制空氣鉆井速度，遇鉆時(shí)變快、氣測(cè)異常等及時(shí)停鉆循環(huán)處理，正常后鉆進(jìn)。
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(jié)構(gòu)狀況，或者地層中天然氣侵入井內(nèi)后在井底形成的回壓大小。一旦立管壓力值超過正常鉆進(jìn)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(jìn)中發(fā)現(xiàn)了天然氣侵入井內(nèi)，應(yīng)立即停止鉆進(jìn)，停止循環(huán)空氣。
3.3 向井內(nèi)轉(zhuǎn)入霧化泡沫液或轉(zhuǎn)換循環(huán)介質(zhì)
將井下易燃?xì)怏w與氧化劑的濃度控制在不會(huì)發(fā)生著火的范圍，甚至完全避免氧氣的進(jìn)入。因此，可以采用將空氣轉(zhuǎn)換為泡沫或惰性氣體，即轉(zhuǎn)換循環(huán)介質(zhì)。
1) 泡沫黏度高，對(duì)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(zhuǎn)換為泡沫鉆井時(shí)需要同時(shí)考慮保護(hù)產(chǎn)層問題。
2) 將空氣轉(zhuǎn)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?dú)忏@井是目前比較成熟的技術(shù)，但費(fèi)用很高。
3) 在井內(nèi)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(diǎn)合金制造的閥件，即滅火浮閥，閥內(nèi)裝有一個(gè)鋅環(huán)。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)熔化使一個(gè)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。
 

3.5 加強(qiáng)井下隨鉆監(jiān)測(cè)
井下隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是專門為監(jiān)測(cè)井下燃爆現(xiàn)象而開發(fā)研制的。目前，在現(xiàn)場(chǎng)使用比較成熟的是西南石油大學(xué)研制的UBD氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其主要原理是在監(jiān)測(cè)到烴類氣體的情況下，通過對(duì)返出氣體中O2、CO2、和CO體積分?jǐn)?shù)變化的監(jiān)測(cè)來(lái)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?jǐn)?shù)會(huì)升高，而O2氣體體積分?jǐn)?shù)會(huì)降低。圖5是3種情況下監(jiān)測(cè)界面圖的對(duì)比[2]。
該系統(tǒng)在元壩1井等井上的應(yīng)用，證明了該系統(tǒng)捕捉井下燃爆現(xiàn)象的靈敏性和準(zhǔn)確性，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)返出氣體組分、排砂管壓力等參數(shù)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?xì)怏w出現(xiàn)的真實(shí)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(xiàn)H2S氣體等有毒有害氣體，在烴類氣體體積分?jǐn)?shù)為井隊(duì)安全預(yù)案許可范圍內(nèi)的情況下，仍然可以在UBD氣體監(jiān)測(cè)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(rèn)識(shí)與建議
1) 在川東北地區(qū)，非儲(chǔ)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?dú)獯婵諝膺M(jìn)行氣體鉆井，是可靠的防火、滅火方法。
3) 井下燃爆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠捕捉到井下燃爆現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明了該系統(tǒng)捕捉井下燃爆現(xiàn)象的靈敏性和準(zhǔn)確性，建議擴(kuò)大應(yīng)用范圍。
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(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(guó)石化中原油田普光分公司；2.中國(guó)石化中原石油勘探局鉆井工程技術(shù)研究院；3.西南石油大學(xué))