空气钻井燃爆灭火阀的研制及其在普光气田的应用

作者:刘东峰 聂军 兰凯 侯树刚 来源:中国石化中原油田钻井工程技术研究院 点击:  评论: 更新日期:2016年10月06日
摘要:空气钻井有效地提高了机械钻速、缩短了钻井周期,但其最大的问题之一就是井下燃爆问题。为了解决空气钻井在钻遇油气层时,发生井下燃爆,造成埋钻具、井眼报废等复杂情况,基于阻断氧气使火熄灭的思路研制出了一种低熔点合金制造的井下工具——空气钻井燃爆灭火阀。该灭火阀连接在钻头上方,一旦环空着火爆炸,温度升高,低熔点合金就会熔化,关闭阀门,切断气源使火熄灭,制止事态的进一步扩大;还开发了空气钻井防燃爆监测系统,可实时监测返出气体组分的变化和井下燃爆隐患,以确保空气钻井安全、实现快速钻进。
关键词:空气钻井;天然气;井下燃爆;灭火阀;研制;空气钻井防燃爆监测系统
    近年来,空气钻井技术在川东北地区得到推广应用,有效地提高了上部陆相地层的机械钻速,大幅度地加快了川东北地区的勘探开发步伐。但空气钻井实施过程中曾出现井下燃爆事故,其破坏性极大,造成的损失也相当严重。为减少或避免井下燃爆发生的概率,进行了空气钻井井下工具灭火阀及井口燃爆监测系统的研制开发。
井下燃爆及其危害
1.1  井下燃爆
   井下燃爆,主要发生在用空气或雾化空气钻开油气层的过程中,当空气与油或气混合达到一定的浓度范围及反应温度时,发生氧化反应,释放出热量,并最终引起井下爆炸[1~2]。发生燃爆的原因是比较复杂的,一是滤饼圈的形成堵塞环空通道;二是钻具与硬地层的碰撞产生火星;三是岩屑上返摩擦生热[3]
1.2  井下燃爆的危害
    井下燃爆在空气钻井中发生的概率较低,但其破坏性极大,造成的损失会相当严重,不但造成钻具烧毁,还会造成井眼破坏、套管烧熔,甚至使井眼报废,填井侧钻[2]。在四川普光气田,普104-1井和普303-1井都因发生井下燃爆导致断钻具而填井侧钻。其中,普光104-1井采用空气钻井钻至上三叠统须家河组3836m时,发生井下燃爆,直接导致卡钻事故的发生,打捞失败,最后填井侧钻,报废进尺为277.5m。川东北元坝3井也因井下燃爆导致钻头报废(见图1、2)。
 
灭火阀的性能及主要技术参数
2.1  灭火阀
    任何井下起火乃至爆炸,都要有足够的氧气来点火、足够的燃料来支撑和火源,这3个条件必须同时达到。根据该思路,如果在钻柱上接一个接头,能够阻断氧气供应的话,就可以使火熄灭。为此,研制设计了钻柱防火接头——灭火阀,它是在井下发生着火或燃爆时自动切断气体混合通道,制止事态扩大的一种有效工具。
2.2  灭火阀的研制
灭火阀其实是一个特殊的钻柱浮阀。气体钻井中,在钻头上部都安装有安全装置——浮阀(单向阀),可以防止环空中的压缩空气(或其他气体)和携带的岩屑回流进钻柱内。这种阀装有一个活瓣机构,循环停止时环空中的压缩空气和岩屑将会回流,回流推动活瓣关闭,反过来阻止回流。把浮阀经过改进,在其上部设计一个低熔点合金制造的阀件(采用锌环),加工形成了由单向阀总成和熔断阀总成两部分组成的灭火阀[4](见图3、4、5)。在正常情况下,循环的空气流动压力使弹簧瓣向下张开,允许空气循环通过。一旦环空着火,温度上升,当超过设计温度时,低熔点合金锌环熔化使衬套封住空气流道,关闭阀门,停止向井底循环补充空气,从而切断气源使火熄灭[5]


2.3 
灭火阀的技术参数
    灭火阀的有效长度为700mm,外径为208mm;通径为65mm,连接螺纹为730×730,锌合金牌号为ZZnA14Cu3Mg,作用温度为385℃。
2.4  灭火阀本体强度分析
    灭火阀接在钻头上部,其运动状态及受力情况较复杂,要求强度高。对灭火阀进行了力学特性分析和可靠性分析。
2.4.1有限元模型的建立

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