空氣鉆井燃爆滅火閥的研制及其在普光氣田的應用

劉東峰 聶軍 蘭凱 侯樹剛

中國石化中原油田鉆井工程技術研究院

空氣鉆井燃爆滅火閥的研制及其在普光氣田的應用

劉東峰 聶軍 蘭凱 侯樹剛

中國石化中原油田鉆井工程技術研究院

劉東峰等.空氣鉆井燃爆滅火閥的研制及其在普光氣田的應用.天然氣工業,2010,30(2):81-84.

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,發生井下燃爆,造成埋鉆具、井眼報廢等復雜情況,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,一旦環空著火爆炸,溫度升高,低熔點合金就會熔化,關閉閥門,切斷氣源使火熄滅,制止事態的進一步擴大;還開發了空氣鉆井防燃爆監測系統,可實時監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、實現快速鉆進。

空氣鉆井 天然氣 井下燃爆 滅火閥 研制 空氣鉆井防燃爆監測系統

近年來,空氣鉆井技術在川東北地區得到推廣應用,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的勘探開發步伐。但空氣鉆井實施過程中曾出現井下燃爆事故,其破壞性極大,造成的損失也相當嚴重。為減少或避免井下燃爆發生的概率,進行了空氣鉆井井下工具滅火閥及井口燃爆監測系統的研制開發。

1 井下燃爆及其危害

1.1 井下燃爆

井下燃爆,主要發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,發生氧化反應,釋放出熱量,并最終引起井下爆炸[1-2]。發生燃爆的原因是比較復雜的,一是濾餅圈的形成堵塞環空通道;二是鉆具與硬地層的碰撞產生火星;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,填井側鉆[2]。在四川普光氣田,普104-1井和普303-1井都因發生井下燃爆導致斷鉆具而填井側鉆。其中,普光104-1井采用空氣鉆井鉆至上三疊統須家河組3836m時,發生井下燃爆,直接導致卡鉆事故的發生,打撈失敗,最后填井側鉆,報廢進尺為277.5m。川東北元壩3井也因井下燃爆導致鉆頭報廢(見圖1、2)。

圖1 元壩3井發生燃爆后起出的鉆頭圖

圖2 普光303-1井燃爆炸斷的鉆具圖

2 滅火閥的性能及主要技術參數

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個條件必須同時達到。根據該思路,如果在鉆柱上接一個接頭,能夠阻斷氧氣供應的話,就可以使火熄滅。為此,研制設計了鉆柱防火接頭——滅火閥,它是在井下發生著火或燃爆時自動切斷氣體混合通道,制止事態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),可以防止環空中的壓縮空氣(或其他氣體)和攜帶的巖屑回流進鉆柱內。這種閥裝有一個活瓣機構,循環停止時環空中的壓縮空氣和巖屑將會回流,回流推動活瓣關閉,反過來阻止回流。把浮閥經過改進,在其上部設計一個低熔點合金制造的閥件(采用鋅環),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,循環的空氣流動壓力使彈簧瓣向下張開,允許空氣循環通過。一旦環空著火,溫度上升,當超過設計溫度時,低熔點合金鋅環熔化使襯套封住空氣流道,關閉閥門,停止向井底循環補充空氣,從而切斷氣源使火熄滅[5]。

2.3 滅火閥的技術參數

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ZZnAl4Cu3Mg,作用溫度為385℃。

圖3 滅火閥—單向閥圖

圖4 滅火閥—熔斷閥圖

圖5 滅火閥(實物)圖

2.4 滅火閥本體強度分析

滅火閥接在鉆頭上部,其運動狀態及受力情況較復雜,要求強度高。對滅火閥進行了力學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,該面上所有節點的位移為零,除下端面上的節點外,其余節點自由。

圖7 本體三維有限元網格劃分圖

圖8 本體載荷施加圖

2.4.3 載荷條件

在井下數千米,滅火閥受到的載荷情況十分復雜,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定器內腔產生的內壓(q)。

根據設計要求,在取鉆壓與內壓時,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:

式中:α為動載系數,無量綱;β為應力集中系數,無量綱;p0為鉆壓,kN。

根據現場實際應用情況,扭矩按ZP-520轉盤額定扭矩取值,即M=16850Nm,滅火閥內壓按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,其力學性能為彈性模量 E=2.06×105MPa;剪切模量 G=0.81×105MPa;泊松比μ=0.3;屈服應力σs=930MPa;強度極限σb=1080MPa。在計算過程中將材料性質定性為線彈性材料。

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各單元的應力分布情況,最大應力值為164.1MP。因本體的最大應力值低于本體材料的屈服極限(930MPa),其強度已經足夠。使用分析軟件進行設計檢查,顯示其最小安全系數為5.7,滅火閥本體結構具有足夠的強度儲備。

3 空氣鉆井防燃爆監測系統開發

空氣鉆井防燃爆監測系統是專門為監測氣體鉆井過程中返出氣體組分的變化而達到預防井下燃爆現象發生而配套開發研制的。它的工作原理是在監測到烴類氣體的情況下,通過檢測CO2、CO、O2、H2S等氣體體積分數的變化來判斷是否有地層氣體進入井眼和是否發生井下燃爆[6-7]。

3.1 系統組成

空氣鉆井防燃爆監測系統主要由氣樣采集及凈化裝置、氣體監測儀、壓力傳感器、圖像監測儀、無線傳輸模塊、監測平臺(監測數據采集、顯示與存儲)等組成。用于對井口氣體的成分數據進行采集、存儲、動態顯示,以便對氣體鉆井的過程進行安全監測。需要采集的數據包括:①井深;②二氧化碳含量;③一氧化碳含量;④氧氣含量;⑤甲烷等可燃氣體含量;⑥硫化氫含量;⑦溫度;⑧濕度。同時裝備攝像頭監視泄流管口的流體形態,并在數據采集系統上同步顯示其視頻。

3.2 系統功能

1)采用VC語言進行編程,工業串口參數設置界面,保證數據傳輸有效性和正確率。

2)數據實時記錄和保存,曲線實時動態顯示。

3)可以進行報警閾值參數設置。系統具有超限報警功能,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研究成果進行合理設定。

4 認識與建議

1)在川東北地區,非儲層段陸相地層如上三疊統須家河組、中侏羅統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,均有發生燃爆的可能性,一旦發生燃爆,造成的損失很大。

2)研制設計的滅火閥,強度符合現場實際要求,在正常氣體鉆進時作為單流閥,當井下發生可燃性氣體爆炸時,可有效阻斷氧氣的供應,控制燃爆的進一步擴大。

3)空氣鉆井防燃爆監測系統的開發,能夠實時監測到返出氣體組分的變化和捕捉到井下燃爆現象,操作方便、界面友好。

4)加強對地層的認識,實時監測,采取有效手段,保證空氣鉆井的安全、實現快速鉆進。

[1]趙業榮,孟英峰.氣體鉆井理論與實踐[M].北京:石油工業出版社,2007.

[2]李鐵成,劉東峰,胡建均,等.川東北地區空氣鉆井燃爆分析與預防[J].天然氣工業,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,2002.

[4]WILLIAM C L YONS,BOYUN GUO,FRANK 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,2008,28(5):53-54.

[6]馮靚,陳一健.空氣鉆井井下燃爆監測系統[J].石油機械,2007,35(5):35-37.

[7]朱禮平,王希勇.空氣鉆井隨鉆監測技術及其應用[J].天然氣工業,2009,29(1):64-66.

Key words:air drilling,natural gas,downhole explosion,fire valve,development,downhole explosion monitoring system for air system

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.021

Liu Dongfeng,engineer,born in1971,graduated in petroleum geology from Northwest University in1994.He is now engaged in research on petroleum drilling technology.

Add:No.59,Zhongyuan Rd.,Puyang,Henan457001,P.R.China

Tel:+86-393-4899970 Mobile:+86-13525260062 E-mail:ldfeng1971@126.com

Development of downhole explosion prevention sub for air drilling:A case study in the Puguang gas field

Liu Dongfeng,Nie Jun,Lan Kai,Hou Shugang
(Drilling Engineering Technology Institute,Sinopec Zhongyuan Oilf ield Company, Puyang, Henan457001,China)

Air drilling can improve the ROP and shorten the drilling cycle effectively,but downhole explosion is the fatality of its good performance.To avoid loss of drilling tools and even well abandonment due to downhole fire or explosion during air drilling in pay zones,we developed a novel downhole fire or explosion prevention sub,a kind of downhole tool made of low melting-point alloy, designed to shield off oxygen so as to put out fires.This sub is connected to the upper part of dill bit.Once downhole fire or explosion occurs,the annular temperature would increase,so the valve in this sub will shut off when temperature is higher than the melting point,in this case,the downhole fire will be prevented without delay.In addition,we developed a borehole explosion monitoring system for air drilling to monitor any minor changes of gas components or any hidden danger in real-time,thus,to benefit the air drilling.

book=81,ebook=453

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.021

2009-10-17 編輯 鐘水清)

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目“提高超深井鉆井速度及安全鉆井技術研究”(編號:2006AA06A109-7)和中國石化集團重點科研項目“空氣鉆井防燃爆安全鉆井技術研究”(編號:2008302-1)。

劉東峰,1971年生,工程師;1994年畢業于西北大學石油地質專業;從事石油鉆井工程技術研究工作。地址: (457001)河南省濮陽市中原油田鉆井工程技術研究院工藝所。電話:(0393)4899970,13525260062。E-mail:ldfeng1971@126.com

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE2,pp.81-84,2/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)