论文部分内容阅读
摘 要：空气雾化钻井中最大的问题之一就是井下失火的问题。在钻井过程中天然气和原油等烃类物质与含氧气体混合后，在其混合浓度达到燃爆范围并有燃爆条件时，井下就可能出现燃爆，会造成井下复杂事故，影响气体钻井的安全性，并造成巨大损失，因此空气雾化钻井井下防火问题是亟需研究解决的问题。
关键词：空气雾化钻井 井下燃爆 防火灭火
井下燃爆， 通称井下着火，主要发生在用空氣或雾化空气钻开油气层的过程中，当空气与气或油混合达到一定的浓度范围及反应温度时，可能发生氧化反应， 并释放出热量。如果该过程产生的热量不能及时释放出来，则会导致燃烧反应的加速，并最终引起井下爆炸。井下燃爆破坏性极大，造成的损失会相当严重，不但造成钻具烧毁，还会造成套管烧熔、井眼破坏，甚至使井眼报废。若将空气雾化钻井技术做为一种新型勘探、开发手段，做为一种保护储层、防止伤害的方法，就必须解决空气雾化钻井的井下着火问题，否则空气钻井就不敢面对产层，不能做为勘探开发中打开油气层的直接手段。
一、井下燃爆机理分析
空气钻井井下燃爆主要有井下热自燃、热球点火、热板点火和火花点火四种着火机理。在正常钻进环空流道畅通的条件下，井下最可能的着火方式是火花点火方式。在出现环空流道不畅的现象时，井下最可能的着火方式是热自燃方式。热球点火方式和热板点火方式，一般着火时要求的热球、热板温度相对比较高在，正常条件下，除钻头部分和钻具上的微小缝洞造成的高速气流发热外，若钻具其他部分与井壁不存在严重的摩擦等局部发热现象，井下无异常高温源，由此方式着火的可能性较前述两种相对较小，但也不是绝对不可能的。
二、开口与闭口对不同着火方式的影响分析
本文所讲的“开口”是指井下环空流道畅通、无阻塞时的流动情况；“闭口”是指由于环空堵塞、关井，或由于泥饼圈造成流道部分阻塞时流速降低的情况。
1.对热自燃着火方式的影响
在热自燃着火分析中，我们将开口系统不具备着火条件的情况看成是具备着火条件的地点在无穷远处的极限情况或着火感应期大于井下系统流动时间的情况，从而着重分析了闭口系统的热自燃条件。而实际上，开口与闭口在此分析方法中的最重要区别在于开口系统由于流动条件较好，它的散热条件也较好，对流换热系数较高，所以它的着火范围也较闭口系统在较差的散热条件下、较小的对流换热系数条件下的着火范围更小一些。在开口系统时不易着火，失火范围较窄，这就提示我们在钻进过程中一定要注意保持环空流道畅通，防止阻塞。另一方面闭口系统由于流道阻塞，流道内气体的压力相应地略高一些，也会引起着火范围的明显变化，但由于压力变化不大，对流体物性影响较小，故流体物性对着火范围的影响不明显，主要是流速变化影响着火范围。
2.对火花点火方式的影响
同开口与闭口对热自燃点火方式的影响相似，流速的不同不仅影响着系统的散热情况，影响对流换热系数，而且在火花点火方式时，流速还可影响碰撞产生的火花的形状、长度、碰撞能量等因素，故分析更困难一些。但一般条件下的碰撞能量都远大于火花点火所要求的最小点火能，所以流速主要影响的仍是散热条件。当速度低时，失火范围变大，井下失火可能性变大，趋于危险，故同样应努力保持流道畅通，以利安全。
3. 对热板点火方式的影响
开口与闭口对热板点火方式的影响不仅在于影响散热条件，影响对应换热系数，而且在于它影响流体流速的变化，从而影响流体流经炽热板所需的时间，引起流体被加热量的不同，而引起着火范围的变化。当流速降低后，失火范围变大，井下失火可能性变大，趋于危险，故应努力保持流道畅通，以利安全。
4. 对热球点火方式的影响
同开口与闭口对热板点火方式的影响原则相同，流速的不同同时影响着散热条件，影响对流换热系数，也影响着气体与小球的接触时间。当开口时，流体与炽热球接触时间越短，则要求的能点燃气体的热球温度越高，反之，当闭口时，若接触时间长，则要求的炽热球温度也较低，当速度低时，失火范围变大，井下失火可能性变大，趋于危险，故应努力保持流道畅通，以利安全。
三、井下防火与灭火技术
传统的空气钻井的防火与灭火技术是保守的、不安全的，近年来该项技术在国际上有了较大发展。总结常用的空气钻井防火与灭火技术有如下几种：
1.保持井眼畅通，即开口系统。实质上这只能有限地减少着火可能性，并不能达到防火、灭火之目的。
2.注入雾化液法。注入雾化液究竟是有利于防止井下着火，还是有利于促使井下着火，目前尚无定论，笔者认为，只从防火角度看，注入雾化液是有害的。美国能源部对美国空气钻井的统计结果表明约有20%至40%的空气钻井由于井下失火原因而停止使用，注入雾化液与干空气钻井在防止井下着火方面没有多大区别。
3.钻柱防火接头。这是一种低熔点合金制造的阀件，一旦环空着火，温度上升，低熔点合金熔化，关闭阀门，切断气源使火熄灭。但实际上这种方法解决不了空气钻井钻穿产层时的井下着火问题。因为，钻进产层后一旦发生井下失火，防火接头熔化切断气源灭火。之后的措施只能是起钻，更换防火接头后再下钻钻进。此种操作，可能使钻井根本无法继续。
4.转换为泡沫钻井。当井下有爆炸、燃烧的可能性时，将空气钻井转换为泡沫钻井、不稳定泡沫钻井，可以比较有效地防止井下失火。泡沫由连续排列的气泡组成，气泡相互之间由液膜隔开，这种结构大大改变了燃烧系统的热力学条件，使其极不易爆炸或燃烧；即便是个别气泡内产生爆炸、燃烧，由于液膜的隔断作用，这种爆炸、燃烧也不会传播扩散，故而难以形成井下燃烧、爆炸。但此时考虑限制一是成本和污染，二是勘探开发中储层保护的要求。
5.采用惰性气体代替空气。笔者认为此种方法是最为可靠的防火、灭火方法。在燃料氧化剂组成的预混可燃气体中加入惰性气体，不影响燃烧反应的机理，不参与化学反应，仅作为一种惰性物质存在于燃烧系统中，从物理角度解释，参加碰撞但不起反应的惰性气体分子的分子在系统内，使系统内的有效的分子碰撞大为减少，消耗了大量活化分子的动能，化学反应速度降低。惰性气体的加入对化学反应速度有影响，则也必然影响到燃烧反应时着火，火焰传播及熄火的浓度界限。
三、结束语
因此，空气钻井解决井下防火、灭火的关键是及时、方便、低成本地产生大量惰性气体，用它代替空气钻井，只要保证入井气体含氧量低于10%，便可保井下安全。在此基础上配用连续气测和重复式井下自动阀，还可进一步节约惰性气体费用。这才是井下灭火防火的根本出路。
参考文献 ：
[1] 赵晓竹，何恕，张坤，孙西静.大庆油田雾化/泡沫钻井液的研究与应用[J].钻井液与完井液，2009（4） .
[2] 冯大钧，艾惊涛，王卫东，王林.雾化钻井技术在门003-X4井的应用[ J].钻采工艺，2005（6）.
关键词：空气雾化钻井 井下燃爆 防火灭火
井下燃爆， 通称井下着火，主要发生在用空氣或雾化空气钻开油气层的过程中，当空气与气或油混合达到一定的浓度范围及反应温度时，可能发生氧化反应， 并释放出热量。如果该过程产生的热量不能及时释放出来，则会导致燃烧反应的加速，并最终引起井下爆炸。井下燃爆破坏性极大，造成的损失会相当严重，不但造成钻具烧毁，还会造成套管烧熔、井眼破坏，甚至使井眼报废。若将空气雾化钻井技术做为一种新型勘探、开发手段，做为一种保护储层、防止伤害的方法，就必须解决空气雾化钻井的井下着火问题，否则空气钻井就不敢面对产层，不能做为勘探开发中打开油气层的直接手段。
一、井下燃爆机理分析
空气钻井井下燃爆主要有井下热自燃、热球点火、热板点火和火花点火四种着火机理。在正常钻进环空流道畅通的条件下，井下最可能的着火方式是火花点火方式。在出现环空流道不畅的现象时，井下最可能的着火方式是热自燃方式。热球点火方式和热板点火方式，一般着火时要求的热球、热板温度相对比较高在，正常条件下，除钻头部分和钻具上的微小缝洞造成的高速气流发热外，若钻具其他部分与井壁不存在严重的摩擦等局部发热现象，井下无异常高温源，由此方式着火的可能性较前述两种相对较小，但也不是绝对不可能的。
二、开口与闭口对不同着火方式的影响分析
本文所讲的“开口”是指井下环空流道畅通、无阻塞时的流动情况；“闭口”是指由于环空堵塞、关井，或由于泥饼圈造成流道部分阻塞时流速降低的情况。
1.对热自燃着火方式的影响
在热自燃着火分析中，我们将开口系统不具备着火条件的情况看成是具备着火条件的地点在无穷远处的极限情况或着火感应期大于井下系统流动时间的情况，从而着重分析了闭口系统的热自燃条件。而实际上，开口与闭口在此分析方法中的最重要区别在于开口系统由于流动条件较好，它的散热条件也较好，对流换热系数较高，所以它的着火范围也较闭口系统在较差的散热条件下、较小的对流换热系数条件下的着火范围更小一些。在开口系统时不易着火，失火范围较窄，这就提示我们在钻进过程中一定要注意保持环空流道畅通，防止阻塞。另一方面闭口系统由于流道阻塞，流道内气体的压力相应地略高一些，也会引起着火范围的明显变化，但由于压力变化不大，对流体物性影响较小，故流体物性对着火范围的影响不明显，主要是流速变化影响着火范围。
2.对火花点火方式的影响
同开口与闭口对热自燃点火方式的影响相似，流速的不同不仅影响着系统的散热情况，影响对流换热系数，而且在火花点火方式时，流速还可影响碰撞产生的火花的形状、长度、碰撞能量等因素，故分析更困难一些。但一般条件下的碰撞能量都远大于火花点火所要求的最小点火能，所以流速主要影响的仍是散热条件。当速度低时，失火范围变大，井下失火可能性变大，趋于危险，故同样应努力保持流道畅通，以利安全。
3. 对热板点火方式的影响
开口与闭口对热板点火方式的影响不仅在于影响散热条件，影响对应换热系数，而且在于它影响流体流速的变化，从而影响流体流经炽热板所需的时间，引起流体被加热量的不同，而引起着火范围的变化。当流速降低后，失火范围变大，井下失火可能性变大，趋于危险，故应努力保持流道畅通，以利安全。
4. 对热球点火方式的影响
同开口与闭口对热板点火方式的影响原则相同，流速的不同同时影响着散热条件，影响对流换热系数，也影响着气体与小球的接触时间。当开口时，流体与炽热球接触时间越短，则要求的能点燃气体的热球温度越高，反之，当闭口时，若接触时间长，则要求的炽热球温度也较低，当速度低时，失火范围变大，井下失火可能性变大，趋于危险，故应努力保持流道畅通，以利安全。
三、井下防火与灭火技术
传统的空气钻井的防火与灭火技术是保守的、不安全的，近年来该项技术在国际上有了较大发展。总结常用的空气钻井防火与灭火技术有如下几种：
1.保持井眼畅通，即开口系统。实质上这只能有限地减少着火可能性，并不能达到防火、灭火之目的。
2.注入雾化液法。注入雾化液究竟是有利于防止井下着火，还是有利于促使井下着火，目前尚无定论，笔者认为，只从防火角度看，注入雾化液是有害的。美国能源部对美国空气钻井的统计结果表明约有20%至40%的空气钻井由于井下失火原因而停止使用，注入雾化液与干空气钻井在防止井下着火方面没有多大区别。
3.钻柱防火接头。这是一种低熔点合金制造的阀件，一旦环空着火，温度上升，低熔点合金熔化，关闭阀门，切断气源使火熄灭。但实际上这种方法解决不了空气钻井钻穿产层时的井下着火问题。因为，钻进产层后一旦发生井下失火，防火接头熔化切断气源灭火。之后的措施只能是起钻，更换防火接头后再下钻钻进。此种操作，可能使钻井根本无法继续。
4.转换为泡沫钻井。当井下有爆炸、燃烧的可能性时，将空气钻井转换为泡沫钻井、不稳定泡沫钻井，可以比较有效地防止井下失火。泡沫由连续排列的气泡组成，气泡相互之间由液膜隔开，这种结构大大改变了燃烧系统的热力学条件，使其极不易爆炸或燃烧；即便是个别气泡内产生爆炸、燃烧，由于液膜的隔断作用，这种爆炸、燃烧也不会传播扩散，故而难以形成井下燃烧、爆炸。但此时考虑限制一是成本和污染，二是勘探开发中储层保护的要求。
5.采用惰性气体代替空气。笔者认为此种方法是最为可靠的防火、灭火方法。在燃料氧化剂组成的预混可燃气体中加入惰性气体，不影响燃烧反应的机理，不参与化学反应，仅作为一种惰性物质存在于燃烧系统中，从物理角度解释，参加碰撞但不起反应的惰性气体分子的分子在系统内，使系统内的有效的分子碰撞大为减少，消耗了大量活化分子的动能，化学反应速度降低。惰性气体的加入对化学反应速度有影响，则也必然影响到燃烧反应时着火，火焰传播及熄火的浓度界限。
三、结束语
因此，空气钻井解决井下防火、灭火的关键是及时、方便、低成本地产生大量惰性气体，用它代替空气钻井，只要保证入井气体含氧量低于10%，便可保井下安全。在此基础上配用连续气测和重复式井下自动阀，还可进一步节约惰性气体费用。这才是井下灭火防火的根本出路。
参考文献 ：
[1] 赵晓竹，何恕，张坤，孙西静.大庆油田雾化/泡沫钻井液的研究与应用[J].钻井液与完井液，2009（4） .
[2] 冯大钧，艾惊涛，王卫东，王林.雾化钻井技术在门003-X4井的应用[ J].钻采工艺，2005（6）.