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。
1 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)。
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
利用SolidWorks三维CAD软件，得到的本体的三维实体模型(见图6)，利用COSMOS/Works自动划分网格，建立有限元模型(见图7、8)。划分好的有限元模型与实体模型基本吻合，无“赘余”与“凹陷”，划分较为准确。
2.4.2边界条件
灭火阀工作时，下端面与空气锤或钻头紧密接触，上端面承受载荷(钻压和扭矩)。因此，取下端面为约束面，该面上所有节点的位移为零，除下端面上的节点外，其余节点自由。
2.4.3载荷条件
在井下数千米，灭火阀受到的载荷情况十分复杂，是一个典型的随机动载，起主要作用的载荷一是通过钻柱传来的钻压(p)与扭矩(M)，二是由泵压与钻井液液柱压力在稳定器内腔产生的内压(q)。
根据设计要求，在取钻压与内压时，按6000m深井的极限工作情况计算，以使灭火阀安全可靠。
计算钻压：
p=α·β·p0=2.0×1.6×300=640kN
式中：α为动载系数，无量纲；β为应力集中系数，无量纲；p0为钻压，kN。
根据现场实际应用情况，扭矩按ZP-520转盘额定扭矩取值，即M=16850Nm，灭火阀内压按6000m深井的极限工作情况，取q=84MPa(见图8)。
2.4.4材料性能
灭火阀本体的材料为40CrNiMo，其力学性能为弹性模量E=2.06×105MPa；剪切模量G=0.81×105MPa；泊松比μ=O.3；屈服应力σs=930MPa；强度极限σb=1080MPa。在计算过程中将材料性质定性为线弹性材料。
2.4.5强度分析
用有限元分析软件COSMOS/Works对上述有限元模型进行计算，得出了灭火阀本体内各单元的应力分布情况，最大应力值为164.1MP。因本体的最大应力值低于本体材料的屈服极限(930MPa)，其强度已经足够。使用分析软件进行设计检查，显示其最小安全系数为5.7，灭火阀本体结构具有足够的强度储备。
3 空气钻井防燃爆监测系统开发
空气钻井防燃爆监测系统是专门为监测气体钻井过程中返出气体组分的变化而达到预防井下燃爆现象发生而配套开发研制的。它的工作原理是在监测到烃类气体的情况下，通过检测CO2、CO、02、H2S等气体体积分数的变化来判断是否有地层气体进入井眼和是否发生井下燃爆[6～7]。
3.1 系统组成
空气钻井防燃爆监测系统主要由气样采集及净化装置、气体监测仪、压力传感器、图像监测仪、无线传输模块、监测平台(监测数据采集、显示与存储)等组成。用于对井口气体的成分数据进行采集、存储、动态显示，以便对气体钻井的过程进行安全监测。需要采集的数据包括：①井深；②二氧化碳含量；③一氧化碳含量；④氧气含量；⑤甲烷等可燃气体含量；⑥硫化氢含量；⑦温度；⑧湿度。同时装备摄像头监视泄流管口的流体形态，并在数据采集系统上同步显示其视频。
3.2 系统功能
1) 采用VC语言进行编程，工业串口参数设置界面，保证数据传输有效性和正确率。
2) 数据实时记录和保存，曲线实时动态显示。
3) 可以进行报警阈值参数设置。系统具有超限报警功能，O2、CO、CO2、H2S、CH4和排砂管线取样口压力测量范围的阈值可以根据研究成果进行合理设定。
4 认识与建议
1) 在川东北地区，非储层段陆相地层如上三叠统须家河组、中侏罗统千佛崖组等地层为含气层段，气体钻进过程中遇到地层出气，均有发生燃爆的可能性，一旦发生燃爆，造成的损失很大。
2) 研制设计的灭火阀，强度符合现场实际要求，在正常气体钻进时作为单流阀，当井下发生可燃性气体爆炸时，可有效阻断氧气的供应，控制燃爆的进一步扩大。
3) 空气钻井防燃爆监测系统的开发，能够实时监测到返出气体组分的变化和捕捉到井下燃爆现象，操作方便、界面友好。
4) 加强对地层的认识，实时监测，采取有效手段，保证空气钻井的安全、实现快速钻进。
参考文献
[1] 赵业容，孟英峰.气体钻井理论与实践[M].北京：石油工业出版社，2007.
[2] 李铁成，刘东峰，胡建均，等.川东北地区空气钻井燃爆分析与预防[J].天然气工业，2009，29(5):78-81.
[3] 李永杰.空气雾化钻井井下燃爆分析[D].重庆：重庆大学，2002.
[4] WILLIAM C LYONS，BOYUN GUO，FRANK A SEIDEL.空气和气体钻井手册[M].曾义金，樊洪海，译.北京：中国石化出版社，2006.
[5] 张林，余代银.空气钻井井下燃爆事例分析[J].天然气工业，2008，28(5):53-54.
[6] 冯靓，陈一健.空气钻井井下燃爆监测系统[J].石油机械，2007，35(5):35-37.
[7] 朱礼平，王希勇.空气钻井随钻监测技术及其应用[J].天然气工业，2009，29(1):64-66.
(本文作者：刘东峰 聂军 兰凯 侯树刚 中国石化中原油田钻井工程技术研究院)
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