王高杰，王 瑜，趙永光

中國石油冀東油田公司勘探開發(fā)建設(shè)工程事業(yè)部

0 引言

鉆井施工作業(yè)中，液氣分離器［1-5］是重要的井控安全設(shè)備，點(diǎn)火筒是液氣分離器的配套設(shè)備，在出現(xiàn)氣侵或溢流險(xiǎn)情的應(yīng)急情況下，為了防止污染鉆井液對施工造成影響，避免可燃?xì)怏w擴(kuò)散后積聚造成的爆炸風(fēng)險(xiǎn)，液氣分離器將污染的鉆井液進(jìn)行液氣分離，分離出的可燃?xì)鈱⒔?jīng)排氣管線引到點(diǎn)火筒進(jìn)行點(diǎn)燃，因此點(diǎn)火筒必須放置在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的安全位置，確保不對周邊各種設(shè)施造成輻射傷害，才能有效保證各項(xiàng)工作的安全順利進(jìn)行。

目前鉆井現(xiàn)場使用的點(diǎn)火筒，結(jié)構(gòu)簡易，燃燒過程中能夠直觀地觀察火焰顏色、高度等情況，但由于火焰裸露在點(diǎn)火筒以上的大氣中，受外界風(fēng)向影響較大，對周邊設(shè)施尤其下風(fēng)向設(shè)施造成熱輻射很強(qiáng)，本文所述的無明火低熱輻射點(diǎn)火筒彌補(bǔ)了目前現(xiàn)場使用的點(diǎn)火筒的缺點(diǎn)，同時(shí)具有燃燒充分、低煙溫、低噪音、無光污染等特點(diǎn)，適應(yīng)于在冀東油田空間受限的鉆井現(xiàn)場進(jìn)行應(yīng)用，能夠極大地降低應(yīng)急處置的地面安全風(fēng)險(xiǎn)，提高施工平臺的合理有效利用率和勘探開發(fā)速度和效率。

1 冀東油田現(xiàn)狀

冀東油田開發(fā)后期，陸地老平臺、人工島［6-8］的采油設(shè)備設(shè)施逐漸完善，老井作業(yè)頻繁，交叉作業(yè)時(shí)有發(fā)生，當(dāng)前現(xiàn)狀主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）長期注水對地下壓力系統(tǒng)產(chǎn)生影響，極大地增加了井控風(fēng)險(xiǎn)。近年來，冀東油田發(fā)生的溢流險(xiǎn)情中絕大部分都在注水開發(fā)的老區(qū)［9］和人工島，受到注水受效影響較大，且注水受效導(dǎo)致的井控風(fēng)險(xiǎn)逐年加大。

（2）出現(xiàn)溢流［9-11］險(xiǎn)情時(shí)經(jīng)過液氣分離器排氣后點(diǎn)火率高。在2012 ～ 2020年冀東油田在鉆井施工時(shí)發(fā)生的溢流險(xiǎn)情中，近70%的井在壓井處理過程時(shí)經(jīng)液氣分離器進(jìn)行分離排氣最終進(jìn)行點(diǎn)火，點(diǎn)火筒在壓井處置中使用的頻率非常高，點(diǎn)火筒的位置必須要確保安全。

（3）井場空間受限，標(biāo)準(zhǔn)要求難以達(dá)到。在Q/SY 02552—2018《鉆井井控技術(shù)規(guī)范》中8.1.2.8要求“排氣管線點(diǎn)火口接出距離井口50 m以遠(yuǎn)有點(diǎn)火條件的安全地帶，且距除液氣分離器排氣管線及放噴管線以外的各種設(shè)施距離不少于20 m”，在GB/T 31033—2014《石油天然氣鉆井井控技術(shù)規(guī)范》中5.14要求“排氣管線應(yīng)接至井場外安全地帶，走向沿當(dāng)?shù)丶竟?jié)風(fēng)的下風(fēng)向”，平臺或人工島中采油設(shè)施復(fù)雜、交叉作業(yè)隊(duì)伍多、地面空間有限，難以達(dá)到與周邊設(shè)施20 m和設(shè)置在季節(jié)風(fēng)下風(fēng)向的要求。

2 無明火低熱輻射點(diǎn)火筒的設(shè)計(jì)

針對油田現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了無明火低熱輻射點(diǎn)火筒，它具有隔熱性效果好、環(huán)保性高、燃燒時(shí)無明火、不受外界風(fēng)影響等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的點(diǎn)火筒熱輻射影響大、在空間受限平臺不安全的缺點(diǎn)。以最大氣體流量1 000 m3/h的型號為例，具體結(jié)構(gòu)和原理如下。

2. 1 結(jié)構(gòu)組成

燃燒火炬系統(tǒng)主要由筒體、主燃燒器、支腿、活動基礎(chǔ)、控制系統(tǒng)共五部分組成，如圖1所示，筒體與主燃燒器串列連接，通過支腿固定在活動基礎(chǔ)上。

圖1 燃燒火炬總體結(jié)構(gòu)組成示意圖

2. 1. 1 筒體結(jié)構(gòu)

筒體結(jié)構(gòu)如圖2所示，在筒體上裝有上吊耳、繃?yán)K拉耳、測溫?zé)犭娕肌⒅碧?、點(diǎn)火燃燒器等部件，筒體直徑2 m，高8 m，筒體為鋼板卷制的圓筒，內(nèi)襯不銹鋼襯層，中間填充耐高溫纖維材料，具有良好的隔熱效果，上吊耳和繃?yán)K拉耳用于組裝時(shí)吊裝，在直梯上方裝有測溫?zé)犭娕?，用于檢測筒體內(nèi)部煙氣溫度，在筒體下部裝有三個(gè)點(diǎn)火燃燒器，其中兩個(gè)燃?xì)恻c(diǎn)火燃燒器，一個(gè)燃油點(diǎn)火燃燒器，可預(yù)先點(diǎn)燃確保進(jìn)入燃燒器的可燃?xì)饽軌蚣皶r(shí)燃燒。燃?xì)恻c(diǎn)火燃燒器通過電子打火對外接氣源或主進(jìn)氣管中的可燃?xì)膺M(jìn)行點(diǎn)燃，燃油點(diǎn)火燃燒器通過電子打火對油箱中的柴油進(jìn)行點(diǎn)燃。

2. 1. 2 主燃燒器結(jié)構(gòu)

主燃燒器結(jié)構(gòu)如圖3所示，主燃燒器是一種封閉式外殼、風(fēng)機(jī)供風(fēng)、正壓充分燃燒、不銹鋼多槍結(jié)構(gòu)的分級燃燒裝置，高度2 m，上面裝有主進(jìn)氣管、控制閘門、風(fēng)機(jī)、混風(fēng)罩、燃燒頭、點(diǎn)火燃燒器進(jìn)氣管等部件，點(diǎn)火燃燒器進(jìn)氣管提供點(diǎn)火燃燒器的氣源，控制閘門控制主進(jìn)氣管的開關(guān)，可燃?xì)馔ㄟ^主進(jìn)氣管進(jìn)入主燃燒器內(nèi)，在燃燒頭燃著，風(fēng)機(jī)鼓入大量空氣，混風(fēng)罩將用于燃燒和將冷卻的空氣進(jìn)行分配，達(dá)到燃燒充分和降溫的作用。

圖2 筒體結(jié)構(gòu)圖

圖3 主燃燒器結(jié)構(gòu)圖

2. 1. 3 支腿結(jié)構(gòu)

支腿周向均布三組，有支撐、固定、維護(hù)平臺三個(gè)作用。支腿通過壓杠固定在基礎(chǔ)上，如圖4所示。

圖4 支腿及壓杠結(jié)構(gòu)

為保證安全，支腿壓杠的T形螺栓以及筒體與主燃燒器連接的雙頭螺栓均應(yīng)采用雙螺母，單個(gè)支腿重約735 kg。

2. 1. 4 活動基礎(chǔ)

鋼筋混凝土基礎(chǔ)由三塊組成，每塊約重5.6 t，長3.15 m，寬2.1 m，高0.35 m，占地約直徑7 m的圓形面積可在廠內(nèi)預(yù)制好，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場安裝，要求現(xiàn)場土地平整。

2. 1. 5 控制系統(tǒng)

火炬的控制系統(tǒng)主要由PLC控制柜和變頻控制柜一套組成。PLC控制柜和變頻控制柜置于現(xiàn)場周邊合適位置，將底座牢靠的固定在地面上?，F(xiàn)場接線箱置于支腿上（出廠已固定），熱電偶、點(diǎn)火燃燒器、閥組等部件之間用電纜連接，連接電纜埋地鋪設(shè)。

2. 2 工作原理

在鉆井施工中需要對可燃?xì)膺M(jìn)行點(diǎn)燃時(shí)，首先通過控制系統(tǒng)啟動風(fēng)機(jī)和點(diǎn)火燃燒器，通過風(fēng)機(jī)排出筒體內(nèi)氣體，確保無可燃?xì)夥e聚，預(yù)先使燃油點(diǎn)火燃燒器處于點(diǎn)燃狀態(tài)，然后打開控制閥門使主進(jìn)氣管線中的可燃?xì)膺M(jìn)入主燃燒器內(nèi)并燃燒，風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行，經(jīng)過混風(fēng)罩后使可燃?xì)獬浞秩紵煔膺M(jìn)行冷卻，通過測溫?zé)犭娕紮z測筒體內(nèi)煙氣溫度，控制系統(tǒng)對風(fēng)機(jī)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保排放的煙氣溫度低于900 ℃。對風(fēng)機(jī)頻率的調(diào)節(jié)可通過自動和手動兩種模式進(jìn)行，其中自動模式需要提前設(shè)定，當(dāng)火焰平均溫度超過100 ℃時(shí)，風(fēng)機(jī)頻率自動提升至20 Hz，當(dāng)火炬平均溫度超過500 ℃時(shí)，風(fēng)機(jī)頻率自動提升至45 Hz，手動模式下可根據(jù)實(shí)際筒體溫度對風(fēng)機(jī)頻率進(jìn)行調(diào)整。

2. 3 性能測試

為確認(rèn)火炬燃燒性能、內(nèi)壁保溫層的保溫效果，以及火炬的熱輻射影響區(qū)域、火炬燃燒物對環(huán)境、噪音影響等，對火炬運(yùn)行過程中的熱輻射、燃燒排放物、噪音進(jìn)行了測試檢測結(jié)果，見表1 ～ 表3。

通過測試可知，燃燒火炬運(yùn)行時(shí)，在設(shè)計(jì)的最大氣體流量1 000 m3/h以下能夠保證燃燒過程無明火，火焰在筒體內(nèi)部，不受外界風(fēng)的影響，且對筒頂以下范圍的熱輻射很小，不對周邊設(shè)施產(chǎn)生熱輻射傷害；火炬燃燒煙氣成分中各組分能夠滿足大氣排放濃度的限值；火炬底部噪聲最大在84 ～ 87 dB，5 m以外降低到61 dB，隨距離增加而衰減。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2018 ～ 2020年在冀東油田NP1-3人工島、NP1-1人工島、NP4-1人工島和NP2-3平臺等地面場地受限施工現(xiàn)場的10余口井中進(jìn)行了成功應(yīng)用，其中在NP1-3人工島和NP2-3平臺的施工井中有兩口井發(fā)生氣侵進(jìn)行了點(diǎn)火（燃燒火炬與周邊設(shè)施距離情況見表4），點(diǎn)火過程中能夠進(jìn)行安全點(diǎn)火操作，對周邊設(shè)施基本無熱輻射影響，能夠確保燃燒過程安全。

表1 筒體四周熱輻射檢測數(shù)據(jù)

表2 燃燒排放物及含量

表3 筒體四周噪聲檢測數(shù)據(jù)

表4 燃燒火炬與周邊設(shè)施的距離情況

在現(xiàn)場應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮燃油點(diǎn)火燃燒器在熄火時(shí)的操作，由于該中溫燃燒火炬在鉆井中屬于井控應(yīng)急設(shè)備，需要定期點(diǎn)火檢查，確保點(diǎn)火燃燒器能夠順利點(diǎn)燃，而每次試點(diǎn)燃后熄滅燃油點(diǎn)火燃燒器都要使用工具手動拔出燃油燈芯，熄滅后再重新安裝，操作復(fù)雜且存在一定的灼傷風(fēng)險(xiǎn)，為此對燃油點(diǎn)火燃燒器進(jìn)行了改造，在燃油點(diǎn)火燃燒器點(diǎn)火口加裝定滑輪，3 m外固定支架安裝另一個(gè)定滑輪，將一根點(diǎn)火棒固定在滑輪運(yùn)輸線上，點(diǎn)燃火種后通過滑輪將點(diǎn)火棒移動至火炬中央。

4 結(jié)論

（1）無明火低熱輻射點(diǎn)火筒能夠使可燃?xì)庠谕搀w內(nèi)充分燃燒，筒體外部無明火，不受外界風(fēng)影響，對筒體高度以下范圍內(nèi)基本不產(chǎn)生熱輻射影響，能夠縮小對與周邊各種設(shè)施的安全距離要求，同時(shí)可燃?xì)庠诰矁?nèi)燃燒充分，燃燒時(shí)風(fēng)機(jī)噪音低，更具環(huán)保性能，適用于空間受限平臺的鉆井施工現(xiàn)場，能夠增加布井?dāng)?shù)量，提高了石油勘探開發(fā)的速度和效率。

（2）通過對點(diǎn)火燃燒器進(jìn)行改造，手動點(diǎn)火燃燒器原理簡單、便于操作，更適應(yīng)于鉆井現(xiàn)場。