胡旭光,羅 園,鄭沖濤

1中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司井控應(yīng)急救援響應(yīng)中心 2西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 3中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院

0 引言

井噴失控后大量原油或天然氣噴出井口，一旦遇到火源立即燃爆，導(dǎo)致井噴失控著火,如圖1所示。建國(guó)以來(lái)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，發(fā)生嚴(yán)重井噴失控與著火的惡性事故達(dá)200多口，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡和社會(huì)影響[1-3]。井噴失控著火后處置流程一般分為險(xiǎn)情偵察、冷卻掩護(hù)、切割清障、井口重置四個(gè)主要環(huán)節(jié)。其中井口重置是最關(guān)鍵、難度最大的環(huán)節(jié)。21世紀(jì)以前，因鉆井技術(shù)與裝備受限，井深較淺，壓力較低，井口重置方法以扣裝法、磨裝法為主，在早期國(guó)內(nèi)油氣田、國(guó)外科威特布爾甘油田失控處置中應(yīng)用較多[4-6]。21世紀(jì)以來(lái)，部分失控井存在“高壓、高產(chǎn)、高含硫”情況，為防止因硫化氫、閃爆等因素造成更為惡劣的人員傷亡、設(shè)備損壞，通常采用全過(guò)程帶火作業(yè)技術(shù)進(jìn)行處置，傳統(tǒng)的扣裝法、磨裝法已無(wú)法完成此任務(wù)。為解決此類難題，川慶鉆探工程有限公司經(jīng)過(guò)多次攻關(guān)，研制了鋼絲加壓法、重力加壓法、一體化裝置等重置井口的特色裝備，形成了“三高”油氣井井噴失控著火井口重置關(guān)鍵技術(shù)，研究成果在土庫(kù)曼斯坦、川渝、新疆等地區(qū)多口井的井噴失控著火處置中發(fā)揮了極其重要作用[7-10]。

圖1 “三高井”井噴失控著火

1 井噴失控著火處置主要環(huán)節(jié)

1.1 險(xiǎn)情偵察

險(xiǎn)情偵察主要包括井場(chǎng)內(nèi)外信息偵察。井場(chǎng)內(nèi)信息偵察需重點(diǎn)了解火勢(shì)大小、有毒有害氣體含量、井口裝置是否完好、泄漏點(diǎn)位置等；井場(chǎng)外信息偵察需重點(diǎn)了解井噴著火影響范圍、受波及區(qū)域、周圍道路、水源、居民分布等情況。為下步冷卻掩護(hù)的布置、清障切割對(duì)象、井口重置方法的確定建立依據(jù)。

1.2 冷卻掩護(hù)

冷卻掩護(hù)主要通過(guò)供水系統(tǒng)、水炮、雪炮等來(lái)實(shí)現(xiàn)?！叭摺庇蜌饩畤娛Э刂鸷鬅彷椛鋸?qiáng)，人員與裝備進(jìn)入井場(chǎng)作業(yè)時(shí)，必須進(jìn)行冷卻掩護(hù)，確保人員與裝備在能承受的熱輻射環(huán)境下作業(yè)，防止井口防噴器、四通等關(guān)鍵井控裝置長(zhǎng)時(shí)間承受高溫炙烤發(fā)生變形、損壞。

1.3 切割清障

“三高”油氣井井噴失控著火后，為建立足夠空間作業(yè)面，需清除倒塌的井架、泥漿罐、放噴管匯等障礙物。切割技術(shù)分為水力切割、機(jī)械切割、火焰切割三種，其中遠(yuǎn)程水力噴砂切割因操作距離遠(yuǎn)、切割效率高，為帶火切割井口的主要技術(shù)；而機(jī)械切割和火焰切割主要用于人員可近距離操作、切割的管徑小、切割作業(yè)量小的情況。

1.4 井口重置

井口重置是指切割、拆除舊井口后，在完好的法蘭面上重新安裝新井口，恢復(fù)對(duì)井口的控制。井口重置需將新井口裝置逐步靠近井口、切割氣流、對(duì)中新、舊井口裝置的螺栓孔，防止防噴器被沖翻、鋼圈槽被砸壞等，帶來(lái)難以處理的后續(xù)復(fù)雜情況發(fā)生。本文將對(duì)井口重置難點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)與裝備進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 井口重置難點(diǎn)

(1)切割氣流高度低，噴出流體沖擊力大，新井口裝置難以下放[11-12]。油氣井井噴失控后，高壓流體從井內(nèi)噴出，新井口裝置重量不足以克服流體沖擊產(chǎn)生的上頂力時(shí)，可能發(fā)生偏斜、難以下放，導(dǎo)致井口重置失敗。

(2)視野受限，新、舊井口裝置對(duì)中難度大[13]。油氣井井噴失控后，井口周圍充滿含油或含氣或油氣同存的流體，視野受限，新、舊井口裝置螺孔對(duì)中困難。若新舊井口對(duì)中前，井口處于著火狀態(tài)，在橫向火的影響下，人員難以靠近，對(duì)中難度更大。

(3)井口重置裝置耐火抗高溫性能不足。井噴著火后，核心區(qū)域溫度可達(dá)1 500 ℃以上，在此種溫度等級(jí)的火焰上重置井口，對(duì)裝置的液壓元件、電子線路甚至金屬結(jié)構(gòu)等都是極大的考驗(yàn)，井口重置裝置需采用抗高溫能力強(qiáng)的材料及結(jié)構(gòu)。

(4)切割氣流時(shí)橫向火造成人員傷亡、設(shè)備損壞。垂直向上的火焰會(huì)在切割氣流時(shí)產(chǎn)生橫向火，方向難以預(yù)測(cè)，給近井口作業(yè)人員帶來(lái)極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，橫向火往往具有火焰長(zhǎng)、面積大的特點(diǎn)，甚至覆蓋井口重置裝置作業(yè)區(qū)域，造成裝置動(dòng)力源損壞、熄火。

(5)切割氣流時(shí)金屬密封圈被沖飛。新、舊井口裝置之間的金屬密封圈安裝到位是井口重置成功的前提，但在切割氣流時(shí)，強(qiáng)氣流沖擊極易導(dǎo)致放置在鋼圈槽或固定在防噴器組法蘭面上的金屬密封圈被沖飛，只能被迫放棄井口重置作業(yè)。

3 關(guān)鍵技術(shù)與裝備

針對(duì)以上技術(shù)難點(diǎn)，中國(guó)石油川慶鉆探工程公司攻關(guān)形成了針對(duì)“三高”油氣井井噴失控著火后井口重置的鋼絲加壓法、重力加壓法、一體化重置法，研制了關(guān)鍵裝備并成功應(yīng)用。

3.1 鋼絲加壓法重置井口

鋼絲加壓法是通過(guò)鋼絲繩將新井口裝置、舊井口裝置、工程機(jī)械以特定的方式連接在一起，當(dāng)工程機(jī)械對(duì)鋼絲繩施加外力時(shí)，新井口裝置在外力作用下向下逐步靠近舊井口裝置，通過(guò)鋼絲繩向下的施加力抵消高產(chǎn)氣流對(duì)新井口裝置向上的沖擊力，避免新井口裝置無(wú)法下放或被沖翻，實(shí)現(xiàn)新、舊井口裝置對(duì)中，完成井口重置，見圖2。該方法操作靈活，適用范圍廣，可通過(guò)調(diào)整鋼絲繩受力對(duì)新井口裝置微調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)中，且時(shí)間短。但該方法在帶火作業(yè)時(shí)存在鋼絲燒斷風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 鋼絲加壓法重置井口

鋼絲加壓法的一個(gè)重點(diǎn)工序即穿鋼絲，其方法有多種，但應(yīng)保證以下幾個(gè)原則：①加壓鋼絲繩應(yīng)穿過(guò)新井口及底法蘭對(duì)應(yīng)的螺孔，以保證加壓時(shí)新井口與底法蘭中心及螺孔對(duì)正；②向下加壓應(yīng)均勻平穩(wěn)；③加壓方向應(yīng)垂直向下。

3.2 重力加壓法重置井口

重力加壓法是指通過(guò)將新井口提前安裝在重力加壓裝置上，通過(guò)重力加壓裝置的下壓力克服高壓氣流對(duì)新井口向上的沖擊力，實(shí)現(xiàn)新井口的下放與對(duì)中，見圖3。該方法是針對(duì)井口著火后的高溫高熱環(huán)境下加壓鋼絲繩易發(fā)生碳化而形成的井口重置方法，具有下放新井口裝置時(shí)氣流沖擊對(duì)新井口裝置產(chǎn)生的晃動(dòng)小、較穩(wěn)定的特點(diǎn)。但下放與微調(diào)新井口裝置是通過(guò)重力加壓裝置的液缸實(shí)現(xiàn)，操作幅度大，難以精細(xì)操作，指揮人員、操作人員在施工前需要反復(fù)模擬，確定最合適的重置數(shù)據(jù)后方可施工。

圖3 重力加壓法重置井口

3.3 一體化裝置重置井口

該方法適用于井噴失控后底法蘭損壞，井口僅存光套管情況下的井口重置，見圖4。傳統(tǒng)的光套管井口重置通常采用“八步法”，即：套管上安裝防沉卡瓦,再在防沉卡瓦上安裝特殊套管頭托盤，然后安裝特殊套管頭本體、防頂卡瓦、套管頭密封盤根座、密封盤根、防噴器組以及連接緊固螺栓。整個(gè)重置過(guò)程中搶險(xiǎn)人員需多次在井口進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，安裝風(fēng)險(xiǎn)高、難度大，對(duì)搶險(xiǎn)人員的身體及心理造成極大的挑戰(zhàn)，存在人員傷亡、井口重置失敗的風(fēng)險(xiǎn)[13-14]。一體化井口重置裝置將卡緊裝置、密封裝置設(shè)計(jì)為一個(gè)整體[15]，同時(shí)具備卡緊、密封功能，可通過(guò)遠(yuǎn)程控制一鍵實(shí)現(xiàn)卡瓦及防噴器的關(guān)閉，將原來(lái)?yè)岆U(xiǎn)救援的“八步法”簡(jiǎn)化為“一步法”，全過(guò)程無(wú)需人員近井口操作，降低了人員受傷風(fēng)險(xiǎn)，提高了失控井井口重置效率。

圖4 一體化裝置重置井口

4 展望

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)失控井井口重置技術(shù)已由面向早期的“低壓低產(chǎn)井”轉(zhuǎn)向“三高井”拓展升級(jí)，具備了處置大部分失控井的井口重置能力，但隨著勘探開發(fā)逐步向深井、超深井邁進(jìn)，面臨的地層壓力、氣井產(chǎn)量不斷攀升，井控風(fēng)險(xiǎn)也劇增，發(fā)生井噴失控著火后井口重置難度更大。需從理論、技術(shù)和裝備等方面更深入開展技術(shù)攻關(guān)與研究，進(jìn)一步提升井口重置能力，使整體技術(shù)、裝備能力滿足地層壓力高于140 MPa、天然氣無(wú)阻流量大于1 000×104m3/d、凝析油大于100 t/d的失控井搶險(xiǎn)需要，以應(yīng)對(duì)日趨復(fù)雜的油氣勘探開發(fā)井控形勢(shì)。

(1)敞噴氣流的沖擊力大小是選擇井口重置方法的依據(jù)之一。尤其是針對(duì)“三高井”井噴失控，測(cè)算敞噴沖擊力尤為重要。開展敞噴氣流沖擊速度及沖擊力的理論研究，建立不同產(chǎn)量下的沖擊力學(xué)數(shù)值模型，為井口重置方式的優(yōu)選提供參考和支撐，是下步井口重置的重點(diǎn)研究方向。

(2)針對(duì)鋼絲加壓井口重置方式中鋼絲繩在高溫炙烤下易斷裂的現(xiàn)象，調(diào)研、優(yōu)選其他具備抗高溫性能的材料及結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)提升此種井口重置方式中設(shè)備性能的可靠性、穩(wěn)定性。

(3)針對(duì)重力加壓井口重置方式中重力加壓裝置操作幅度大、精細(xì)操作困難的難題，繼續(xù)進(jìn)一步深入開展裝置智能變幅、對(duì)中技術(shù)的研究，達(dá)到精細(xì)變幅、一鍵對(duì)中的要求。

(4)針對(duì)“三高井”敞噴狀態(tài)下沖擊力強(qiáng)、常規(guī)井口重置裝置下放困難或?qū)ρb置影響較大的情況，可研制軌道式井口重置裝置，通過(guò)軌道實(shí)現(xiàn)井口重置裝置的進(jìn)場(chǎng)與撤場(chǎng)，負(fù)載大、強(qiáng)度高，滿足極端惡劣環(huán)境下的失控井井口重置。

5 結(jié)論與建議

(1)“三高”油氣井井噴失控著火后井口火勢(shì)大、流體沖擊力強(qiáng)，井口重置主要面臨新井口裝置難以下放、難以對(duì)中、耐火抗高溫性能不足、橫向火傷人及金屬密封圈被沖飛的風(fēng)險(xiǎn)，作業(yè)前應(yīng)針對(duì)性制定相應(yīng)的防范措施，提高重置成功率，避免因重置失敗造成的原井口損傷。

(2)鋼絲加壓法可通過(guò)調(diào)整鋼絲繩受力對(duì)新井口位置進(jìn)行微調(diào)，是一種“軟對(duì)中”，不易損傷原井口，具有操作靈活適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)；重力加壓法具有下放穩(wěn)定、晃動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)，但可調(diào)節(jié)性相對(duì)偏差，是一種“硬對(duì)中”井口重置方法，適合氣流量大、沖擊力強(qiáng)的井；一體化井口重置法用于井口僅存光套管情況，具有操作步驟少、人員風(fēng)險(xiǎn)低的優(yōu)勢(shì)。

(3)井口重置技術(shù)與裝備已逐漸趨于成熟，但面對(duì)超高壓井、超高產(chǎn)井仍然存在一定風(fēng)險(xiǎn)，且智能化有待提高。下步可根據(jù)井口重置主要難點(diǎn)，從井口高壓流體噴射受力、機(jī)具耐火耐溫防護(hù)/近井口可視化及智能對(duì)中等方面開展攻關(guān)，提升惡劣環(huán)境下井口重置一次性成功率。