“三高井”井噴失控著火井口重置關鍵技術與裝備

胡旭光,羅 園,鄭沖濤

1中國石油川慶鉆探工程有限公司井控應急救援響應中心 2西南石油大學石油與天然氣工程學院 3中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院

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，導致井噴失控著火,如圖1所示。建國以來，據不完全統計，發生嚴重井噴失控與著火的惡性事故達200多口，造成了嚴重的經濟損失、人員傷亡和社會影響[1-3]。井噴失控著火后處置流程一般分為險情偵察、冷卻掩護、切割清障、井口重置四個主要環節。其中井口重置是最關鍵、難度最大的環節。21世紀以前，因鉆井技術與裝備受限，井深較淺，壓力較低，井口重置方法以扣裝法、磨裝法為主，在早期國內油氣田、國外科威特布爾甘油田失控處置中應用較多[4-6]。21世紀以來，部分失控井存在“高壓、高產、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、設備損壞，通常采用全過程帶火作業技術進行處置，傳統的扣裝法、磨裝法已無法完成此任務。為解決此類難題，川慶鉆探工程有限公司經過多次攻關，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鍵技術，研究成果在土庫曼斯坦、川渝、新疆等地區多口井的井噴失控著火處置中發揮了極其重要作用[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節

1.1 險情偵察

險情偵察主要包括井場內外信息偵察。井場內信息偵察需重點了解火勢大小、有毒有害氣體含量、井口裝置是否完好、泄漏點位置等；井場外信息偵察需重點了解井噴著火影響范圍、受波及區域、周圍道路、水源、居民分布等情況。為下步冷卻掩護的布置、清障切割對象、井口重置方法的確定建立依據。

1.2 冷卻掩護

冷卻掩護主要通過供水系統、水炮、雪炮等來實現。“三高”油氣井井噴失控著火后熱輻射強，人員與裝備進入井場作業時，必須進行冷卻掩護，確保人員與裝備在能承受的熱輻射環境下作業，防止井口防噴器、四通等關鍵井控裝置長時間承受高溫炙烤發生變形、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面，需清除倒塌的井架、泥漿罐、放噴管匯等障礙物。切割技術分為水力切割、機械切割、火焰切割三種，其中遠程水力噴砂切割因操作距離遠、切割效率高，為帶火切割井口的主要技術；而機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，恢復對井口的控制。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，帶來難以處理的后續復雜情況發生。本文將對井口重置難點、關鍵技術與裝備進行詳細介紹。

2 井口重置難點

(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，高壓流體從井內噴出，新井口裝置重量不足以克服流體沖擊產生的上頂力時，可能發生偏斜、難以下放，導致井口重置失敗。

(2)視野受限，新、舊井口裝置對中難度大[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、舊井口裝置螺孔對中困難。若新舊井口對中前，井口處于著火狀態，在橫向火的影響下，人員難以靠近，對中難度更大。

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

(4)切割氣流時橫向火造成人員傷亡、設備損壞。垂直向上的火焰會在切割氣流時產生橫向火，方向難以預測，給近井口作業人員帶來極大的安全風險。同時，橫向火往往具有火焰長、面積大的特點，甚至覆蓋井口重置裝置作業區域，造成裝置動力源損壞、熄火。

(5)切割氣流時金屬密封圈被沖飛。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，強氣流沖擊極易導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。

3 關鍵技術與裝備

針對以上技術難點，中國石油川慶鉆探工程公司攻關形成了針對“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，研制了關鍵裝備并成功應用。

3.1 鋼絲加壓法重置井口

鋼絲加壓法是通過鋼絲繩將新井口裝置、舊井口裝置、工程機械以特定的方式連接在一起，當工程機械對鋼絲繩施加外力時，新井口裝置在外力作用下向下逐步靠近舊井口裝置，通過鋼絲繩向下的施加力抵消高產氣流對新井口裝置向上的沖擊力，避免新井口裝置無法下放或被沖翻，實現新、舊井口裝置對中，完成井口重置，見圖2。該方法操作靈活，適用范圍廣，可通過調整鋼絲繩受力對新井口裝置微調，實現對中，且時間短。但該方法在帶火作業時存在鋼絲燒斷風險。

圖2 鋼絲加壓法重置井口

鋼絲加壓法的一個重點工序即穿鋼絲，其方法有多種，但應保證以下幾個原則：①加壓鋼絲繩應穿過新井口及底法蘭對應的螺孔，以保證加壓時新井口與底法蘭中心及螺孔對正；②向下加壓應均勻平穩；③加壓方向應垂直向下。

3.2 重力加壓法重置井口

重力加壓法是指通過將新井口提前安裝在重力加壓裝置上，通過重力加壓裝置的下壓力克服高壓氣流對新井口向上的沖擊力，實現新井口的下放與對中，見圖3。該方法是針對井口著火后的高溫高熱環境下加壓鋼絲繩易發生碳化而形成的井口重置方法，具有下放新井口裝置時氣流沖擊對新井口裝置產生的晃動小、較穩定的特點。但下放與微調新井口裝置是通過重力加壓裝置的液缸實現，操作幅度大，難以精細操作，指揮人員、操作人員在施工前需要反復模擬，確定最合適的重置數據后方可施工。

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。整個重置過程中搶險人員需多次在井口進行長時間作業，安裝風險高、難度大，對搶險人員的身體及心理造成極大的挑戰，存在人員傷亡、井口重置失敗的風險[13-14]。一體化井口重置裝置將卡緊裝置、密封裝置設計為一個整體[15]，同時具備卡緊、密封功能，可通過遠程控制一鍵實現卡瓦及防噴器的關閉，將原來搶險救援的“八步法”簡化為“一步法”，全過程無需人員近井口操作，降低了人員受傷風險，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

經過數十年的發展，國內失控井井口重置技術已由面向早期的“低壓低產井”轉向“三高井”拓展升級，具備了處置大部分失控井的井口重置能力，但隨著勘探開發逐步向深井、超深井邁進，面臨的地層壓力、氣井產量不斷攀升，井控風險也劇增，發生井噴失控著火后井口重置難度更大。需從理論、技術和裝備等方面更深入開展技術攻關與研究，進一步提升井口重置能力，使整體技術、裝備能力滿足地層壓力高于140 MPa、天然氣無阻流量大于1 000×104m3/d、凝析油大于100 t/d的失控井搶險需要，以應對日趨復雜的油氣勘探開發井控形勢。

(1)敞噴氣流的沖擊力大小是選擇井口重置方法的依據之一。尤其是針對“三高井”井噴失控，測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，建立不同產量下的沖擊力學數值模型，為井口重置方式的優選提供參考和支撐，是下步井口重置的重點研究方向。

(2)針對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象，調研、優選其他具備抗高溫性能的材料及結構，重點提升此種井口重置方式中設備性能的可靠性、穩定性。

(3)針對重力加壓井口重置方式中重力加壓裝置操作幅度大、精細操作困難的難題，繼續進一步深入開展裝置智能變幅、對中技術的研究，達到精細變幅、一鍵對中的要求。

(4)針對“三高井”敞噴狀態下沖擊力強、常規井口重置裝置下放困難或對裝置影響較大的情況，可研制軌道式井口重置裝置，通過軌道實現井口重置裝置的進場與撤場，負載大、強度高，滿足極端惡劣環境下的失控井井口重置。

5 結論與建議

(1)“三高”油氣井井噴失控著火后井口火勢大、流體沖擊力強，井口重置主要面臨新井口裝置難以下放、難以對中、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險，作業前應針對性制定相應的防范措施，提高重置成功率，避免因重置失敗造成的原井口損傷。

(2)鋼絲加壓法可通過調整鋼絲繩受力對新井口位置進行微調，是一種“軟對中”，不易損傷原井口，具有操作靈活適用范圍廣的優點；重力加壓法具有下放穩定、晃動小的優點，但可調節性相對偏差，是一種“硬對中”井口重置方法，適合氣流量大、沖擊力強的井；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、人員風險低的優勢。

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