无明火低热辐射点火筒设计与应用

王高杰，王 瑜，赵永光

中国石油冀东油田公司勘探开发建设工程事业部

0 引言

钻井施工作业中，液气分离器［1-5］是重要的井控安全设备，点火筒是液气分离器的配套设备，在出现气侵或溢流险情的应急情况下，为了防止污染钻井液对施工造成影响，避免可燃气体扩散后积聚造成的爆炸风险，液气分离器将污染的钻井液进行液气分离，分离出的可燃气将经排气管线引到点火筒进行点燃，因此点火筒必须放置在满足相关标准要求的安全位置，确保不对周边各种设施造成辐射伤害，才能有效保证各项工作的安全顺利进行。

目前钻井现场使用的点火筒，结构简易，燃烧过程中能够直观地观察火焰颜色、高度等情况，但由于火焰裸露在点火筒以上的大气中，受外界风向影响较大，对周边设施尤其下风向设施造成热辐射很强，本文所述的无明火低热辐射点火筒弥补了目前现场使用的点火筒的缺点，同时具有燃烧充分、低烟温、低噪音、无光污染等特点，适应于在冀东油田空间受限的钻井现场进行应用，能够极大地降低应急处置的地面安全风险，提高施工平台的合理有效利用率和勘探开发速度和效率。

1 冀东油田现状

冀东油田开发后期，陆地老平台、人工岛［6-8］的采油设备设施逐渐完善，老井作业频繁，交叉作业时有发生，当前现状主要表现在以下几个方面：

（1）长期注水对地下压力系统产生影响，极大地增加了井控风险。近年来，冀东油田发生的溢流险情中绝大部分都在注水开发的老区［9］和人工岛，受到注水受效影响较大，且注水受效导致的井控风险逐年加大。

（2）出现溢流［9-11］险情时经过液气分离器排气后点火率高。在2012 ～ 2020年冀东油田在钻井施工时发生的溢流险情中，近70%的井在压井处理过程时经液气分离器进行分离排气最终进行点火，点火筒在压井处置中使用的频率非常高，点火筒的位置必须要确保安全。

（3）井场空间受限，标准要求难以达到。在Q/SY 02552—2018《钻井井控技术规范》中8.1.2.8要求“排气管线点火口接出距离井口50 m以远有点火条件的安全地带，且距除液气分离器排气管线及放喷管线以外的各种设施距离不少于20 m”，在GB/T 31033—2014《石油天然气钻井井控技术规范》中5.14要求“排气管线应接至井场外安全地带，走向沿当地季节风的下风向”，平台或人工岛中采油设施复杂、交叉作业队伍多、地面空间有限，难以达到与周边设施20 m和设置在季节风下风向的要求。

2 无明火低热辐射点火筒的设计

针对油田现状，设计了无明火低热辐射点火筒，它具有隔热性效果好、环保性高、燃烧时无明火、不受外界风影响等特点，弥补了传统的点火筒热辐射影响大、在空间受限平台不安全的缺点。以最大气体流量1 000 m3/h的型号为例，具体结构和原理如下。

2. 1 结构组成

燃烧火炬系统主要由筒体、主燃烧器、支腿、活动基础、控制系统共五部分组成，如图1所示，筒体与主燃烧器串列连接，通过支腿固定在活动基础上。

图1 燃烧火炬总体结构组成示意图

2. 1. 1 筒体结构

筒体结构如图2所示，在筒体上装有上吊耳、绷绳拉耳、测温热电偶、直梯、点火燃烧器等部件，筒体直径2 m，高8 m，筒体为钢板卷制的圆筒，内衬不锈钢衬层，中间填充耐高温纤维材料，具有良好的隔热效果，上吊耳和绷绳拉耳用于组装时吊装，在直梯上方装有测温热电偶，用于检测筒体内部烟气温度，在筒体下部装有三个点火燃烧器，其中两个燃气点火燃烧器，一个燃油点火燃烧器，可预先点燃确保进入燃烧器的可燃气能够及时燃烧。燃气点火燃烧器通过电子打火对外接气源或主进气管中的可燃气进行点燃，燃油点火燃烧器通过电子打火对油箱中的柴油进行点燃。

2. 1. 2 主燃烧器结构

主燃烧器结构如图3所示，主燃烧器是一种封闭式外壳、风机供风、正压充分燃烧、不锈钢多枪结构的分级燃烧装置，高度2 m，上面装有主进气管、控制闸门、风机、混风罩、燃烧头、点火燃烧器进气管等部件，点火燃烧器进气管提供点火燃烧器的气源，控制闸门控制主进气管的开关，可燃气通过主进气管进入主燃烧器内，在燃烧头燃着，风机鼓入大量空气，混风罩将用于燃烧和将冷却的空气进行分配，达到燃烧充分和降温的作用。

图2 筒体结构图

图3 主燃烧器结构图

2. 1. 3 支腿结构

支腿周向均布三组，有支撑、固定、维护平台三个作用。支腿通过压杠固定在基础上，如图4所示。

图4 支腿及压杠结构

为保证安全，支腿压杠的T形螺栓以及筒体与主燃烧器连接的双头螺栓均应采用双螺母，单个支腿重约735 kg。

2. 1. 4 活动基础

钢筋混凝土基础由三块组成，每块约重5.6 t，长3.15 m，宽2.1 m，高0.35 m，占地约直径7 m的圆形面积可在厂内预制好，运输到现场安装，要求现场土地平整。

2. 1. 5 控制系统

火炬的控制系统主要由PLC控制柜和变频控制柜一套组成。PLC控制柜和变频控制柜置于现场周边合适位置，将底座牢靠的固定在地面上。现场接线箱置于支腿上（出厂已固定），热电偶、点火燃烧器、阀组等部件之间用电缆连接，连接电缆埋地铺设。

2. 2 工作原理

在钻井施工中需要对可燃气进行点燃时，首先通过控制系统启动风机和点火燃烧器，通过风机排出筒体内气体，确保无可燃气积聚，预先使燃油点火燃烧器处于点燃状态，然后打开控制阀门使主进气管线中的可燃气进入主燃烧器内并燃烧，风机正常运行，经过混风罩后使可燃气充分燃烧并对烟气进行冷却，通过测温热电偶检测筒体内烟气温度，控制系统对风机频率进行调节，确保排放的烟气温度低于900 ℃。对风机频率的调节可通过自动和手动两种模式进行，其中自动模式需要提前设定，当火焰平均温度超过100 ℃时，风机频率自动提升至20 Hz，当火炬平均温度超过500 ℃时，风机频率自动提升至45 Hz，手动模式下可根据实际筒体温度对风机频率进行调整。

2. 3 性能测试

为确认火炬燃烧性能、内壁保温层的保温效果，以及火炬的热辐射影响区域、火炬燃烧物对环境、噪音影响等，对火炬运行过程中的热辐射、燃烧排放物、噪音进行了测试检测结果，见表1 ～ 表3。

通过测试可知，燃烧火炬运行时，在设计的最大气体流量1 000 m3/h以下能够保证燃烧过程无明火，火焰在筒体内部，不受外界风的影响，且对筒顶以下范围的热辐射很小，不对周边设施产生热辐射伤害；火炬燃烧烟气成分中各组分能够满足大气排放浓度的限值；火炬底部噪声最大在84 ～ 87 dB，5 m以外降低到61 dB，随距离增加而衰减。

3 现场应用

2018 ～ 2020年在冀东油田NP1-3人工岛、NP1-1人工岛、NP4-1人工岛和NP2-3平台等地面场地受限施工现场的10余口井中进行了成功应用，其中在NP1-3人工岛和NP2-3平台的施工井中有两口井发生气侵进行了点火（燃烧火炬与周边设施距离情况见表4），点火过程中能够进行安全点火操作，对周边设施基本无热辐射影响，能够确保燃烧过程安全。

表1 筒体四周热辐射检测数据

表2 燃烧排放物及含量

表3 筒体四周噪声检测数据

表4 燃烧火炬与周边设施的距离情况

在现场应用过程中，发现在设计时未充分考虑燃油点火燃烧器在熄火时的操作，由于该中温燃烧火炬在钻井中属于井控应急设备，需要定期点火检查，确保点火燃烧器能够顺利点燃，而每次试点燃后熄灭燃油点火燃烧器都要使用工具手动拔出燃油灯芯，熄灭后再重新安装，操作复杂且存在一定的灼伤风险，为此对燃油点火燃烧器进行了改造，在燃油点火燃烧器点火口加装定滑轮，3 m外固定支架安装另一个定滑轮，将一根点火棒固定在滑轮运输线上，点燃火种后通过滑轮将点火棒移动至火炬中央。

4 结论

（1）无明火低热辐射点火筒能够使可燃气在筒体内充分燃烧，筒体外部无明火，不受外界风影响，对筒体高度以下范围内基本不产生热辐射影响，能够缩小对与周边各种设施的安全距离要求，同时可燃气在井筒内燃烧充分，燃烧时风机噪音低，更具环保性能，适用于空间受限平台的钻井施工现场，能够增加布井数量，提高了石油勘探开发的速度和效率。

（2）通过对点火燃烧器进行改造，手动点火燃烧器原理简单、便于操作，更适应于钻井现场。