“三高井”井喷失控着火井口重置关键技术与装备

胡旭光,罗 园,郑冲涛

1中国石油川庆钻探工程有限公司井控应急救援响应中心 2西南石油大学石油与天然气工程学院 3中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院

0 引言

井喷失控后大量原油或天然气喷出井口，一旦遇到火源立即燃爆，导致井喷失控着火,如图1所示。建国以来，据不完全统计，发生严重井喷失控与着火的恶性事故达200多口，造成了严重的经济损失、人员伤亡和社会影响[1-3]。井喷失控着火后处置流程一般分为险情侦察、冷却掩护、切割清障、井口重置四个主要环节。其中井口重置是最关键、难度最大的环节。21世纪以前，因钻井技术与装备受限，井深较浅，压力较低，井口重置方法以扣装法、磨装法为主，在早期国内油气田、国外科威特布尔甘油田失控处置中应用较多[4-6]。21世纪以来，部分失控井存在“高压、高产、高含硫”情况，为防止因硫化氢、闪爆等因素造成更为恶劣的人员伤亡、设备损坏，通常采用全过程带火作业技术进行处置，传统的扣装法、磨装法已无法完成此任务。为解决此类难题，川庆钻探工程有限公司经过多次攻关，研制了钢丝加压法、重力加压法、一体化装置等重置井口的特色装备，形成了“三高”油气井井喷失控着火井口重置关键技术，研究成果在土库曼斯坦、川渝、新疆等地区多口井的井喷失控着火处置中发挥了极其重要作用[7-10]。

图1 “三高井”井喷失控着火

1 井喷失控着火处置主要环节

1.1 险情侦察

险情侦察主要包括井场内外信息侦察。井场内信息侦察需重点了解火势大小、有毒有害气体含量、井口装置是否完好、泄漏点位置等；井场外信息侦察需重点了解井喷着火影响范围、受波及区域、周围道路、水源、居民分布等情况。为下步冷却掩护的布置、清障切割对象、井口重置方法的确定建立依据。

1.2 冷却掩护

冷却掩护主要通过供水系统、水炮、雪炮等来实现。“三高”油气井井喷失控着火后热辐射强，人员与装备进入井场作业时，必须进行冷却掩护，确保人员与装备在能承受的热辐射环境下作业，防止井口防喷器、四通等关键井控装置长时间承受高温炙烤发生变形、损坏。

1.3 切割清障

“三高”油气井井喷失控着火后，为建立足够空间作业面，需清除倒塌的井架、泥浆罐、放喷管汇等障碍物。切割技术分为水力切割、机械切割、火焰切割三种，其中远程水力喷砂切割因操作距离远、切割效率高，为带火切割井口的主要技术；而机械切割和火焰切割主要用于人员可近距离操作、切割的管径小、切割作业量小的情况。

1.4 井口重置

井口重置是指切割、拆除旧井口后，在完好的法兰面上重新安装新井口，恢复对井口的控制。井口重置需将新井口装置逐步靠近井口、切割气流、对中新、旧井口装置的螺栓孔，防止防喷器被冲翻、钢圈槽被砸坏等，带来难以处理的后续复杂情况发生。本文将对井口重置难点、关键技术与装备进行详细介绍。

2 井口重置难点

(1)切割气流高度低，喷出流体冲击力大，新井口装置难以下放[11-12]。油气井井喷失控后，高压流体从井内喷出，新井口装置重量不足以克服流体冲击产生的上顶力时，可能发生偏斜、难以下放，导致井口重置失败。

(2)视野受限，新、旧井口装置对中难度大[13]。油气井井喷失控后，井口周围充满含油或含气或油气同存的流体，视野受限，新、旧井口装置螺孔对中困难。若新旧井口对中前，井口处于着火状态，在横向火的影响下，人员难以靠近，对中难度更大。

(3)井口重置装置耐火抗高温性能不足。井喷着火后，核心区域温度可达1 500 ℃以上，在此种温度等级的火焰上重置井口，对装置的液压元件、电子线路甚至金属结构等都是极大的考验，井口重置装置需采用抗高温能力强的材料及结构。

(4)切割气流时横向火造成人员伤亡、设备损坏。垂直向上的火焰会在切割气流时产生横向火，方向难以预测，给近井口作业人员带来极大的安全风险。同时，横向火往往具有火焰长、面积大的特点，甚至覆盖井口重置装置作业区域，造成装置动力源损坏、熄火。

(5)切割气流时金属密封圈被冲飞。新、旧井口装置之间的金属密封圈安装到位是井口重置成功的前提，但在切割气流时，强气流冲击极易导致放置在钢圈槽或固定在防喷器组法兰面上的金属密封圈被冲飞，只能被迫放弃井口重置作业。

3 关键技术与装备

针对以上技术难点，中国石油川庆钻探工程公司攻关形成了针对“三高”油气井井喷失控着火后井口重置的钢丝加压法、重力加压法、一体化重置法，研制了关键装备并成功应用。

3.1 钢丝加压法重置井口

钢丝加压法是通过钢丝绳将新井口装置、旧井口装置、工程机械以特定的方式连接在一起，当工程机械对钢丝绳施加外力时，新井口装置在外力作用下向下逐步靠近旧井口装置，通过钢丝绳向下的施加力抵消高产气流对新井口装置向上的冲击力，避免新井口装置无法下放或被冲翻，实现新、旧井口装置对中，完成井口重置，见图2。该方法操作灵活，适用范围广，可通过调整钢丝绳受力对新井口装置微调，实现对中，且时间短。但该方法在带火作业时存在钢丝烧断风险。

图2 钢丝加压法重置井口

钢丝加压法的一个重点工序即穿钢丝，其方法有多种，但应保证以下几个原则：①加压钢丝绳应穿过新井口及底法兰对应的螺孔，以保证加压时新井口与底法兰中心及螺孔对正；②向下加压应均匀平稳；③加压方向应垂直向下。

3.2 重力加压法重置井口

重力加压法是指通过将新井口提前安装在重力加压装置上，通过重力加压装置的下压力克服高压气流对新井口向上的冲击力，实现新井口的下放与对中，见图3。该方法是针对井口着火后的高温高热环境下加压钢丝绳易发生碳化而形成的井口重置方法，具有下放新井口装置时气流冲击对新井口装置产生的晃动小、较稳定的特点。但下放与微调新井口装置是通过重力加压装置的液缸实现，操作幅度大，难以精细操作，指挥人员、操作人员在施工前需要反复模拟，确定最合适的重置数据后方可施工。

图3 重力加压法重置井口

3.3 一体化装置重置井口

该方法适用于井喷失控后底法兰损坏，井口仅存光套管情况下的井口重置，见图4。传统的光套管井口重置通常采用“八步法”，即：套管上安装防沉卡瓦,再在防沉卡瓦上安装特殊套管头托盘，然后安装特殊套管头本体、防顶卡瓦、套管头密封盘根座、密封盘根、防喷器组以及连接紧固螺栓。整个重置过程中抢险人员需多次在井口进行长时间作业，安装风险高、难度大，对抢险人员的身体及心理造成极大的挑战，存在人员伤亡、井口重置失败的风险[13-14]。一体化井口重置装置将卡紧装置、密封装置设计为一个整体[15]，同时具备卡紧、密封功能，可通过远程控制一键实现卡瓦及防喷器的关闭，将原来抢险救援的“八步法”简化为“一步法”，全过程无需人员近井口操作，降低了人员受伤风险，提高了失控井井口重置效率。

图4 一体化装置重置井口

4 展望

经过数十年的发展，国内失控井井口重置技术已由面向早期的“低压低产井”转向“三高井”拓展升级，具备了处置大部分失控井的井口重置能力，但随着勘探开发逐步向深井、超深井迈进，面临的地层压力、气井产量不断攀升，井控风险也剧增，发生井喷失控着火后井口重置难度更大。需从理论、技术和装备等方面更深入开展技术攻关与研究，进一步提升井口重置能力，使整体技术、装备能力满足地层压力高于140 MPa、天然气无阻流量大于1 000×104m3/d、凝析油大于100 t/d的失控井抢险需要，以应对日趋复杂的油气勘探开发井控形势。

(1)敞喷气流的冲击力大小是选择井口重置方法的依据之一。尤其是针对“三高井”井喷失控，测算敞喷冲击力尤为重要。开展敞喷气流冲击速度及冲击力的理论研究，建立不同产量下的冲击力学数值模型，为井口重置方式的优选提供参考和支撑，是下步井口重置的重点研究方向。

(2)针对钢丝加压井口重置方式中钢丝绳在高温炙烤下易断裂的现象，调研、优选其他具备抗高温性能的材料及结构，重点提升此种井口重置方式中设备性能的可靠性、稳定性。

(3)针对重力加压井口重置方式中重力加压装置操作幅度大、精细操作困难的难题，继续进一步深入开展装置智能变幅、对中技术的研究，达到精细变幅、一键对中的要求。

(4)针对“三高井”敞喷状态下冲击力强、常规井口重置装置下放困难或对装置影响较大的情况，可研制轨道式井口重置装置，通过轨道实现井口重置装置的进场与撤场，负载大、强度高，满足极端恶劣环境下的失控井井口重置。

5 结论与建议

(1)“三高”油气井井喷失控着火后井口火势大、流体冲击力强，井口重置主要面临新井口装置难以下放、难以对中、耐火抗高温性能不足、横向火伤人及金属密封圈被冲飞的风险，作业前应针对性制定相应的防范措施，提高重置成功率，避免因重置失败造成的原井口损伤。

(2)钢丝加压法可通过调整钢丝绳受力对新井口位置进行微调，是一种“软对中”，不易损伤原井口，具有操作灵活适用范围广的优点；重力加压法具有下放稳定、晃动小的优点，但可调节性相对偏差，是一种“硬对中”井口重置方法，适合气流量大、冲击力强的井；一体化井口重置法用于井口仅存光套管情况，具有操作步骤少、人员风险低的优势。

(3)井口重置技术与装备已逐渐趋于成熟，但面对超高压井、超高产井仍然存在一定风险，且智能化有待提高。下步可根据井口重置主要难点，从井口高压流体喷射受力、机具耐火耐温防护/近井口可视化及智能对中等方面开展攻关，提升恶劣环境下井口重置一次性成功率。