油气井井喷失控着火应急救援技术及发展方向

胡旭光 李 黔 罗 园 徐勇军 庞 平 刘贵义 罗卫华

（1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都 610500；2.中国石油集团川庆钻探工程有限公司井控应急救援响应中心，四川 广汉 618300；3.国家油气田救援广汉基地，四川 广汉 618300；4.中国石油集团川庆钻探工程有限公司，四川 成都 610051）

0 引言

“三高井”井喷失控着火后，将对人民生命安全、环境及财产造成巨大影响。当井喷失控事故发生后，通过一系列专业处置，对油气重新恢复控制的技术称为井喷失控着火应急救援技术。针对高产井井喷着火后灭火难度大、近井口作业风险高等行业瓶颈，持续开展技术攻关与科技创新，实现了从“灭火作业”到“带火作业”、从“近井口”到“远程遥控”、从“单一处置”到“多种方式”的跨越式发展，形成了独具特色的陆上“三高”油气井全过程带火作业技术，处置能力由满足35 MPa、50×104m3／d 的失控气井抢险提升到满足105 MPa、1 000×104m3／d 的高压高产气井失控抢险需要，实现了井控应急救援技术重大突破［1-5］。

1 技术发展历程

井喷失控着火应急救援技术伴随着我国油气勘探开发由易到难逐步发展，从钻开第一口油气井开始，多次损失惨重的井喷失控事故处置，不断促进这项技术的进步。根据各个时期所呈现的技术特点，井喷失控着火应急救援技术大致可以划分为三个阶段：早期人海战术、中期机械化抢险技术及现代远程化抢险技术。

1.1 早期人海战术

1990 年以前，抢险时临时抽调和组建队伍，主要依靠人力完成，采用人海战术，依靠石油工人的奉献精神完成抢险工作；抢险设备主要以消防车、消防泵和干粉炮车等为主，没有专业性抢险设备；采用多种方式先将火焰扑灭，尽可能在无火环境下进行。典型案例—塘河1 井：1966 年，四川塘河1井关井求压时井口高压将井口测试管线憋破，击碎防爆灯后着火，抢险人员多次查看后发现了管线破口位置，解决方案是关闭破口上游的3号闸阀。由于当时没有防护设备，钻井工人用湿透的棉被，铺上沙子，充当防火服冲进火海抢关闸门，6名工人英勇牺牲（图1）。

图1 塘河1井抢险现场图

1.2 中期机械化抢险技术

从1991 年组建“中国灭火队”奔赴科威特参加石油灭火大会战开始，到2009 年成立专业化井控应急救援响应中心，井喷失控着火应急救援技术进入中期发展阶段。这一时期的井喷失控着火应急救援技术通过借鉴和吸收本技术领域内的一些国际先进理念和设备，逐渐形成了一套完整的井喷应急救援作业流程。典型案例——土库曼斯坦奥斯曼3 井：2006 年，奥斯曼3 井在钻至4 577 m 时由于泥浆严重漏失，强行起钻诱发井喷失控着火，钻杆喷出420多米，井口火焰达70 m（图2）。该井富含H2S，在四川油气井灭火公司1个多月的艰苦努力下，抢险工作取得圆满成功，为国家中亚能源战略布局做出了巨大贡献。

图2 奥斯曼3井抢险现场图

1.3 现代远程化抢险技术

现代井喷失控着火应急救援技术的明显特征是在前期井喷失控着火处置经验基础上形成了成熟的全过程带火作业技术，即在油气燃烧状态下，依靠特殊装备完成失控井抢险作业，消除燃爆风险、减少气体扩散、降低人员伤害，是“三高”失控井应急救援的必然选择。在装备方面，现代井喷失控着火应急救援技术以系列化、机械化、远程化为发展方向，逐步实现了近井口危险区域作业无人化，提升了抢险作业效率和安全性［6-8］。

2 技术现状

21 世纪以来，中国石油天然气集团有限公司高度重视井控应急救援技术发展，以川庆钻探井控应急救援响应中心为代表的专业化井控应急队伍依靠科技攻关和引进配套，不断提升技术与装备水平，形成了从险情侦察、冷却掩护、清障切割到井口重置的全系列陆上井喷应急救援特色技术，整体实力达到国际先进水平。

2.1 无人化险情侦察技术

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、井场内温度场、障碍物堆积情况等，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、居民分布情况，为下一步冷却掩护的布置、清障切割对象、井口重置方法的确定建立依据。

基于“地—空”联动的险情侦察理念，形成了集地面侦察、空中监控及处理三种功能于一体的无人化险情侦察技术，提高了抢险救援恶劣环境下人员安全性。研制了集图像采集、红外成像、环境检测、自主避障、自冷却、无线传输、防爆等功能于一体的井口侦察机器人，可协助人员对近井口核心区域进行侦察，技术成果已在大型井喷失控演练及重大井控险情处置中得到检验（图3）；研制了高清、长续航的应急抢险无人机，对现场进行实时视频监控、温度场检测，开发了抢险救援专家决策支持系统，能在3 h 内生成所侦察区域的二维、三维态势图，测量误差率在5%以内，为专家制订抢险救援方法提供了有力的决策支撑。

图3 抢险侦察机器人图

2.2 冷却掩护技术

“三高”油气井井喷失控着火后热辐射强，燃烧不完全或燃烧后的有毒有害气体弥散在井场内，人员与装备要进入井场作业，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。同时，井口防喷器、四通等关键井控装置长时间承受高温炙烤，易发生变形、损坏，需持续进行冷却掩护，确保井控装置完好，为下步措施的执行创造有利条件，冷却掩护主要通过供水系统、冷却掩护机器人实现。

针对“三高井”失控着火后近井口温度超过1 000 ℃的强热辐射环境，开发了“固定式”和“移动式”两种冷却掩护供水方案，机动性和灵活性明显提升。供水系统供水量大于等于3 000 m3／h，冷却掩护机器人射程大于等于80 m，可根据失控井产量不同，优选冷却掩护方式，为抢险救援创建最佳的安全作业面（图4）。

图4 冷却掩护装备图

2.3 清障切割技术

“三高”油气井井喷失控着火后，必须通过切割清障清除井口装置周围歪斜、倒塌的障碍物，如倒塌的井架、钻具、泥浆罐、防喷管汇、放喷管汇等，为下一步井口重置装置进出场创造条件。研制了远距离水力喷砂切割装置、便携式水力喷砂切割装置及燃烧棒等系列装备，具备了水力切割、机械切割、火焰切割三种切割方式，满足带火和不带火、大壁厚和小管径、有氧和无氧环境的切割需要（图5、图6）。其中，远距离水力喷砂切割装置设计有两个平行切割头，解决了切割作业时不易更换喷头，更换后新旧切口难以对齐的问题，切割精度和效率显著提升，与国外切割装置相比，切割效率提高30%以上；便携式水力喷砂切割装置主要解决大型水力喷砂切割装备占地面积大、摆放要求高、机动性不足的问题，最大切割速度达到112 mm／min（针对外径177.8 mm，壁厚10.36 mm 套管），体积仅为1／3；火焰切割速度快、效率高、切口整齐杂质少，且装置质量轻、机动性强，通过自身供氧，即使没有氧气的情况下（如水中）仍能切割。

图5 水力喷砂切割装置、机械切割装置图

图6 火焰切割装置图

2.4 井口重置技术

发展形成钢丝加压重置井口、重力加压重置井口及一体化重置井口等不同特点的重置方式，具备“硬对中”和“软对中”的功能，满足“三高井”井喷失控着火后的井口重置需要（图7～图9）。

图7 钢丝加压重置井口图

图8 重力加压重置井口装置图

图9 一体化重置井口装置图

钢丝加压重置井口通过钢丝绳将新旧井口、工程机械以特定的方式连接在一起，钢丝绳向下的施加力抵消高产气流对新井口向上的冲击力，实现新旧井口对中。在法兰不对中时可通过调整钢丝绳受力进行微调，适用范围广，但存在钢丝烧断风险；重力加压重置井口将新井口提前安装在重力加压装置上，通过加压装置的下压力克服气流对新井口向上的冲击力，实现新井口的下放与对中，下放新井口时较稳定、气流冲击对新井口产生的晃动小，但下放与微调时通过重力加压装置的液缸实现，精细操作难度高；一体化重置井口通过井口卡紧和密封装置以及作业机具的液压改造实现了远程一键控制关井，将井口重置“八步法”缩减为“一步法”，极大简化了作业流程，提高了井口重置效率［9-10］。

3 发展方向

经过数十年的发展，国内陆上油气井井喷失控着火应急救援技术已由面向早期的“低压低产井”向“三高井”拓展升级，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，井控风险剧增，发生井喷失控着火后处置难度更大需要从理论、技术和装备等方面深入开展技术攻关与研究，使整体技术、装备能力水平满足地层压力高于140 MPa、天然气无阻流量大于1 000 ×104m3／d、凝析油产量1 000 t／d、H2S 含量大于1 000 ppm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）攻克关键环节可视化。井口可视化是目前井喷失控着火应急救援技术的关键技术瓶颈之一。在切割和重置两个关键环节，火、烟、水雾共存，从外围很难获取清晰井口图像和位置信息，导致久切不断、久对不正。下步可结合红外热成像、射频定位系统、雷达定位系统等多种测距与成像技术经验，找到近井口可视化解决方案。

2）推进高难操作智能化。目前高难度操作如新旧井口对中，依赖操作人员不断尝试，设备性能不能满足精细控制、精细调节、精准对中的需要。下步可结合坐标定位技术、多自由度调节设计，逐步开展抢险设备的智能化改造，具备井口精确定位、精准对中功能，实现井口重置智能化。

3）提升抢险全过程信息化。信息化支撑是抢险高效、安全进行的基础。下步可通过建立抢险信息化指挥平台，实现对现场视频、环境气候、人员体征、机具状态等多种信息的实时监测与显示，为抢险专家应对复杂多变的抢险环境提供有力的决策支撑。