油氣井井噴失控著火應急救援技術及發展方向

胡旭光 李 黔 羅 園 徐勇軍 龐 平 劉貴義 羅衛華

（1.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500；2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司井控應急救援響應中心，四川 廣漢 618300；3.國家油氣田救援廣漢基地，四川 廣漢 618300；4.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司，四川 成都 610051）

0 引言

“三高井”井噴失控著火后，將對人民生命安全、環境及財產造成巨大影響。當井噴失控事故發生后，通過一系列專業處置，對油氣重新恢復控制的技術稱為井噴失控著火應急救援技術。針對高產井井噴著火后滅火難度大、近井口作業風險高等行業瓶頸，持續開展技術攻關與科技創新，實現了從“滅火作業”到“帶火作業”、從“近井口”到“遠程遙控”、從“單一處置”到“多種方式”的跨越式發展，形成了獨具特色的陸上“三高”油氣井全過程帶火作業技術，處置能力由滿足35 MPa、50×104m3／d 的失控氣井搶險提升到滿足105 MPa、1 000×104m3／d 的高壓高產氣井失控搶險需要，實現了井控應急救援技術重大突破［1-5］。

1 技術發展歷程

井噴失控著火應急救援技術伴隨著我國油氣勘探開發由易到難逐步發展，從鉆開第一口油氣井開始，多次損失慘重的井噴失控事故處置，不斷促進這項技術的進步。根據各個時期所呈現的技術特點，井噴失控著火應急救援技術大致可以劃分為三個階段：早期人海戰術、中期機械化搶險技術及現代遠程化搶險技術。

1.1 早期人海戰術

1990 年以前，搶險時臨時抽調和組建隊伍，主要依靠人力完成，采用人海戰術，依靠石油工人的奉獻精神完成搶險工作；搶險設備主要以消防車、消防泵和干粉炮車等為主，沒有專業性搶險設備；采用多種方式先將火焰撲滅，盡可能在無火環境下進行。典型案例—塘河1 井：1966 年，四川塘河1井關井求壓時井口高壓將井口測試管線憋破，擊碎防爆燈后著火，搶險人員多次查看后發現了管線破口位置，解決方案是關閉破口上游的3號閘閥。由于當時沒有防護設備，鉆井工人用濕透的棉被，鋪上沙子，充當防火服沖進火海搶關閘門，6名工人英勇犧牲（圖1）。

圖1 塘河1井搶險現場圖

1.2 中期機械化搶險技術

從1991 年組建“中國滅火隊”奔赴科威特參加石油滅火大會戰開始，到2009 年成立專業化井控應急救援響應中心，井噴失控著火應急救援技術進入中期發展階段。這一時期的井噴失控著火應急救援技術通過借鑒和吸收本技術領域內的一些國際先進理念和設備，逐漸形成了一套完整的井噴應急救援作業流程。典型案例——土庫曼斯坦奧斯曼3 井：2006 年，奧斯曼3 井在鉆至4 577 m 時由于泥漿嚴重漏失，強行起鉆誘發井噴失控著火，鉆桿噴出420多米，井口火焰達70 m（圖2）。該井富含H2S，在四川油氣井滅火公司1個多月的艱苦努力下，搶險工作取得圓滿成功，為國家中亞能源戰略布局做出了巨大貢獻。

圖2 奧斯曼3井搶險現場圖

1.3 現代遠程化搶險技術

現代井噴失控著火應急救援技術的明顯特征是在前期井噴失控著火處置經驗基礎上形成了成熟的全過程帶火作業技術，即在油氣燃燒狀態下，依靠特殊裝備完成失控井搶險作業，消除燃爆風險、減少氣體擴散、降低人員傷害，是“三高”失控井應急救援的必然選擇。在裝備方面，現代井噴失控著火應急救援技術以系列化、機械化、遠程化為發展方向，逐步實現了近井口危險區域作業無人化，提升了搶險作業效率和安全性［6-8］。

2 技術現狀

21 世紀以來，中國石油天然氣集團有限公司高度重視井控應急救援技術發展，以川慶鉆探井控應急救援響應中心為代表的專業化井控應急隊伍依靠科技攻關和引進配套，不斷提升技術與裝備水平，形成了從險情偵察、冷卻掩護、清障切割到井口重置的全系列陸上井噴應急救援特色技術，整體實力達到國際先進水平。

2.1 無人化險情偵察技術

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、井場內溫度場、障礙物堆積情況等，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、居民分布情況，為下一步冷卻掩護的布置、清障切割對象、井口重置方法的確定建立依據。

基于“地—空”聯動的險情偵察理念，形成了集地面偵察、空中監控及處理三種功能于一體的無人化險情偵察技術，提高了搶險救援惡劣環境下人員安全性。研制了集圖像采集、紅外成像、環境檢測、自主避障、自冷卻、無線傳輸、防爆等功能于一體的井口偵察機器人，可協助人員對近井口核心區域進行偵察，技術成果已在大型井噴失控演練及重大井控險情處置中得到檢驗（圖3）；研制了高清、長續航的應急搶險無人機，對現場進行實時視頻監控、溫度場檢測，開發了搶險救援專家決策支持系統，能在3 h 內生成所偵察區域的二維、三維態勢圖，測量誤差率在5%以內，為專家制訂搶險救援方法提供了有力的決策支撐。

圖3 搶險偵察機器人圖

2.2 冷卻掩護技術

“三高”油氣井井噴失控著火后熱輻射強，燃燒不完全或燃燒后的有毒有害氣體彌散在井場內，人員與裝備要進入井場作業，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。同時，井口防噴器、四通等關鍵井控裝置長時間承受高溫炙烤，易發生變形、損壞，需持續進行冷卻掩護，確保井控裝置完好，為下步措施的執行創造有利條件，冷卻掩護主要通過供水系統、冷卻掩護機器人實現。

針對“三高井”失控著火后近井口溫度超過1 000 ℃的強熱輻射環境，開發了“固定式”和“移動式”兩種冷卻掩護供水方案，機動性和靈活性明顯提升。供水系統供水量大于等于3 000 m3／h，冷卻掩護機器人射程大于等于80 m，可根據失控井產量不同，優選冷卻掩護方式，為搶險救援創建最佳的安全作業面（圖4）。

圖4 冷卻掩護裝備圖

2.3 清障切割技術

“三高”油氣井井噴失控著火后，必須通過切割清障清除井口裝置周圍歪斜、倒塌的障礙物，如倒塌的井架、鉆具、泥漿罐、防噴管匯、放噴管匯等，為下一步井口重置裝置進出場創造條件。研制了遠距離水力噴砂切割裝置、便攜式水力噴砂切割裝置及燃燒棒等系列裝備，具備了水力切割、機械切割、火焰切割三種切割方式，滿足帶火和不帶火、大壁厚和小管徑、有氧和無氧環境的切割需要（圖5、圖6）。其中，遠距離水力噴砂切割裝置設計有兩個平行切割頭，解決了切割作業時不易更換噴頭，更換后新舊切口難以對齊的問題，切割精度和效率顯著提升，與國外切割裝置相比，切割效率提高30%以上；便攜式水力噴砂切割裝置主要解決大型水力噴砂切割裝備占地面積大、擺放要求高、機動性不足的問題，最大切割速度達到112 mm／min（針對外徑177.8 mm，壁厚10.36 mm 套管），體積僅為1／3；火焰切割速度快、效率高、切口整齊雜質少，且裝置質量輕、機動性強，通過自身供氧，即使沒有氧氣的情況下（如水中）仍能切割。

圖5 水力噴砂切割裝置、機械切割裝置圖

圖6 火焰切割裝置圖

2.4 井口重置技術

發展形成鋼絲加壓重置井口、重力加壓重置井口及一體化重置井口等不同特點的重置方式，具備“硬對中”和“軟對中”的功能，滿足“三高井”井噴失控著火后的井口重置需要（圖7～圖9）。

圖7 鋼絲加壓重置井口圖

圖8 重力加壓重置井口裝置圖

圖9 一體化重置井口裝置圖

鋼絲加壓重置井口通過鋼絲繩將新舊井口、工程機械以特定的方式連接在一起，鋼絲繩向下的施加力抵消高產氣流對新井口向上的沖擊力，實現新舊井口對中。在法蘭不對中時可通過調整鋼絲繩受力進行微調，適用范圍廣，但存在鋼絲燒斷風險；重力加壓重置井口將新井口提前安裝在重力加壓裝置上，通過加壓裝置的下壓力克服氣流對新井口向上的沖擊力，實現新井口的下放與對中，下放新井口時較穩定、氣流沖擊對新井口產生的晃動小，但下放與微調時通過重力加壓裝置的液缸實現，精細操作難度高；一體化重置井口通過井口卡緊和密封裝置以及作業機具的液壓改造實現了遠程一鍵控制關井，將井口重置“八步法”縮減為“一步法”，極大簡化了作業流程，提高了井口重置效率［9-10］。

3 發展方向

經過數十年的發展，國內陸上油氣井井噴失控著火應急救援技術已由面向早期的“低壓低產井”向“三高井”拓展升級，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，井控風險劇增，發生井噴失控著火后處置難度更大需要從理論、技術和裝備等方面深入開展技術攻關與研究，使整體技術、裝備能力水平滿足地層壓力高于140 MPa、天然氣無阻流量大于1 000 ×104m3／d、凝析油產量1 000 t／d、H2S 含量大于1 000 ppm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）攻克關鍵環節可視化。井口可視化是目前井噴失控著火應急救援技術的關鍵技術瓶頸之一。在切割和重置兩個關鍵環節，火、煙、水霧共存，從外圍很難獲取清晰井口圖像和位置信息，導致久切不斷、久對不正。下步可結合紅外熱成像、射頻定位系統、雷達定位系統等多種測距與成像技術經驗，找到近井口可視化解決方案。

2）推進高難操作智能化。目前高難度操作如新舊井口對中，依賴操作人員不斷嘗試，設備性能不能滿足精細控制、精細調節、精準對中的需要。下步可結合坐標定位技術、多自由度調節設計，逐步開展搶險設備的智能化改造，具備井口精確定位、精準對中功能，實現井口重置智能化。

3）提升搶險全過程信息化。信息化支撐是搶險高效、安全進行的基礎。下步可通過建立搶險信息化指揮平臺，實現對現場視頻、環境氣候、人員體征、機具狀態等多種信息的實時監測與顯示，為搶險專家應對復雜多變的搶險環境提供有力的決策支撐。