摘要：空氣鉆井有效地提高了機(jī)械鉆速、縮短了鉆井周期，但其最大的問題之一就是井下燃爆問題。為了解決空氣鉆井在鉆遇油氣層時，發(fā)生井下燃爆，造成埋鉆具、井眼報廢等復(fù)雜情況，基于阻斷氧氣使火熄滅的思路研制出了一種低熔點(diǎn)合金制造的井下工具——空氣鉆井燃爆滅火閥。該滅火閥連接在鉆頭上方，一旦環(huán)空著火爆炸，溫度升高，低熔點(diǎn)合金就會熔化，關(guān)閉閥門，切斷氣源使火熄滅，制止事態(tài)的進(jìn)一步擴(kuò)大；還開發(fā)了空氣鉆井防燃爆監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)時監(jiān)測返出氣體組分的變化和井下燃爆隱患，以確?？諝忏@井安全、實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)。

關(guān)鍵詞：空氣鉆井；天然氣；井下燃爆；滅火閥；研制；空氣鉆井防燃爆監(jiān)測系統(tǒng)

????近年來，空氣鉆井技術(shù)在川東北地區(qū)得到推廣應(yīng)用，有效地提高了上部陸相地層的機(jī)械鉆速，大幅度地加快了川東北地區(qū)的勘探開發(fā)步伐。但空氣鉆井實(shí)施過程中曾出現(xiàn)井下燃爆事故，其破壞性極大，造成的損失也相當(dāng)嚴(yán)重。為減少或避免井下燃爆發(fā)生的概率，進(jìn)行了空氣鉆井井下工具滅火閥及井口燃爆監(jiān)測系統(tǒng)的研制開發(fā)。

???井下燃爆，主要發(fā)生在用空氣或霧化空氣鉆開油氣層的過程中，當(dāng)空氣與油或氣混合達(dá)到一定的濃度范圍及反應(yīng)溫度時，發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放出熱量，并最終引起井下爆炸^[1～2]。發(fā)生燃爆的原因是比較復(fù)雜的，一是濾餅圈的形成堵塞環(huán)空通道；二是鉆具與硬地層的碰撞產(chǎn)生火星；三是巖屑上返摩擦生熱^[3]。

????井下燃爆在空氣鉆井中發(fā)生的概率較低，但其破壞性極大，造成的損失會相當(dāng)嚴(yán)重，不但造成鉆具燒毀，還會造成井眼破壞、套管燒熔，甚至使井眼報廢，填井側(cè)鉆^[2]。在四川普光氣田，普104-1井和普303-1井都因發(fā)生井下燃爆導(dǎo)致斷鉆具而填井側(cè)鉆。其中，普光104-1井采用空氣鉆井鉆至上三疊統(tǒng)須家河組3836m時，發(fā)生井下燃爆，直接導(dǎo)致卡鉆事故的發(fā)生，打撈失敗，最后填井側(cè)鉆，報廢進(jìn)尺為277.5m。川東北元壩3井也因井下燃爆導(dǎo)致鉆頭報廢(見圖1、2)。

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????任何井下起火乃至爆炸，都要有足夠的氧氣來點(diǎn)火、足夠的燃料來支撐和火源，這3個條件必須同時達(dá)到。根據(jù)該思路，如果在鉆柱上接一個接頭，能夠阻斷氧氣供應(yīng)的話，就可以使火熄滅。為此，研制設(shè)計(jì)了鉆柱防火接頭——滅火閥，它是在井下發(fā)生著火或燃爆時自動切斷氣體混合通道，制止事態(tài)擴(kuò)大的一種有效工具。

滅火閥其實(shí)是一個特殊的鉆柱浮閥。氣體鉆井中，在鉆頭上部都安裝有安全裝置——浮閥(單向閥)，可以防止環(huán)空中的壓縮空氣(或其他氣體)和攜帶的巖屑回流進(jìn)鉆柱內(nèi)。這種閥裝有一個活瓣機(jī)構(gòu)，循環(huán)停止時環(huán)空中的壓縮空氣和巖屑將會回流，回流推動活瓣關(guān)閉，反過來阻止回流。把浮閥經(jīng)過改進(jìn)，在其上部設(shè)計(jì)一個低熔點(diǎn)合金制造的閥件(采用鋅環(huán))，加工形成了由單向閥總成和熔斷閥總成兩部分組成的滅火閥^[4](見圖3、4、5)。在正常情況下，循環(huán)的空氣流動壓力使彈簧瓣向下張開，允許空氣循環(huán)通過。一旦環(huán)空著火，溫度上升，當(dāng)超過設(shè)計(jì)溫度時，低熔點(diǎn)合金鋅環(huán)熔化使襯套封住空氣流道，關(guān)閉閥門，停止向井底循環(huán)補(bǔ)充空氣，從而切斷氣源使火熄滅^[5]。

????滅火閥的有效長度為700mm，外徑為208mm；通徑為65mm，連接螺紋為730×730，鋅合金牌號為ZZnA14Cu3Mg，作用溫度為385℃。

????滅火閥接在鉆頭上部，其運(yùn)動狀態(tài)及受力情況較復(fù)雜，要求強(qiáng)度高。對滅火閥進(jìn)行了力學(xué)特性分析和可靠性分析。

2.4.1有限元模型的建立