摘要：空氣鉆井有效地提高了機械鉆速、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)的進一步擴大；還開發(fā)了空氣鉆井防燃爆監(jiān)測系統(tǒng)，可實時監(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、實現(xiàn)快速鉆進。

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)。

?

????任何井下起火乃至爆炸，都要有足夠的氧氣來點火、足夠的燃料來支撐和火源，這3個條件必須同時達到。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)擴大的一種有效工具。

滅火閥其實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鉆柱內(nèi)。這種閥裝有一個活瓣機構(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，在其上部設(shè)計一個低熔點合金制造的閥件(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)計溫度時，低熔點合金鋅環(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，其運動狀態(tài)及受力情況較復(fù)雜，要求強度高。對滅火閥進行了力學(xué)特性分析和可靠性分析。

2.4.1有限元模型的建立