無明火低熱輻射點火筒設(shè)計與應(yīng)用

王高杰，王 瑜，趙永光

中國石油冀東油田公司勘探開發(fā)建設(shè)工程事業(yè)部

0 引言

鉆井施工作業(yè)中，液氣分離器［1-5］是重要的井控安全設(shè)備，點火筒是液氣分離器的配套設(shè)備，在出現(xiàn)氣侵或溢流險情的應(yīng)急情況下，為了防止污染鉆井液對施工造成影響，避免可燃氣體擴散后積聚造成的爆炸風險，液氣分離器將污染的鉆井液進行液氣分離，分離出的可燃氣將經(jīng)排氣管線引到點火筒進行點燃，因此點火筒必須放置在滿足相關(guān)標準要求的安全位置，確保不對周邊各種設(shè)施造成輻射傷害，才能有效保證各項工作的安全順利進行。

目前鉆井現(xiàn)場使用的點火筒，結(jié)構(gòu)簡易，燃燒過程中能夠直觀地觀察火焰顏色、高度等情況，但由于火焰裸露在點火筒以上的大氣中，受外界風向影響較大，對周邊設(shè)施尤其下風向設(shè)施造成熱輻射很強，本文所述的無明火低熱輻射點火筒彌補了目前現(xiàn)場使用的點火筒的缺點，同時具有燃燒充分、低煙溫、低噪音、無光污染等特點，適應(yīng)于在冀東油田空間受限的鉆井現(xiàn)場進行應(yīng)用，能夠極大地降低應(yīng)急處置的地面安全風險，提高施工平臺的合理有效利用率和勘探開發(fā)速度和效率。

1 冀東油田現(xiàn)狀

冀東油田開發(fā)后期，陸地老平臺、人工島［6-8］的采油設(shè)備設(shè)施逐漸完善，老井作業(yè)頻繁，交叉作業(yè)時有發(fā)生，當前現(xiàn)狀主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）長期注水對地下壓力系統(tǒng)產(chǎn)生影響，極大地增加了井控風險。近年來，冀東油田發(fā)生的溢流險情中絕大部分都在注水開發(fā)的老區(qū)［9］和人工島，受到注水受效影響較大，且注水受效導致的井控風險逐年加大。

（2）出現(xiàn)溢流［9-11］險情時經(jīng)過液氣分離器排氣后點火率高。在2012 ～ 2020年冀東油田在鉆井施工時發(fā)生的溢流險情中，近70%的井在壓井處理過程時經(jīng)液氣分離器進行分離排氣最終進行點火，點火筒在壓井處置中使用的頻率非常高，點火筒的位置必須要確保安全。

（3）井場空間受限，標準要求難以達到。在Q/SY 02552—2018《鉆井井控技術(shù)規(guī)范》中8.1.2.8要求“排氣管線點火口接出距離井口50 m以遠有點火條件的安全地帶，且距除液氣分離器排氣管線及放噴管線以外的各種設(shè)施距離不少于20 m”，在GB/T 31033—2014《石油天然氣鉆井井控技術(shù)規(guī)范》中5.14要求“排氣管線應(yīng)接至井場外安全地帶，走向沿當?shù)丶竟?jié)風的下風向”，平臺或人工島中采油設(shè)施復(fù)雜、交叉作業(yè)隊伍多、地面空間有限，難以達到與周邊設(shè)施20 m和設(shè)置在季節(jié)風下風向的要求。

2 無明火低熱輻射點火筒的設(shè)計

針對油田現(xiàn)狀，設(shè)計了無明火低熱輻射點火筒，它具有隔熱性效果好、環(huán)保性高、燃燒時無明火、不受外界風影響等特點，彌補了傳統(tǒng)的點火筒熱輻射影響大、在空間受限平臺不安全的缺點。以最大氣體流量1 000 m3/h的型號為例，具體結(jié)構(gòu)和原理如下。

2. 1 結(jié)構(gòu)組成

燃燒火炬系統(tǒng)主要由筒體、主燃燒器、支腿、活動基礎(chǔ)、控制系統(tǒng)共五部分組成，如圖1所示，筒體與主燃燒器串列連接，通過支腿固定在活動基礎(chǔ)上。

圖1 燃燒火炬總體結(jié)構(gòu)組成示意圖

2. 1. 1 筒體結(jié)構(gòu)

筒體結(jié)構(gòu)如圖2所示，在筒體上裝有上吊耳、繃繩拉耳、測溫熱電偶、直梯、點火燃燒器等部件，筒體直徑2 m，高8 m，筒體為鋼板卷制的圓筒，內(nèi)襯不銹鋼襯層，中間填充耐高溫纖維材料，具有良好的隔熱效果，上吊耳和繃繩拉耳用于組裝時吊裝，在直梯上方裝有測溫熱電偶，用于檢測筒體內(nèi)部煙氣溫度，在筒體下部裝有三個點火燃燒器，其中兩個燃氣點火燃燒器，一個燃油點火燃燒器，可預(yù)先點燃確保進入燃燒器的可燃氣能夠及時燃燒。燃氣點火燃燒器通過電子打火對外接氣源或主進氣管中的可燃氣進行點燃，燃油點火燃燒器通過電子打火對油箱中的柴油進行點燃。

2. 1. 2 主燃燒器結(jié)構(gòu)

主燃燒器結(jié)構(gòu)如圖3所示，主燃燒器是一種封閉式外殼、風機供風、正壓充分燃燒、不銹鋼多槍結(jié)構(gòu)的分級燃燒裝置，高度2 m，上面裝有主進氣管、控制閘門、風機、混風罩、燃燒頭、點火燃燒器進氣管等部件，點火燃燒器進氣管提供點火燃燒器的氣源，控制閘門控制主進氣管的開關(guān)，可燃氣通過主進氣管進入主燃燒器內(nèi)，在燃燒頭燃著，風機鼓入大量空氣，混風罩將用于燃燒和將冷卻的空氣進行分配，達到燃燒充分和降溫的作用。

圖2 筒體結(jié)構(gòu)圖

圖3 主燃燒器結(jié)構(gòu)圖

2. 1. 3 支腿結(jié)構(gòu)

支腿周向均布三組，有支撐、固定、維護平臺三個作用。支腿通過壓杠固定在基礎(chǔ)上，如圖4所示。

圖4 支腿及壓杠結(jié)構(gòu)

為保證安全，支腿壓杠的T形螺栓以及筒體與主燃燒器連接的雙頭螺栓均應(yīng)采用雙螺母，單個支腿重約735 kg。

2. 1. 4 活動基礎(chǔ)

鋼筋混凝土基礎(chǔ)由三塊組成，每塊約重5.6 t，長3.15 m，寬2.1 m，高0.35 m，占地約直徑7 m的圓形面積可在廠內(nèi)預(yù)制好，運輸?shù)浆F(xiàn)場安裝，要求現(xiàn)場土地平整。

2. 1. 5 控制系統(tǒng)

火炬的控制系統(tǒng)主要由PLC控制柜和變頻控制柜一套組成。PLC控制柜和變頻控制柜置于現(xiàn)場周邊合適位置，將底座牢靠的固定在地面上?，F(xiàn)場接線箱置于支腿上（出廠已固定），熱電偶、點火燃燒器、閥組等部件之間用電纜連接，連接電纜埋地鋪設(shè)。

2. 2 工作原理

在鉆井施工中需要對可燃氣進行點燃時，首先通過控制系統(tǒng)啟動風機和點火燃燒器，通過風機排出筒體內(nèi)氣體，確保無可燃氣積聚，預(yù)先使燃油點火燃燒器處于點燃狀態(tài)，然后打開控制閥門使主進氣管線中的可燃氣進入主燃燒器內(nèi)并燃燒，風機正常運行，經(jīng)過混風罩后使可燃氣充分燃燒并對煙氣進行冷卻，通過測溫熱電偶檢測筒體內(nèi)煙氣溫度，控制系統(tǒng)對風機頻率進行調(diào)節(jié)，確保排放的煙氣溫度低于900 ℃。對風機頻率的調(diào)節(jié)可通過自動和手動兩種模式進行，其中自動模式需要提前設(shè)定，當火焰平均溫度超過100 ℃時，風機頻率自動提升至20 Hz，當火炬平均溫度超過500 ℃時，風機頻率自動提升至45 Hz，手動模式下可根據(jù)實際筒體溫度對風機頻率進行調(diào)整。

2. 3 性能測試

為確認火炬燃燒性能、內(nèi)壁保溫層的保溫效果，以及火炬的熱輻射影響區(qū)域、火炬燃燒物對環(huán)境、噪音影響等，對火炬運行過程中的熱輻射、燃燒排放物、噪音進行了測試檢測結(jié)果，見表1 ～ 表3。

通過測試可知，燃燒火炬運行時，在設(shè)計的最大氣體流量1 000 m3/h以下能夠保證燃燒過程無明火，火焰在筒體內(nèi)部，不受外界風的影響，且對筒頂以下范圍的熱輻射很小，不對周邊設(shè)施產(chǎn)生熱輻射傷害；火炬燃燒煙氣成分中各組分能夠滿足大氣排放濃度的限值；火炬底部噪聲最大在84 ～ 87 dB，5 m以外降低到61 dB，隨距離增加而衰減。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2018 ～ 2020年在冀東油田NP1-3人工島、NP1-1人工島、NP4-1人工島和NP2-3平臺等地面場地受限施工現(xiàn)場的10余口井中進行了成功應(yīng)用，其中在NP1-3人工島和NP2-3平臺的施工井中有兩口井發(fā)生氣侵進行了點火（燃燒火炬與周邊設(shè)施距離情況見表4），點火過程中能夠進行安全點火操作，對周邊設(shè)施基本無熱輻射影響，能夠確保燃燒過程安全。

表1 筒體四周熱輻射檢測數(shù)據(jù)

表2 燃燒排放物及含量

表3 筒體四周噪聲檢測數(shù)據(jù)

表4 燃燒火炬與周邊設(shè)施的距離情況

在現(xiàn)場應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計時未充分考慮燃油點火燃燒器在熄火時的操作，由于該中溫燃燒火炬在鉆井中屬于井控應(yīng)急設(shè)備，需要定期點火檢查，確保點火燃燒器能夠順利點燃，而每次試點燃后熄滅燃油點火燃燒器都要使用工具手動拔出燃油燈芯，熄滅后再重新安裝，操作復(fù)雜且存在一定的灼傷風險，為此對燃油點火燃燒器進行了改造，在燃油點火燃燒器點火口加裝定滑輪，3 m外固定支架安裝另一個定滑輪，將一根點火棒固定在滑輪運輸線上，點燃火種后通過滑輪將點火棒移動至火炬中央。

4 結(jié)論

（1）無明火低熱輻射點火筒能夠使可燃氣在筒體內(nèi)充分燃燒，筒體外部無明火，不受外界風影響，對筒體高度以下范圍內(nèi)基本不產(chǎn)生熱輻射影響，能夠縮小對與周邊各種設(shè)施的安全距離要求，同時可燃氣在井筒內(nèi)燃燒充分，燃燒時風機噪音低，更具環(huán)保性能，適用于空間受限平臺的鉆井施工現(xiàn)場，能夠增加布井數(shù)量，提高了石油勘探開發(fā)的速度和效率。

（2）通過對點火燃燒器進行改造，手動點火燃燒器原理簡單、便于操作，更適應(yīng)于鉆井現(xiàn)場。