СПОСОБ ТУШЕНИЯ ГОРЯЩИХ ФОНТАНОВ НА ГАЗОВЫХ, НЕФТЯНЫХ И ГАЗОНЕФТЯНЫХ СКВАЖИНАХ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И СИСТЕМА ТУШЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК E21B35/00 A62C3/00 

Изобретение относится к пожарной технике, а именно к способам, устройствам и системам тушения горящих фонтанов (факелов) на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах.

Известные способы и устройства тушения горящих фонтанов базируются на двух основных методах: на подавлении реакций горения и срыве пламени (отрыве фронта пламенного горения). По первому методу в зону горения подают охлаждающие и огнегасящие средства - газообразные или жидкие азот, двуокись углерода, продукты горения нефти и сверхохлажденном состоянии, воду, водяной пар, охлаждающие жидкости, огнетушащие порошки, отработанные газы турбореактивного двигателя или их комбинации (пат. РФ N 2039212, E 21 B 35/00, опубл. 1991 г; а.с. 237772, E 21 B 35/00, опубл. 1965 г.).

При этом методе механизм тушения связан со снижением концентрации кислорода в факеле и его температуры за счет введения различных ингибиторов подавления реакций горения.

Однако метод требует больших расходов огнегасящих средств, сравнимых с расходом вещества горящего факела, поэтому он очень дорогой и имеет низкую эффективность.

Второй метод основан на взрывном или газогидродинамическом воздействии на массу вещества факела, при этом фронт пламенного горения отрывается от невоспламенившейся массы фонтана и уводится от устья скважины, например, струями воды (а.с. 856464, A 62 C 3/00, опубл. 1981 г.; пат. РФ N 2037321, A 62 С 2/00, опубл. 1995 г. и др.).

Данный метод также является дорогим, требующим специальных громоздких сооружений, устанавливаемых вокруг горящей скважины, синхронности работы многих лафетных стволов, значительного расхода гасящего вещества как в случае взрывного воздействия на всю массу вещества факела, так и при перемещении водяных или газожидкостных струй вверх по оси фонтана на значительную высоту до выведения пламени из зоны действия фонтана.

Указанные недостатки присущи и комбинации этих методов, несмотря на их большую эффективность.

Наиболее близким аналогом предлагаемого способа тушения горящих фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах является способ тушения по патенту РФ N 2039212, хотя прямым прототипом он не может являться.

Способ тушения пожаров фонтана заключается в том, что в зону горения подают выхлопные огнегасящие струи турбореактивных двигателей, которые размещают равномерно по кольцу относительно оси факела, а струи направляют попарно навстречу одна другой под одинаковыми углами относительно факела, обеспечивая соприкосновение снежных струй. Данному способу присущи недостатки, указанные для первого метода тушения горящих фонтанов, а также сложность и громоздкость средств тушения, невозможность полной автоматизации и, как следствие, невозможность ликвидации пожара в начальной его стадии, когда причиняемый ущерб минимален и вероятность повторного возгорания от нагретых конструкций низка. Средства тушения сложны и трудоемки в обслуживании, в доставке и эксплуатации, что затрудняет их использование в удаленных и труднодоступных регионах добычи и разработки нефти и газа.

Технической задачей изобретения является устранение указанных недостатков.

Поставленная задача решается созданием способа тушения горящих фонтанов путем подачи в очаг пожара огнетушащего средства со сверхзвуковой скоростью, причем в качестве огнетушащего средства подают поток ингибирующего аэрозоля в количестве, обеспечивающем огнетушащую концентрацию в зоне горения. Количество подаваемого в зону горения аэрозоля определяют из соотношения:

где M_аэр - секундный расход аэрозоля, кг/с;
Co - огнетушащая концентрация аэрозоля для конкретного топлива, выраженная через массу аэрозолеобразующего состав, кг/м³;
M_топл - секундный приход топлива в зону горения (дебит скважин), кг/с;
- соотношение масс кислорода и топлива, участвующих в горении, кг/кг;
Q_инд - кислородный индекс топлива, т.е. предельное минимальное содержание кислорода в воздухе, при котором возможно горение данного топлива,%;
1,293 - плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м³;
K_и - коэффициент запаса ингибирующего аэрозоля, т.е. коэффициент, учитывающий потери потока аэрозоля, безразмерная величина, зависящая от расстояния до факела, угла встречи струи аэрозоля с факелом и других факторов. Для горящего газового факела при абсолютно точной установке устройств для тушения горящих фонтанов (генераторов ингибирующего аэрозоля) K_и = 1,0, для других случаев K_и = 1,1 ... 1,5.

Ингибирующий аэрозоль получают в результате горения аэрозолеобразующего огнетушащего состава (АОС). Поток аэрозоля подают под основание пламенного факела, причем при большой площади поток аэрозоля подают равномерно относительно устья фонтана, по меньшей мере, с четырех сторон. Высокая огнетушащая эффективность ингибирующего аэрозоля позволяет осуществить его подачу в импульсном режиме с длительностью импульса, по меньшей мере, 3 с.

В связи с существованием вероятности повторного возгорания фонтана от нагретых конструкций скважины в конце подачи первого (основного) импульса (потока) ингибирующего аэрозоля производят охлаждение окружающих факел конструкций дополнительным охлаждающим средством, например диспергированной в газе охлаждающей жидкостью (например, водой или водными растворами солей), сжиженным газом, например жидким азотом, жидкой двуокисью углерода.

Пример. Расчет массы аэрозолеобразующего состава, необходимой для тушения горящего метана с дебитом 2•10⁶ м³/сутки. Для метана Co = 0,05 кг/м³, плотность ρ = 0,73 кг/м³, Q_инд = 11%, рассчитывается из уравнения:
CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O

K_и примем равным 1,0.

При длительности импульса 3 секунды получаем заряд массой 78,3 кг.

Предлагаемый способ тушения горящих фонтанов реализуется с помощью конкретного устройства. Известные устройства тушения горящих фонтанов путем подавления реакций горения или срыва пламени, как было указано ранее, являются весьма сложными, громоздкими сооружениями, требующими больших усилий и затрат при их обслуживании, эксплуатации. Предлагаемое устройство для осуществления разработанного способа тушения представляет собой, по существу, генератор ингибирующего аэрозоля.

Известно устройство для тушения пожара, содержащее камеру сгорания с твердым зарядом и крышками, воспламенительный узел и заднюю крышку, выполненную в виде сопла Лаваля (пат. РФ 1834669, A 62 C 35/00, опубл. 1993 г.). Однако данное устройство предназначено для пожаротушения в замкнутом помещении, что налагает определенные условия для образования огнетушащего аэрозоля и выхода его через выпускное сопло, а также ограничения на габариты и мощность устройства пожаротушения. Известно также устройство для тушения пожара, включающее корпус, в котором размещены, по меньшей мере, одна твердотопливная шашка из аэрозолеобразующего огнетушащего состава, узел воспламенения и средство в виде сопла для выхода продуктов сгорания огнетушащего состава - аэрозоля (пат. РФ 2008045, A 62 C 3/00, опубл. 1994 г.). Это устройство рассматривается как ближайший аналог изобретения. Однако оно также предназначено для объмного тушения пожаров в сооружениях с замкнутыми объемами (склады, гаражи и т.д.), а сопло для выхода аэрозоля является по существу выпускным отверстием для продуктов сгорания огнетушащего состава.

Предлагаемый способ тушения горящих фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах осуществляется с помощью устройства, содержащего корпус, закрытый в донной части крышкой, в котором размещены, по меньшей мере, одна твердотопливная шашка из аэрозолеобразующего огнетушащего состава, узел воспламенения, решетка для фиксирования шашки и средство для выхода аэрозоля, причем это средство выполнено в виде сопла, обеспечивающего сверхзвуковое истечение аэрозоля, например, в виде сопла Лаваля. Для дополнительного охлаждения за соплом за счет эжектирования (засасывания) воздуха высокоскоростным потоком аэрозоля устройство (генератор) снабжено воздушно-эжекторной насадкой, например, в виде перфорированного металлического цилиндра.

При сверхзвуковом истечении аэрозоля одновременно с увеличением скорости потока снижается температура выходящего аэрозоля. Для обеспечения полноты сгорания аэрозольобразующего состава и полноты выхода аэрозоля сопло генератора рассчитывают таким образом, чтобы обеспечить рабочее давление в генераторе на уровне 40...60 кгс/см².

Корпус устройства имеет внутреннюю теплоизоляцию полную или частичную, а узел воспламенения может быть выполнен в любом варианте, например в виде электровоспламенителя, огнепроводного шнура или пиротехнического капсюля-воспламенителя или их комбинации.

Конструкция предлагаемого устройства-генератора ингибирующего аэрозоля поясняется чертежом, фиг. 1. Устройство содержит металлический корпус 1 с крышкой 2 и шашкой (зарядом) на АОС 3, узел воспламенения 4, решетку 5, сопло 6 для выхода продуктов сгорания (аэрозоля) с воздушно-эжекторной насадкой 7.

Устройство работает следующим образом. После срабатывания воспламенителя 4 поджигается шашка 3 из АОС, образующийся ингибирующий аэрозоль, проходя через решетку 5, выходит через сопло 6, снабженное насадкой 7.

Аэрозоль образуется при сгорании шашки, обладает пеногасящими свойствами за счет ингибирования цепных реакций горения. Высокая дисперсность аэрозоля достигается в процессе горения аэрозолеобразующего состава. Предлагаемое устройство для тушения горящих фонтанов, реализующее разработанный способ тушения в виде аэрозольного генератора, отличается простотой конструкции, компактностью, высокой огнетушащей способностью, автоматическим режимом работы, а также большой сырьевой базой используемых материалов.

На основе предлагаемого способа и устройства для тушения горящих фонтанов разработана система тушения горящих факелов. Известна противопожарная система нефтяных скважин (PCT 090/11430A1, E 21 B 35/00, опубл. 1990 г.), предназначенная для пожаротушения на буровой вышке путем впрыска под давлением диоксида углерода, азота, моноаммонийфосфата в струю углеводородов с последующей подачей воды после рассеяния химикатов. Система включает средства обнаружения загорания, основные и дополнительные средства тушения, средства соединения устройств тушения между собой и со средством их инициирования. Эта система выбрана в качестве ближайшего аналога предлагаемой системы. Однако она весьма громоздкая, требует больших расходов огнегасящих средств, а потому очень дорогая и недостаточно эффективная.

В предлагаемой системе тушения горящих факелов, включающей средства обнаружения загорания, основные и дополнительные устройства тушения, средство соединения устройств между собой и со средством их инициирования, в качестве основных устройств тушения используются аэрозольные генераторы, например, с соплом Лаваля по п. 7...11 формулы изобретения, причем генераторы располагаются по кругу, по меньшей мере, с четырех сторон симметрично относительно устья фонтана и ориентированы они так, чтобы область пересечения потока аэрозоля из генераторов находились под основанием зоны пламенного горения фонтана. В качестве дополнительных устройств тушения система содержит устройства пожаротушения любого типа, подающие диспергированную в газе охлаждающую жидкость, например воду или водные растворы солей, сжиженные газы, например жидкие азот, диоксид углерода, причем указанные устройства располагаются вокруг устья фонтана поочередно с аэрозольными генераторами и включаются одновременно в конце подачи первого потока аэрозоля, охлаждая окружающие факел конструкции. Кроме того, аэрозольные генераторы в системе группируются, по меньшей мере, по два генератора и включаются одновременно при срабатывании средств их инициирования. Средство соединения устройств тушения между собой и со средством их инициирования выполнено в виде металлической оболочки, например трубы, заключающей в себе электрические и иные связи для инициирования устройств тушения и образующей по периметру круг или иную фигуру с центром симметрии в устье фонтана. Металлическая оболочка позволяет избежать повреждения линии связи во время пожара, а также может служить опорой для крепления генераторов. В последнем случае она дополнительно компенсирует одну из составляющих реактивной силы, возникающей при работе генераторов. Инициирование устройств тушения осуществляется автоматически от извещателей пожара или вручную (диспетчером).

Для тушения фонтанов с большой площадью пламенного факела и повышения надежности тушения система имеет одно- двукратный резерв генераторов ингибирующего аэрозоля для обеспечения повторного запуска. При этом углы наклона резервных пар генераторов к горизонту могут отличаться как по отношению к первой (основной) паре, так и между второй и третьей парами, что исключает необходимость установки требуемых углов перед запуском генераторов и упрощает систему тушения.

Предлагаемая система поясняется чертежами, где на фиг.2 - схема расположения генераторов и устройств тушения с дополнительными охлаждаемыми средствами вокруг устья фонтана в плане и на фиг.3 - схема взаимодействия струй аэрозоля с горящим фонтаном.

Обозначения на фигурах: 9 - устье фонтана; 10 - пары генераторов ингибирующего аэрозоля; 11 - пары устройств тушения с диспергированной в газе охлаждающей жидкостью; 12 - линии связи генераторов и устройств тушения; 13 - выход к пульту управления; 14 - газожидкостная зона фонтана; 15 - пламенная зона фонтана.

Принцип работы системы: при возникновении загорания на скважине срабатывают извещатели пожара - тепловые, и/или дымовые, и/или спектральные, и/или иные, которые выдают сигнал на пульт управления. Затем через диспетчера вручную или автоматически подается сигнал на запуск генераторов ингибирующего аэрозоля. Одновременно, как минимум с четырех сторон, первые (основные) пары генератора формируют высокоскоростные потоки ингибирующего аэрозоля, которые встречается под пламенной зоной горящего фонтана, захватываются им и перемешиваются в пламенной зоне с реагирующими веществами. Во время работы генератора между газожидкостной (негорящей) и пламенной зонами фонтана создается буферная зона с огнетушащей концентрацией аэрозоля. В этой зоне благодаря активированной поверхности аэрозоля осуществляется обрыв цепных реакций горения и окисления углеводородов. Увеличение этой зоны к концу работы основных генераторов приводит к отрыву зоны пламенных реакций от негорящей массы фонтана и экранированию потока лучистой энергии, способного воспламенить газожидкостную зону. В итоге горение фонтана прекращается, однако существует вероятность повторного возгорания от нагретых конструкций скважины. Эта вероятность тем выше, чем больше времени горел фонтан от момента возгорания до момента тушения. При эксплуатации системы в автоматическом режиме и применении высокочувствительных извещателей пожара эта вероятность очень мала.

Для снижения вероятности повторного возгорания фонтана в конце работы основных генераторов ингибирующего аэрозоля автоматически включаются все устройства тушения диспергированной в газе жидкостью, например, по пат. РФ N 2022582, A 62 C 3/08, которые охлаждают элементы конструкции скважины.

Включение резервных генераторов ингибирующего аэрозоля может быть осуществлено как вручную (диспетчером), так и автоматически при повторном срабатывании извещателей пожара.

Таким образом, предлагаемая система тушения горящих фонтанов компактна, надежна в работе, процесс тушения может быть полностью автоматизирован, она экономична и эффективна как пожаротушащая система.

Изобретение относится к пожарной технике, а именно к способам, устройствам и системам тушения горящих фонтанов (факелов) на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах. Способ тушения горящих фонтанов реализуется путем подачи в очаг пожара огнетушащего средства со сверхзвуковой скоростью. В качестве огнетушащего средства подают поток ингибирующего аэрозоля в количестве, обеспечивающем огнетушащую концентрацию в зоне горения. Поток подают под основание пламенного факела. Способ осуществляется с помощью устройства, содержащего корпус, закрытый в донной части крышкой. В корпусе размещены, по меньшей мере, одна твердотопливная шашка из аэрозолеобразующего огнетушащего состава, узел воспламенения, фиксирующая шашку решетка и средство для выхода продуктов сгорания - сопло. Это сопло обеспечивает сверхзвуковое истечение аэрозоля. Система тушения включает, кроме аэрозольных генераторов, устройства пожаротушения любого типа, подающие дополнительные охлаждающие средства для охлаждения окружающих факел конструкций. Система содержит средства обнаружения загорания. Она компактна, надежна в работе, экономична и эффективна как пожаротушащая система. Использование изобретения повышает эффективность тушения горящих фонтанов. 3 с. и 11 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ тушения горящих фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах, включающий подачу в очаг пожара огнетушащего средства, отличающийся тем, что в качестве огнетушащего средства подают поток ингибирующего аэрозоля, полученного при горении аэрозолеобразующего огнетушащего состава в количестве, обеспечивающем огнетушащую концентрацию в зоне горения, причем поток аэрозоля подают со сверхзвуковой скоростью под основание пламенного факела. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество подаваемого в зону горения аэрозоля определяют из соотношения

где M_аэр - секундный расход горения, кг/с;
C_о - огнетушащая концентрация аэрозоля для конкретного топлива, выраженная через массу аэрозолеобразующего состава, кг/м²;
M_топл. - секундный приход топлива в зону горения, (дебит скважины), кг/с;
- соотношение масс кислорода и топлива, участвующих в горении, кг/кг;
Q_инд. - кислородный индекс топлива, т.е. предельное минимальное содержание кислорода в воздухе, при котором возможно горение данного топлива, %;
1,293 - плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м³;
K_и - коэффициент запаса ингибирующего аэрозоля, т.е. коэффициент, учитывающий потери потока аэрозоля. 3. Способ по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что при большой площади пламенного факела поток аэрозоля подают равномерно относительно устья фонтана, по меньшей мере, с четырех сторон. 4. Способ по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что поток аэрозоля подают в импульсном режиме с длительностью импульса, по меньшей мере, 3 с. 5. Способ по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что в конце подачи первого потока аэрозоля проводят охлаждение окружающих факел конструкций дополнительными охлаждающими средствами. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что в качестве дополнительных охлаждающих средств используют диспергированную в газе охлаждающую жидкость, например воду или водные растворы солей, сжиженные газы, например жидкие азот, двуокись углерода. 7. Устройство для тушения горящих фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах, содержащее корпус, в котором размещены, по меньшей мере, одна твердотопливная шашка из аэрозолеобразующего огнетушащего состава, узел воспламенения, и средство для выхода продуктов сгорания-аэрозоля, выполненное в виде сопла, отличающееся тем, что корпус закрыт в донной части крышкой и имеет фиксирующую шашку решетку, а сопло обеспечивает сверхзвуковое истечение аэрозоля. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что сопло, обеспечивающее сверхзвуковое истечение аэрозоля, выполнено в виде сопла Лаваля. 9. Устройство по одному из пп.7 и 8, отличающееся тем, что оно снабжено воздушно-эжекторной насадкой, например перфорированным металлическим цилиндром. 10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что корпус имеет внутреннюю теплоизоляцию полную или частичную. 11. Устройство по п.7, отличающееся тем, что узел воспламенения выполнен в виде электровоспламенителя и/или огнепроводного шнура, или пиротехнического капсюля-воспламенителя с или без огнепроводного шнура. 12. Система тушения горящих фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах, включающая средства обнаружения загорания, основные и дополнительные устройства тушения, средство соединения устройств тушения между собой и со средством их инициирования, отличающаяся тем, что в качестве основных устройств тушения она содержит аэрозольные генераторы по пп.7 - 11, которые расположены по кругу, по меньшей мере, с четырех сторон симметрично относительно устья фонтана с возможностью подачи потока аэрозоля под основание пламенного факела, а в качестве дополнительных устройств тушения она содержит устройства пожаротушения любого типа, подающие диспергированную в газе охлаждающую жидкость, например воду или водные растворы солей, сжиженные газы, например жидкий азот, диоксид углерода, причем указанные устройства расположены вокруг устья фонтана поочередно с аэрозольными генераторами и выполнены с возможностью одновременного включения в конце подачи первого потока аэрозоля. 13. Система по п.12, отличающаяся тем, что аэрозольные генераторы в ней сгруппированы, по меньшей мере, по два генератора и выполнены с возможностью одновременного включения при срабатывании средств их инициирования. 14. Система по п.12 или 13, отличающаяся тем, что средство соединения устройств тушения между собой и со средствами их инициирования выполнено в виде металлической оболочки, например, трубы, заключающей в себя электрические и иные связи для инициирования устройств тушения, и образующей по периметру круг или иную фигуру с центром симметрии в устье фонтана.