汪光太 王勝啟 楊德鳳

中國(guó)石油勘探與生產(chǎn)工程監(jiān)督中心 （北京 100083）

國(guó)外油公司淺層氣鉆井整體解決方案介紹

汪光太 王勝啟 楊德鳳

中國(guó)石油勘探與生產(chǎn)工程監(jiān)督中心 （北京 100083）

淺層氣鉆井作業(yè)屬于高風(fēng)險(xiǎn)的高危作業(yè)，為了預(yù)防淺層氣井噴，世界上很多國(guó)家的石油公司都制定了有關(guān)淺層氣鉆井的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)和作業(yè)指導(dǎo)。介紹了國(guó)外油公司對(duì)淺層氣鉆井的應(yīng)對(duì)措施和整體解決方案要點(diǎn)，內(nèi)容涉及淺層氣鉆井策略要點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、設(shè)計(jì)要求、施工措施等方面。

淺氣層 鉆井策略 風(fēng)險(xiǎn)決策 解決方案

淺層氣對(duì)鉆井及其相關(guān)作業(yè)的潛在危害分析

淺層氣通常有廣義和狹義之分。廣義上的淺層氣，指的是從勘探地質(zhì)角度考慮，將產(chǎn)層埋深在1 500m以內(nèi)，產(chǎn)出氣體主要成分為甲烷的氣藏定義為淺層氣[1]，即采用1984年7月在美國(guó)俄克拉馬州舉行的第一屆國(guó)際淺層氣資源會(huì)議上所提出的劃分標(biāo)準(zhǔn)。

狹義的淺層氣，就是指井筒作業(yè)過(guò)程中，鉆遇氣體而發(fā)生井涌，但無(wú)法利用承壓套管和防噴器實(shí)施常規(guī)的關(guān)井和壓井作業(yè)的特殊情況，即井口壓力不可控的情況下所鉆遇的氣體。

鉆進(jìn)過(guò)程中所鉆遇的淺層氣其來(lái)源主要有以下幾種情況：①快速沉積形成，有機(jī)物被非滲透物質(zhì)快速沉積覆蓋后，由有機(jī)物分解形成的天然氣圈閉于非滲透巖層之下；②原始運(yùn)移，來(lái)自于深部生氣層的氣體，運(yùn)移到淺層的非滲透層位之下，圈閉而成一個(gè)氣袋；③人為運(yùn)移，鉆進(jìn)過(guò)程中與鄰井相撞或鄰井中的套管固井質(zhì)量不好而使氣體發(fā)生運(yùn)移；④水合圈閉，在寒冷地區(qū)不需非滲透蓋層也可形成淺層氣袋，因?yàn)樵歼\(yùn)移氣能形成致密的水合物而相當(dāng)于蓋層，可圈閉更多的氣體；⑤有機(jī)氣，有機(jī)氣可存在于非常淺的表層中，甚至不需非滲透蓋層的圈閉，這種有機(jī)氣由大量的小氣泡組成，圈閉于產(chǎn)生這種氣體的有機(jī)物殘余體內(nèi)，通常不會(huì)形成超壓。

淺層氣由于具有體積小、埋藏淺、或因快速沉積而使地層壓力來(lái)不及釋放形成高壓氣袋等特點(diǎn)，使得淺層氣對(duì)巖土鉆孔取樣、鉆井平臺(tái)立樁、鉆機(jī)安裝、導(dǎo)管驅(qū)入和上部井眼鉆井作業(yè)都是一個(gè)巨大的潛在危害，特別是上部井眼鉆井作業(yè)中很容易發(fā)生淺層氣井噴。

淺層氣由于其體積小，地質(zhì)勘探有時(shí)難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其有無(wú)和具體層位；由于埋藏淺,往往容易突然出現(xiàn)氣體侵入。一旦發(fā)生井涌,報(bào)警信號(hào)反應(yīng)的時(shí)間短,天然氣可能在幾乎沒(méi)有報(bào)警的情況下到達(dá)地面而造成井噴，有可能使所有的鉆井液噴出而造成井眼迅速卸載,從而失去一次井控的機(jī)會(huì)，再加上表層一般是疏松的薄弱地層,發(fā)生井噴后,又不能強(qiáng)行關(guān)井,以防壓裂或憋漏地層。發(fā)生淺層氣井噴失控后，極易發(fā)生井噴著火、著火爆炸、燒毀鉆機(jī)和設(shè)備、井眼報(bào)廢、井口大面積坍塌形成大坑、陷埋鉆機(jī)和設(shè)備，甚至涌出的氣體可能會(huì)釋放含硫有毒氣體，給人的生命、財(cái)產(chǎn)和周圍環(huán)境造成巨大的威脅或損失。

國(guó)外油公司應(yīng)對(duì)淺層氣鉆井的整體解決方案

淺層氣鉆井作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)非常大，屬于高危作業(yè)。預(yù)防淺層氣井噴是一個(gè)世界性的鉆井技術(shù)難點(diǎn)和重點(diǎn)，世界上很多國(guó)家的石油公司都制定了有關(guān)淺層氣鉆井的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)和作業(yè)指導(dǎo),涉及地震勘探、鉆前探測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、方案設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、鉆進(jìn)監(jiān)控、應(yīng)急處理、事后分析等一系列過(guò)程，形成了一套完整的淺層氣鉆井整體解決方案，但國(guó)內(nèi)到目前為止，還未制訂專門的關(guān)于淺層氣鉆井的專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外幾乎每年都會(huì)發(fā)生淺層氣井噴事故。但實(shí)際上，如果有工程設(shè)計(jì)預(yù)案和應(yīng)急對(duì)策，事故的影響范圍、損失可控程度就會(huì)很不一樣。

1 淺層氣鉆井策略

應(yīng)對(duì)淺層氣鉆井的基本策略通常包括優(yōu)化前期調(diào)查、避開(kāi)潛在區(qū)域、減少風(fēng)險(xiǎn)措施3大方面，要點(diǎn)如下:①進(jìn)行高分辨率地震測(cè)量和巖土鉆孔取樣，但高分辨率的淺層氣地震測(cè)量中沒(méi)有淺層氣指示并不能確保不存在淺層氣；②進(jìn)行初步的淺層氣風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；③避開(kāi)淺層氣可能聚集的位置；④鉆小尺寸導(dǎo)眼是探測(cè)、調(diào)查淺層氣和規(guī)避其主要問(wèn)題的可行、可靠的方法；⑤發(fā)生淺層氣井涌時(shí)“導(dǎo)而不關(guān)”，即實(shí)行導(dǎo)流而不關(guān)井；⑥因考慮到在海底分流淺層氣比在地面分流淺層氣更安全，從浮式鉆井設(shè)備上鉆上部井段推薦的安全做法是不用隔水導(dǎo)管鉆井；⑦在鉆小尺寸導(dǎo)眼時(shí)發(fā)生井涌的早期階段，在已有條件下，如立即采用以最大排量泵入壓井流體的動(dòng)態(tài)壓井方法有可能取得成功；⑧在鉆井設(shè)計(jì)中要有應(yīng)對(duì)淺層氣的相關(guān)內(nèi)容。

2 淺層氣的初步研究和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

（1）淺層氣探測(cè)。雖然陸上高分辨率地震測(cè)量探測(cè)淺層氣和海上探測(cè)淺層氣的原理相同，但在陸上鉆井時(shí)，鉆井之前并非都進(jìn)行這種測(cè)量來(lái)探測(cè)淺層氣，從某種意義上說(shuō)這也是不切實(shí)際的，因?yàn)殛懮细叻直媛实卣饻y(cè)量成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于海上成本。陸上淺層氣探測(cè)，技術(shù)上是可行的，只建議在新區(qū)塊和地質(zhì)情況復(fù)雜的區(qū)塊最好進(jìn)行鉆前淺層氣探測(cè)。對(duì)于可能存在淺層氣但淺層氣深度不確定的地區(qū)，開(kāi)鉆前應(yīng)考慮用小型的地質(zhì)測(cè)量?jī)x進(jìn)行初步探測(cè)。

陸地鉆井時(shí)進(jìn)行的淺層氣隨鉆探測(cè)包括下面幾部分：監(jiān)測(cè)鉆井液出口處的氣測(cè)值；評(píng)估巖屑（綜合錄井）；對(duì)裸眼井段進(jìn)行測(cè)井 (電纜測(cè)井或隨鉆測(cè)量)。

（2）研究鉆遇淺層氣的可能性所需資料。①所有相關(guān)的地震勘探資料；②淺層氣蓋層的地質(zhì)可能性；③所有鄰井的數(shù)據(jù)記錄；④對(duì)淺層氣測(cè)量的評(píng)價(jià)。

（3）目標(biāo)井的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。①低風(fēng)險(xiǎn)：鉆遇淺層氣的可能性沒(méi)有或很；②中等風(fēng)險(xiǎn)：無(wú)法預(yù)測(cè)其可能性(如缺乏資料)。如不另行評(píng)價(jià)，勘探井可認(rèn)為是中等風(fēng)險(xiǎn)；③高風(fēng)險(xiǎn)：可以對(duì)鉆遇淺層氣的可能性作出估計(jì)。

3 設(shè)計(jì)要求和要點(diǎn)

（1）要明確淺層氣風(fēng)險(xiǎn)程度。

（2）根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)程度和鉆機(jī)類別(陸上鉆機(jī)、自升式或固定式鉆井平臺(tái)鉆機(jī)、浮式鉆機(jī))進(jìn)行淺層氣鉆井風(fēng)險(xiǎn)決策。

（3）對(duì)于自升式或固定式鉆井平臺(tái)鉆機(jī)：①當(dāng)鉆平臺(tái)上第一口井時(shí)，不管淺層氣風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果如何，都必須鉆導(dǎo)眼井，而且從一開(kāi)始直至固完表層套管和安好防噴器；②必須裝有分流系統(tǒng)，用到直至確定不存在淺層氣為止；③當(dāng)鉆平臺(tái)上第一口井的表層井眼時(shí)，不允許進(jìn)行交叉作業(yè)，直至證實(shí)導(dǎo)眼井中不存在淺層氣為止。

（4）對(duì)于浮式鉆機(jī)：①表層井眼通常采用無(wú)隔水導(dǎo)管鉆成，在這種情況下只要鉆遇淺層氣的風(fēng)險(xiǎn)非常低，就可以一步鉆成全尺寸的表層井眼；②表層井眼鉆井期間，要安裝遠(yuǎn)程操作潛水作業(yè)機(jī)器人ROV進(jìn)行海底監(jiān)測(cè)；③采用隔水導(dǎo)管鉆井時(shí)，必須安裝分流系統(tǒng)；④采用隔水導(dǎo)管鉆井時(shí)，導(dǎo)眼必須鉆到表層套管下深，如果確認(rèn)存在淺層氣，那么在擴(kuò)眼和下表層套管之前要回填導(dǎo)眼到距含氣層一段安全距離。

（5）分流器：①設(shè)計(jì)時(shí)所用分流器的主要類型包括：地面分流器、海面分流器(海面分流器通常配合水下分流器、水下防噴器和水下排氣閥使用)和水下分流器；②分流器總成的一般要求：

——分流器和分流管線的最低額定工作壓力達(dá)3.5MPa。

——分流器能夠關(guān)閉所有尺寸的入井管柱。

——對(duì)于小于508mm的分流器，關(guān)閉時(shí)間不得超過(guò)30s；對(duì)于508mm以上的分流器，關(guān)閉時(shí)間不得超過(guò)45s。

——分流管線盡可能要直，最小內(nèi)徑為304.8mm。

——分流器液控系統(tǒng)要集成在一起，要達(dá)到環(huán)形密封件關(guān)閉時(shí)，能自動(dòng)打開(kāi)分流閥和關(guān)閉流向振動(dòng)篩的鉆井液回收管線。

——要朝向相反地相對(duì)安裝兩條分流管線，如果只能安裝一條分流管線時(shí)，就要在設(shè)計(jì)中嚴(yán)格限定受天氣影響的鉆井作業(yè)活動(dòng)。

——分流系統(tǒng)安裝后，要進(jìn)行功能測(cè)試，閥門開(kāi)關(guān)正確，要清洗分流管線以防堵塞。

（6）導(dǎo)眼：①導(dǎo)眼應(yīng)鉆于有可能出現(xiàn)淺層氣的區(qū)域；②在預(yù)計(jì)安裝平臺(tái)位置的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，導(dǎo)眼可鉆至導(dǎo)管下深處把其作為淺層氣初步調(diào)研的一部分；③使用不帶噴嘴的215.9mm（82?"）或更小的鉆頭。

（7）隔水管:①采用無(wú)隔水管鉆井通常是最安全的方法;②使用隔水管鉆井時(shí)應(yīng)評(píng)價(jià)導(dǎo)管鞋處的地層強(qiáng)度;③隔水管可帶海底返出口。

（8）導(dǎo)管：安裝導(dǎo)管的方法通常有2種，即在軟地層可驅(qū)動(dòng)下入導(dǎo)管和鉆眼下入。在地層太堅(jiān)硬、不能驅(qū)動(dòng)導(dǎo)管下入足夠深度的地區(qū)，采用在預(yù)先鉆好的井眼中下入導(dǎo)管并注水泥，該方法的缺點(diǎn)是沒(méi)有淺層氣保護(hù)措施，通常只適用于不存在淺層氣的地區(qū)。

最終導(dǎo)管鞋深度：如果鉆下面井段必須使用導(dǎo)流系統(tǒng)，導(dǎo)管應(yīng)該下入足夠的深度，以保證套管鞋處地層足夠的強(qiáng)度，避免導(dǎo)流或者進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓井時(shí)壓裂地層。導(dǎo)管深度根據(jù)導(dǎo)流系統(tǒng)導(dǎo)流時(shí)產(chǎn)生的回壓確定，導(dǎo)流管線的尺寸和配置很大程度上決定了預(yù)計(jì)的回壓大小。

（9）制訂上部井眼鉆井和淺層氣鉆井的特殊措施。

4 施工措施

（1）要制訂特別的淺層氣鉆井應(yīng)急計(jì)劃。

（2）鉆井作業(yè)人員都應(yīng)接受有關(guān)淺層氣及可能引發(fā)事故的專題培訓(xùn)，提高施工人員對(duì)淺層氣危險(xiǎn)性認(rèn)識(shí)。

（3）開(kāi)鉆前，鉆井監(jiān)督應(yīng)召集主要工作人員(鉆井承包人員、鉆井液工程師、綜合錄井工程師等)開(kāi)會(huì)討論淺層氣安全鉆井的問(wèn)題。

（4）制定導(dǎo)流器作業(yè)程序，主要內(nèi)容包括：①停止轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)：當(dāng)鉆進(jìn)時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆井液氣侵，必須停止鉆進(jìn)以避免更多氣體侵入井眼，如果發(fā)現(xiàn)出口流量增加、液面上升，則必須采取導(dǎo)流程序。②將方鉆桿提出轉(zhuǎn)盤，注意不要停泵：停泵檢查溢流情況可能會(huì)造成更大的侵入溢流量，建議連續(xù)泵入，特別是懷疑井中有溢流時(shí)。歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，一旦開(kāi)始井噴并且伴隨較高流量，則很難通過(guò)動(dòng)態(tài)壓井工藝進(jìn)行壓井。只有一發(fā)現(xiàn)溢流就立刻采取動(dòng)態(tài)壓井措施，才有可能壓井成功。③啟動(dòng)適當(dāng)?shù)膶?dǎo)流功能，打開(kāi)排放管線的閥門，關(guān)閉導(dǎo)流器，這些措施必須自動(dòng)并同時(shí)進(jìn)行。④立即通知鉆井監(jiān)督和鉆井承包商帶班隊(duì)長(zhǎng)。⑤關(guān)閉相應(yīng)的閥門，使流體向下風(fēng)口方向?qū)Я?。⑥做好?zhǔn)備措施，不相關(guān)人員應(yīng)撤離井場(chǎng)。⑦以可能達(dá)到的最高排量泵入壓井鉆井液。⑧鉆井泵不能停止直至恢復(fù)井控。⑨如鉆井液密度及體積不夠用于壓井，則應(yīng)不間斷地泵入水，并且要以最高排量泵入，一旦又運(yùn)來(lái)了足夠的鉆井液材料，則應(yīng)從步驟6開(kāi)始重復(fù)。⑩如果情況異常危險(xiǎn)，則應(yīng)將撤離井場(chǎng)所有人員放在首位，之后再采取控制措施。

（5）導(dǎo)流設(shè)備在安裝之后應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，以檢查設(shè)備的完整性并確保其工作正常。試壓應(yīng)在導(dǎo)管中的土或水泥塞未鉆掉時(shí)進(jìn)行，而且測(cè)試壓力應(yīng)盡量保持最低。

（6）推薦的上部井段常規(guī)鉆井措施(注意：在確定沒(méi)有淺層氣的地區(qū)鉆開(kāi)發(fā)井時(shí)，就要對(duì)下述的鉆井措施進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。①鉆導(dǎo)眼井：在可能含淺層氣的地區(qū)鉆一個(gè)小井眼尺寸導(dǎo)眼，這有利于動(dòng)態(tài)壓井和提高測(cè)井質(zhì)量，發(fā)生溢流的可能性、溢流的嚴(yán)重性和動(dòng)態(tài)壓井的可能性一起決定上部導(dǎo)眼的尺寸，通常對(duì)有可能鉆遇淺層氣的地區(qū)，建議鉆311.15mm（124?″）或更小的導(dǎo)眼。②安裝止回閥：上部井段鉆井時(shí)必須在使用的井下鉆具組合中安裝浮閥以防止鉆柱中流體流動(dòng)失控。③優(yōu)化噴嘴：要使用大尺寸噴嘴或者無(wú)噴嘴的鉆頭、以及大尺寸鉆井泵缸套，這樣有利于動(dòng)態(tài)壓井和進(jìn)一步增加循環(huán)排量，減少鉆頭泥包，可保證在漏失時(shí)所用堵漏材料從鉆頭處泵出。④優(yōu)化造斜點(diǎn)：避免在可能含有淺層氣的地區(qū)進(jìn)行淺層造斜。這些地區(qū)鉆井施工應(yīng)該簡(jiǎn)單快捷以減少不必要的井下事故，而用于造斜的井下鉆具組合通常有排量限制，會(huì)減少通過(guò)鉆柱的最大可能排量，這將減弱動(dòng)態(tài)壓井效果，使其無(wú)法成功地進(jìn)行。⑤限制鉆速：建議機(jī)械鉆速為1個(gè)單根/h，在容易發(fā)生地層破裂和漏失的地區(qū)要特別注意避免井眼中固相顆粒的急劇增加?？刂沏@速可盡量減少在含氣層中的進(jìn)尺，同時(shí)減少氣體的侵入速度。在含氣層中過(guò)高的鉆速會(huì)降低鉆井液的靜液柱壓力，并最終導(dǎo)致井噴。⑥減少抽汲作用：采取盡量少用或不用穩(wěn)定器,控制鉆井液黏度，降低起鉆速度，用頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接單根或起鉆時(shí)應(yīng)以最優(yōu)循環(huán)排量循環(huán)鉆井液，特別是在大井眼中,為確保不發(fā)生抽汲作用，要保證循環(huán)排量足夠高，可通過(guò)這些途徑減少抽汲作用發(fā)生的可能性。減少激動(dòng)壓力：要控制下鉆速度，勻速下鉆，減少?zèng)_擊和激動(dòng)壓力，避免引起井漏的可能性。⑦準(zhǔn)確測(cè)量和控制鉆井液：準(zhǔn)確測(cè)量和控制鉆井液對(duì)于盡可能早地發(fā)現(xiàn)淺層氣是最重要的。上部井段鉆井時(shí)要使用校對(duì)好且工作正常的氣體檢測(cè)設(shè)備、壓差流量計(jì)。在起鉆前，鉆井速度突然增加，鉆井液池液面顯示異常，MWD測(cè)井顯示異常 (如果使用MWD數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng))。鉆井設(shè)計(jì)中所列的特殊深度(即根據(jù)淺層地震測(cè)量確定的深度)處都要進(jìn)行溢流檢查，建議每次接單根(立柱)時(shí)也要進(jìn)行溢流檢查。⑧起鉆時(shí)及時(shí)灌鉆井液：要采用連續(xù)灌漿的方法。⑨避免停泵時(shí)間過(guò)長(zhǎng)：鉆井液在靜止?fàn)顟B(tài)下，氣體容易擴(kuò)散進(jìn)入井眼，在置換作用下會(huì)逐漸上升而引發(fā)井噴。⑩防氣竄固井：在對(duì)表層套管固井時(shí)，推薦采用分級(jí)注水泥封隔器、分級(jí)箍、套管外封隔器，以避免氣體運(yùn)移的可能性。

認(rèn)識(shí)與建議

淺層氣鉆井作業(yè)是高風(fēng)險(xiǎn)的作業(yè)。預(yù)防淺層氣井噴是鉆井過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)和重點(diǎn)，有關(guān)淺層氣的地震勘探、鉆前探測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、方案設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、鉆進(jìn)監(jiān)控、應(yīng)急處理等一系列過(guò)程都是互相聯(lián)系的，為了淺層氣鉆井作業(yè)的安全，建議國(guó)內(nèi)石油行業(yè)盡快制定與淺層氣鉆井相關(guān)的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，形成整體的、統(tǒng)一的淺層氣作業(yè)整體解決方案，以適應(yīng)國(guó)內(nèi)、國(guó)外2個(gè)市場(chǎng)同步安全發(fā)展的需要。

Shallow gas drilling operation belongs to the high risk.In order to take precaution against well blowout of shallow gas,many foreign petroleum companies in the world have established the compulsory standards and operation instructions of shallow gas drilling.This paper introduces some relevant measures and key points of total solutions to shallow gas drilling in foreign petroleum companies,which involve many aspects like strategic key points of shallow gas drilling,risk evaluation,design requirements,construction measures and so on.

shallow gas layer,drilling strategy;risk decision;solutions

尉立崗

2010-11-09