李洪娟

（大慶油田鉆探工程公司鉆井二公司綜合服務(wù)中心，黑龍江大慶163000）

1 天然氣井井噴發(fā)生的過(guò)程及原因

在天然氣井鉆井過(guò)程中，當(dāng)井底壓力小于地層壓力時(shí)，在壓差作用下，地層中天然氣就會(huì)進(jìn)入到井筒內(nèi)，當(dāng)壓差持續(xù)增大時(shí)，進(jìn)入井筒內(nèi)的天然氣就會(huì)越來(lái)越多，最終聚集的天然氣會(huì)形成氣柱，導(dǎo)致井噴事故的發(fā)生[5]。天然氣由地層進(jìn)入井筒大多是通過(guò)微小氣泡的形式，逐漸在井筒內(nèi)匯聚成氣柱，由于天然氣密度遠(yuǎn)小于鉆井液，在鉆井液中會(huì)上竄，然后隨鉆井液循環(huán)向井口上返，在天然氣上返過(guò)程中，所承受的壓力會(huì)逐漸減小，氣泡、氣柱在上升過(guò)程中體積會(huì)發(fā)生膨脹，導(dǎo)致一部分壓井液被擠出井口，導(dǎo)致溢流的發(fā)生，同時(shí)井筒內(nèi)鉆井液密度會(huì)下降，當(dāng)氣泡、氣柱接近井口時(shí)，體積會(huì)急劇膨脹，此時(shí)如果不能及時(shí)采取控制措施，就會(huì)導(dǎo)致井噴事故的發(fā)生。天然氣鉆井井噴事故發(fā)生的原因歸結(jié)如表1所示。

表1 井噴失控的原因

2 天然氣井井控技術(shù)

通過(guò)總結(jié)井噴失控的原因，深入研究井噴失控的過(guò)程發(fā)現(xiàn)，造成井噴的實(shí)質(zhì)是壓井過(guò)程中井口壓力長(zhǎng)時(shí)間大幅度反復(fù)變化，含有氣體的鉆井液高速?zèng)_刺套管、井口及地面管匯，導(dǎo)致套管憋爆、井口刺漏、地面管匯破裂等[6]，因此，要加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的井控措施：

（1）排除溢流壓井。溢流是井噴的前兆，發(fā)現(xiàn)溢流要及時(shí)做好壓井工作，重建井內(nèi)平衡能夠大大減少井噴失控的發(fā)生，在壓井過(guò)程中，要根據(jù)記錄的鉆井液數(shù)據(jù)及溢流情況，合理配制鉆井液密度，保持井底壓力略大于地層壓力，通過(guò)一個(gè)循環(huán)周來(lái)完成壓井作業(yè)。此外，發(fā)現(xiàn)溢流后可以關(guān)井，先使用原鉆井液排除溢流，在加重鉆井液壓井，這種方法需要2個(gè)循環(huán)周期。起鉆時(shí)抽汲作用或是空井時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致地層氣體進(jìn)入鉆井液，為了防止這種情況發(fā)生導(dǎo)致溢流，可以采取以下方法：①迅速關(guān)井，將井筒內(nèi)氣體排出；②控制住井口壓力，保持井筒內(nèi)壓力平衡，釋放出壓井液，使井筒內(nèi)氣體上升至井口排出；③控制好套壓，使用節(jié)流閥釋放部分壓井液，之后關(guān)井，待氣體上升，然后重復(fù)釋放壓井液關(guān)井作業(yè)，直至井筒內(nèi)氣體排出。

（2）加強(qiáng)鉆井工藝控制。對(duì)于有淺層氣的鉆井，使用防噴器關(guān)井易導(dǎo)致井口塌陷，可以安裝分流設(shè)備，當(dāng)鉆開(kāi)淺層氣后，可以采用大排量鉆井液配合小井眼鉆井的方法繼續(xù)鉆進(jìn)，要密切關(guān)注井口鉆井液流量變化及池體積變化情況，當(dāng)出現(xiàn)溢流情況時(shí)，不能簡(jiǎn)單關(guān)井，要采取分流放噴的方法，先小幅上提鉆具，然后停泵檢測(cè)溢流情況，再打開(kāi)分流器向下風(fēng)口分流，最后將泵排量開(kāi)至最大，向井筒內(nèi)泵入配制好的鉆井液，通過(guò)循環(huán)鉆井液來(lái)控制井筒內(nèi)壓力。

（3）井噴失控、著火的處理。天然氣井發(fā)生井噴時(shí)，必須迅速采取最佳處理方法，將損失控制到最小。發(fā)生井噴的瞬間，井控最核心的工作就是保護(hù)井口、保證井場(chǎng)人員安全和防止著火等，采取應(yīng)急措施包括：①首先要迅速采取措施保護(hù)井口，向井口內(nèi)持續(xù)注水，同時(shí)對(duì)井口噴出的油氣進(jìn)行噴水，確保不會(huì)發(fā)生著火事故，保護(hù)井口；②保護(hù)井場(chǎng)人員安全。應(yīng)測(cè)量井口有毒有害氣體含量，在上風(fēng)口劃分安全區(qū)域，迅速組織井場(chǎng)人員撤離到安全區(qū)域，防止發(fā)生中毒事故；③防止著火，做好防爆工作。應(yīng)迅速斷電，關(guān)閉相應(yīng)的井場(chǎng)設(shè)備，設(shè)置警戒線，警戒線內(nèi)嚴(yán)禁一切動(dòng)火措施，將易燃易爆物品搬離危險(xiǎn)區(qū)域；④使用各種井控設(shè)備，迅速壓井，使井內(nèi)壓力重新達(dá)到平衡。當(dāng)井噴著火后噴式不減，越噴越大時(shí)，必須迅速滅火，然后換裝新井口，進(jìn)行壓井作業(yè)

（4）采取預(yù)防措施。天然氣井一旦發(fā)生井噴失控，易造成爆炸著火，不僅危及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員人身安全，還會(huì)造成機(jī)毀人亡、油氣井報(bào)廢等危害，因此在開(kāi)鉆之前都要做好相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，具體可以從以下幾個(gè)方面入手：①做好鉆井設(shè)計(jì)，編制鉆井工程方案，對(duì)于區(qū)域內(nèi)淺層氣含量較高的地區(qū)，在滿足生產(chǎn)需要的情況下盡量避開(kāi)淺層氣；②井口應(yīng)安裝分流裝置、鉆井參數(shù)監(jiān)測(cè)儀器、鉆井液液面檢測(cè)儀、報(bào)警裝置等；③下表層套管時(shí)，套管下入深度應(yīng)該能夠封住疏松地層，防止壓井時(shí)出現(xiàn)地層壓裂的情況；④鉆前應(yīng)準(zhǔn)備充足的重晶石粉等加重材料，開(kāi)泵時(shí)應(yīng)逐漸增大泵排量，防止排量過(guò)大憋漏疏松地層，固井前應(yīng)增大鉆井液密度，防止固井期間出現(xiàn)井噴事故；⑤起鉆前停泵時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，起鉆時(shí)要密切關(guān)注鉆井液上返情況，向井筒內(nèi)及時(shí)灌滿鉆井液，使鉆井液滿足起鉆要求。

3 天然氣鉆井井控面臨的技術(shù)難題

3.1 不能及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)溢流

大量事實(shí)表明，溢流是發(fā)生井噴的前兆和必然過(guò)程，及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)溢流，采取措施減少氣體侵入井筒內(nèi)，早關(guān)井控制井筒內(nèi)壓力平衡，能夠有效地阻止井噴事故的發(fā)生，因此，鉆井現(xiàn)場(chǎng)必須做好溢流的監(jiān)測(cè)。目前鉆進(jìn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)溢流的手段主要是通過(guò)監(jiān)測(cè)鉆井液流量、密度、烴類氣體含量及泥漿池體積變化等參數(shù)，這些參數(shù)變化都是一個(gè)緩慢的過(guò)程，一些細(xì)微變化很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)。由于現(xiàn)場(chǎng)采取坐崗值守制度，坐崗人員偶爾會(huì)出現(xiàn)脫崗、睡崗情況，其責(zé)任心也影響溢流的及時(shí)發(fā)現(xiàn)。此外，在鉆井液靜置期間發(fā)生溢流的可能性較大，而監(jiān)測(cè)的參數(shù)較少，只能通過(guò)池體積變化來(lái)發(fā)現(xiàn)溢流，增加了停泵期間監(jiān)測(cè)溢流的難度。雖然井筒壓力監(jiān)測(cè)提供了較好的解決辦法，但相應(yīng)的壓力監(jiān)測(cè)儀器還需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

3.2 井控設(shè)備性能不能滿足生產(chǎn)需求

在高壓高產(chǎn)油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于儲(chǔ)層含氣量大、地層壓力高能量足，對(duì)井控設(shè)備壓力等級(jí)要求較高，以便能夠承受地層壓力，起到較好的控制作用。由于井筒內(nèi)壓力大，高壓管匯的節(jié)流壓差大，再加上鉆井液中含有大量的硬度較高的固相顆粒，在高壓作用下沖刷管匯和節(jié)流閥，導(dǎo)致設(shè)備壽命縮短，工作的可靠性受到影響[7]。此外，天然氣進(jìn)入到高密度、高粘度鉆井液中，氣液分離的難度加大，對(duì)井控設(shè)備的脫氣處理能力要求較高。

3.3 平衡鉆井技術(shù)有待提高

目前開(kāi)鉆的井多采用近平衡鉆井技術(shù)，這種鉆井技術(shù)對(duì)井筒內(nèi)的壓力控制要求較高，為了保持起下鉆期間壓力的平衡，通常使用附加當(dāng)量密度來(lái)調(diào)節(jié)井筒內(nèi)壓力，導(dǎo)致在正常鉆進(jìn)過(guò)程中井底壓力大于地層壓力。如果附加的當(dāng)量密度過(guò)大，當(dāng)鉆遇淺層氣較多時(shí)，脫氣器如果不能起到較好的脫氣效果，井筒內(nèi)壓力會(huì)進(jìn)一步上升，導(dǎo)致井底壓力遠(yuǎn)大于地層壓力，在壓差作用下，會(huì)出現(xiàn)井漏等情況，嚴(yán)重?fù)p害油氣層，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)械鉆速降低。因此，必須運(yùn)用好近平衡鉆井技術(shù)，同時(shí)還需要進(jìn)一步研究，以提高鉆井效率。

4 天然氣井井控技術(shù)發(fā)展方向

4.1 加強(qiáng)溢流監(jiān)測(cè)儀器研制

溢流是發(fā)生井噴的先兆，加強(qiáng)對(duì)溢流的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。分析溢流的特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，溢流早期烴類氣體會(huì)進(jìn)入鉆井液，導(dǎo)致井筒內(nèi)鉆井液體積增加，相應(yīng)的鉆井液液面會(huì)上升。要實(shí)現(xiàn)對(duì)井底烴類氣體的監(jiān)測(cè)比較困難，由于鉆井液體積小幅增加即可導(dǎo)致井筒內(nèi)液面的大幅上升，因此監(jiān)測(cè)井筒內(nèi)鉆井液液面上升相對(duì)易于實(shí)現(xiàn)，需要研究精度較高的井筒液面監(jiān)測(cè)儀器，能夠發(fā)現(xiàn)細(xì)微的井筒液面變化，然后結(jié)合開(kāi)關(guān)泵及鉆具下入情況，通過(guò)軟件自動(dòng)判斷是否發(fā)生溢流，發(fā)現(xiàn)溢流及時(shí)報(bào)警，達(dá)到及時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)溢流目的。此外，還需要加強(qiáng)對(duì)鉆井液密度、含烴量及井筒壓力儀器設(shè)備的研究，達(dá)到全方位、多參數(shù)監(jiān)測(cè)溢流的發(fā)生。

4.2 加強(qiáng)對(duì)井控設(shè)備研究與開(kāi)發(fā)

隨著鉆井條件越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)井控設(shè)備要求越來(lái)越高，對(duì)于高壓高產(chǎn)氣油氣田，井控設(shè)備需要有較高的壓力等級(jí)，能夠承受105MPa井筒壓力，同時(shí)考慮到天然氣中常伴隨有腐蝕性氣體H2S、CO2等，需要研制耐腐蝕性井控設(shè)備。對(duì)于井控設(shè)備中易損壞部分要進(jìn)行強(qiáng)化，節(jié)流閥要采用強(qiáng)度更高的材質(zhì)，并且結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步優(yōu)化，可以開(kāi)發(fā)多級(jí)節(jié)流系統(tǒng)，改善節(jié)流閥工作條件，提高工作穩(wěn)定性。高壓管匯結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步優(yōu)化，通過(guò)智能控制，減輕高壓鉆井液對(duì)管匯的沖蝕，延長(zhǎng)高壓管匯使用壽命。研制更加高效的分離器，提高氣液分離效率。此外，要加強(qiáng)對(duì)井控系統(tǒng)的研發(fā)，提高井控系統(tǒng)的智能化，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)井筒內(nèi)壓力，實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使井筒內(nèi)壓力保持在合理范圍。

4.3 加強(qiáng)壓力控制鉆井技術(shù)研究

隨著鉆井技術(shù)不斷發(fā)展，氣體鉆井、氣液兩相鉆井等負(fù)壓鉆井技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，在特殊鉆井條件下應(yīng)用越來(lái)越普遍。負(fù)壓鉆井技術(shù)能夠提高鉆井效率、有效保護(hù)油氣層，但是對(duì)井筒內(nèi)壓力控制要求較高，現(xiàn)階段由于壓力控制技術(shù)還不夠成熟，導(dǎo)致負(fù)壓鉆井技術(shù)應(yīng)用效果受到影響。為了提高負(fù)壓鉆井技術(shù)應(yīng)用水平，提高鉆井效率、保護(hù)油氣層，需要加強(qiáng)負(fù)壓鉆井全過(guò)程閉環(huán)壓力循環(huán)系統(tǒng)研究，通過(guò)強(qiáng)化旋轉(zhuǎn)防噴器，配置節(jié)流管匯、承壓振動(dòng)篩、分離器、壓力監(jiān)測(cè)儀器，編制相應(yīng)的監(jiān)測(cè)、控制軟件，使井筒內(nèi)壓力能夠保持動(dòng)態(tài)平衡，保障負(fù)壓鉆井的安全。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著大慶油田持續(xù)勘探與開(kāi)發(fā)，天然氣成為油田增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要資源，加強(qiáng)天然氣鉆井井控技術(shù)研究顯得尤為重要。為了提升天然氣鉆井的安全性、可靠性，使井控技術(shù)效能從單純的防止井噴發(fā)展到提升鉆井效率、保護(hù)油氣層、防止環(huán)境污染等，應(yīng)從強(qiáng)化鉆井異常監(jiān)測(cè)手段、提升井控配套設(shè)備研發(fā)、完善壓力控制鉆井技術(shù)、提升突發(fā)事故處理水平等方面出發(fā)，使天然氣鉆井井控技術(shù)邁上新的臺(tái)階。

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