王 梅

(中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司，北京 100020)

與常規(guī)天然氣開采相比，頁巖氣作業(yè)為滿足長水平段鉆井、大規(guī)模壓裂施工等要求，在淺層氣鉆井、大型壓裂施工作業(yè)中突出存在井噴失控的風(fēng)險。如發(fā)生井噴事故，不僅會打亂正常的工作秩序、危及作業(yè)員工和周邊群眾的生命安全，還會污染環(huán)境、損害油氣層、破壞地下資源，甚至造成機毀人亡和油氣井報廢等巨大損失[1]。因此，有必要采用事故樹法構(gòu)建頁巖氣鉆井井噴失控事故場景，分析梳理可能引發(fā)事故的基本事件，并通過結(jié)構(gòu)重要度計算，確定各影響因素(基本事件)的重要程度并對其排序，篩選出降低風(fēng)險的主要途徑。同時，根據(jù)Bow-tie模型分析頁巖氣井控及相關(guān)安全風(fēng)險，針對防噴器安裝、防噴器試壓、淺層氣溢流、目的層壓裂干擾等事件進(jìn)行分析,推薦相應(yīng)的井控技術(shù)措施,以保證施工安全。

1 井噴風(fēng)險分析及控制

1.1 井噴事故樹構(gòu)建

以頁巖氣井噴失控事故為頂上事件建立事故樹[2]，該事故樹從防噴器設(shè)計與安裝、井噴誘發(fā)因素等方面梳理出14個基本事件(表1)。

1.2 井噴發(fā)生條件分析

根據(jù)頁巖氣鉆井作業(yè)井噴事故樹，計算得出該事故樹有最小割集40個。分析結(jié)果表明，鉆井工程施工作業(yè)期間，引發(fā)井噴的可能性較大，各種影響因素在40種不同的組合條件下均可能導(dǎo)致井噴發(fā)生。因此，需要從防噴器選型、鉆井液配置、工藝過程等方面全方位做好各基本事件相關(guān)因素的安全管控。

1.3 井噴事故控制途徑分析

1.3.1 風(fēng)險管控途徑分析

為研究頁巖氣鉆井井噴事故的控制途徑，根據(jù)事故樹計算出發(fā)生井噴的最小徑集有2個，管控好這2個徑集可避免井噴發(fā)生。因此，頁巖氣鉆井施工作業(yè)期間，現(xiàn)場要從這2種組合途徑出發(fā)，制定并落實井控管控方案。

a) 最小徑集(X1×X2×X3×X4×X5×X6×X7×X8×X9×X10)。說明通過防止起鉆抽汲，避免鉆井液密度低于設(shè)計，防止油侵、氣侵、水侵，監(jiān)控和防止井漏發(fā)生，避免起鉆未灌滿鉆井液，防止裝置被腐蝕和裝置設(shè)計壓力低等措施，可以避免井噴事故發(fā)生。

表1 井噴影響基本事件統(tǒng)計

b) 最小徑集(X11×X12×X13×X14)，表明安裝好井口防噴裝置，采用質(zhì)量和規(guī)格型號符合實際要求的防噴器，加強防噴器安裝、使用過程中的維護(hù)管控，可最大限度防止井噴事故發(fā)生。

1.3.2 結(jié)構(gòu)重要度分析

通過對各基本事件對頁巖氣鉆井井噴事故樹的結(jié)構(gòu)重要度分析，可以看出，I(X14)=I(X13)=I(X12)=I(X11)>I(X10)=I(X9)=I(X8)=I(X7)=I(X6)=I(X5)=I(X4)=I(X3)=I(X2)=I(X1)，說明安裝質(zhì)量合格并有效的井口防噴裝置，應(yīng)作為井噴失控事故預(yù)防的首要措施。

2 井控安全風(fēng)險評估及管控對策

2.1 防噴器安裝

防噴器作為鉆井作業(yè)中的關(guān)鍵井控設(shè)備，安裝于井架及鉆臺下方，體積大、重量大，且由于現(xiàn)場無法進(jìn)行吊裝作業(yè)，因此，安裝時需要防噴器移動裝置、游車、氣動絞車等多設(shè)備配合作業(yè)。同時，在安裝過程中，人員必須進(jìn)入防噴器下方危險區(qū)域進(jìn)行安裝墊環(huán)、緊固螺栓等操作，才能確保防噴器安裝過程順利、安裝質(zhì)量合格。按照Bow-tie保護(hù)層分析法(圖1)，防噴器在安裝過程中存在高處墜落、高空落物傷人、物體打擊等人身傷害風(fēng)險。為削減事故風(fēng)險，可從工程技術(shù)、管理措施、個體防護(hù)和應(yīng)急處置等13個方面采取風(fēng)險管控措施。具體可參照執(zhí)行SY/T 5974—2020《鉆井井場設(shè)備作業(yè)安全技術(shù)規(guī)程》、SY 6279—2016《大型設(shè)備吊裝安全規(guī)程》、Q/SH 0198.1—2020《天然氣井工程安全技術(shù)規(guī)范 第1部分 鉆井與井下作業(yè)》等標(biāo)準(zhǔn)，重點關(guān)注以下技術(shù)控制措施：

圖1 基于Bow-tie的防噴器安裝安全風(fēng)險管控示意

a) 檢查確認(rèn)防噴器吊索吊具、平移裝置安全可靠。

b) 人員進(jìn)入作業(yè)前，認(rèn)真檢查防噴器固定是否牢固(使用游車時，應(yīng)剎死剎把)，避免人員作業(yè)期間防噴器滑動或移動。

c) 作業(yè)人員到防噴器上面安裝連接螺栓、鎖緊桿、喇叭口等附件前，應(yīng)確保下部防噴器組安裝牢固，同時防噴器專用吊繩不得放松。具備條件的可在作業(yè)面周圍搭建行走或臨時停留平臺，提高作業(yè)安全性。

2.2 防噴器試壓

試壓是檢驗防噴器能否控制井控風(fēng)險的關(guān)鍵工序，開展頻次高且風(fēng)險高。試壓分為車間試壓和現(xiàn)場試壓，試壓壓力最高可達(dá)140 MPa。車間試壓采用專用試壓坑、監(jiān)測設(shè)備、遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)施、聲光報警系統(tǒng)等技術(shù)，試壓全程實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和觀察，發(fā)生異常時有聲光報警提示以及相應(yīng)的保護(hù)措施，確保了試壓過程安全可靠。因受限于條件，現(xiàn)場試壓不具備上述專用技術(shù)措施，需要臨時接電、供水，試壓人員在試壓泵旁全程操作，鉆井隊工程技術(shù)人員通過肉眼檢查安裝質(zhì)量，因此安全防護(hù)措施十分必要。按照Bow-tie保護(hù)層法(圖2)的分析，防噴器現(xiàn)場試壓期間存在管線脫開、觸電、高壓刺漏傷人等高風(fēng)險事件，需要從工程技術(shù)、管理措施、個體防護(hù)和應(yīng)急處置等10個方面采取風(fēng)險管控措施，以降低防噴器現(xiàn)場試壓引發(fā)的人身傷害風(fēng)險。

對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)研分析，防噴器試壓風(fēng)險管控措施可主要執(zhí)行SY/T 6444—2018《石油工程建設(shè)施工安全規(guī)范》、Q/SH 0198.1—2020、AQ 2012—2007《石油天然氣安全規(guī)程》、SY/T 5974—2020、SY/T 5964—2019《鉆井井控裝置組合配套、安裝調(diào)試與使用規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)，重點關(guān)注以下技術(shù)控制措施：

a) 對試壓設(shè)備、工具儀器儀表及管線、閥門的安裝、固定等確認(rèn)無誤后，再開始進(jìn)行試壓工作。

b) 試壓時應(yīng)先進(jìn)行1.4～2.1 MPa的低壓試驗，合格后，再逐步增壓至設(shè)計試壓值。

c) 高壓軟管連接處應(yīng)拴牢保險繩。試壓時盲板、法蘭口的對面不應(yīng)站人。試壓開孔和接管應(yīng)朝正上或正下方，避免朝向端部及兩側(cè)。

d) 穩(wěn)壓檢查時，不得正面觀察壓力表或法蘭，觀察時保持不少于2 m的距離。

e) 泄壓時應(yīng)使用試壓泵泄壓閥泄壓。專人確認(rèn)壓力歸零后方可開井，嚴(yán)禁用打開防噴器的方式來泄井內(nèi)壓力。

圖2 基于Bow-tie的防噴器試壓安全風(fēng)險管控示意

2.3 淺層氣溢流

淺層頁巖氣埋深主要在1 500 m以內(nèi)，在形成過程中常見伴隨壓力異常。一旦鉆開淺層氣地層，往往會產(chǎn)生溢流，且氣侵后溢流發(fā)生十分迅速。若溢流發(fā)現(xiàn)不及時、關(guān)井方式不正確，將會引發(fā)較大的井控安全風(fēng)險，甚至導(dǎo)致井噴事故。根據(jù)Bow-tie保護(hù)層法(圖3)的分析，針對井底壓力不足、發(fā)現(xiàn)后匯報不及時、處置不及時或措施不當(dāng)?shù)葐栴}，以及從事故發(fā)生后降低人員傷害和財產(chǎn)損失等方面的考慮，從工程技術(shù)措施、管理措施、個體防護(hù)和應(yīng)急處置等12個方面采取風(fēng)險管控措施，才能有效預(yù)防淺層頁巖氣溢流引發(fā)井噴。

圖3 淺層氣溢流引發(fā)井噴失控風(fēng)險管控示意

對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)研分析，淺層氣溢流引發(fā)井噴失控風(fēng)險管控措施可具體執(zhí)行GB/T 31033—2014《石油天然氣鉆井井控技術(shù)規(guī)范》、AQ/T 2076—2020《頁巖氣鉆井井控安全技術(shù)規(guī)范》、AQ 2012—2007、SY/T 5974—2020、SY/T 5225—2019《石油天然氣鉆井、開發(fā)、儲運防火防爆安全生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》、Q/SH 0198.1—2020等標(biāo)準(zhǔn)。重點關(guān)注以下技術(shù)控制措施：

a) 認(rèn)真勘察和調(diào)查井場周圍一定范圍內(nèi)的居民住宅、學(xué)校、廠礦(包括開采地下資源的礦業(yè)單位)、國防設(shè)施、高壓電線和水資源情況以及風(fēng)向變化等，并在地質(zhì)設(shè)計中標(biāo)注說明。特別需標(biāo)注清楚諸如煤礦等采掘礦井坑道的分布、走向、長度和離地表深度。

b) 嚴(yán)格按照井控要求認(rèn)真開展短程起下鉆。

c) 嚴(yán)格執(zhí)行泥漿工、井架工和錄井工“三崗”聯(lián)坐制度，發(fā)現(xiàn)溢流及時關(guān)井，疑似溢流關(guān)井觀察。

d) 起鉆前充分循環(huán)井內(nèi)鉆井液，使其性能均勻，進(jìn)出口密度差不大于0.02 g/cm3。起鉆中嚴(yán)格按規(guī)定及時向井內(nèi)灌滿鉆井液，并做好記錄、校核，及時發(fā)現(xiàn)異常情況。鉆頭在油氣層中和油氣層頂部以上300 m井段內(nèi)起鉆速度不大于0.5 m/s。起鉆完應(yīng)及時下鉆，不應(yīng)在空井情況下進(jìn)行設(shè)備檢修。若靜止或下鉆時間過長，必要時應(yīng)分段循環(huán)鉆井液。

e) 在井場距井口30 m以內(nèi)的電氣系統(tǒng)，應(yīng)確保所有電氣設(shè)備如電機、開關(guān)、照明燈具、儀器儀表、電器線路以及接插件、各種電動工具等符合防爆要求，做到整體防爆。發(fā)電機、電動機應(yīng)配備超載保護(hù)裝置。

2.4 目的層壓裂干擾

當(dāng)前，因頁巖氣產(chǎn)能建設(shè)需要，重點區(qū)域頁巖氣區(qū)塊井網(wǎng)越來越密集，除了存在水平段防碰風(fēng)險，還帶來了新的井控風(fēng)險，即壓裂干擾。壓裂產(chǎn)生的高壓一旦進(jìn)入正鉆井眼，會導(dǎo)致正鉆井眼突然出現(xiàn)異常高壓而引發(fā)溢流等，若防控措施不到位，則可能導(dǎo)致井噴。按照Bow-tie保護(hù)層法(圖4)分析，防范壓裂引發(fā)井噴失控應(yīng)解決預(yù)防手段不足、發(fā)現(xiàn)匯報不及時、處置不及時或措施不當(dāng)以及事故發(fā)生后如何減小人員傷害和財產(chǎn)損失等方面的問題，并應(yīng)從工程技術(shù)措施、管理措施、個體防護(hù)和應(yīng)急處置等13個方面采取風(fēng)險管控措施，降低目的層壓裂干擾引發(fā)井噴及井噴失控的風(fēng)險。

對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)研分析，目的層壓裂干擾引發(fā)井噴失控風(fēng)險管控目前可主要執(zhí)行AQ/T 2076—2020、AQ 2012—2007、SY/T 5974—2020、SY/T 5225—2019、Q/SH 0198.1—2020等標(biāo)準(zhǔn)。針對上述標(biāo)準(zhǔn)并未對壓裂干擾預(yù)防措施提出明確要求，建議在頁巖氣有關(guān)井控標(biāo)準(zhǔn)中增加如下內(nèi)容：

a) 鉆井施工單位應(yīng)提前介入，了解鄰井井眼軌跡情況和壓裂施工安排，在鉆井與壓裂發(fā)生沖突、可能存在壓裂干擾時，積極與業(yè)主溝通，統(tǒng)籌安排停鉆先壓裂，或是先鉆井后壓裂。

圖4 目的層壓裂干擾引發(fā)井噴失控風(fēng)險管控示意

b) 施工井地質(zhì)設(shè)計中應(yīng)標(biāo)注防碰井、壓裂干擾井相關(guān)數(shù)據(jù)。

c) 最后一個開次開鉆前，若鉆井平臺存在多口井，而鄰井存在或即將壓裂施工，可優(yōu)先施工壓裂干擾較小的井。

d) 鉆開油氣層之前向油氣田開發(fā)部門及時查清周邊壓裂井分布、井眼軌跡及壓裂施工計劃。如存在壓裂干擾可能，應(yīng)及時向油氣田開發(fā)部門提出風(fēng)險評估意見和防控措施。

e) 關(guān)注鄰井壓裂施工進(jìn)度。對存在井控風(fēng)險的，應(yīng)及時將鉆具起至安全井段后關(guān)井觀察。待壓裂結(jié)束后再恢復(fù)鉆進(jìn)，確保井控安全。

3 結(jié)語

頁巖氣井控是一個系統(tǒng)工程，在井控設(shè)計、井控裝置安裝、試壓以及鉆井施工工藝等方面均存在風(fēng)險，14種發(fā)生井噴的影響因素可組合出40種引發(fā)井噴甚至導(dǎo)致井噴失控的場景，其中合格的井口防噴裝置是避免井噴失控的關(guān)鍵，相關(guān)企業(yè)應(yīng)高度重視，有效減少工程的潛在風(fēng)險。

頁巖氣井控工作應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。目前在防噴器的安裝、試壓、淺層氣井控以及壓裂干擾方面，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還存在不足，需要進(jìn)一步完善標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范相關(guān)作業(yè)行為，才能有效防范風(fēng)險，確保鉆井施工井控安全。