張齊山

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江 大慶 163413）

井噴和井噴失控的發(fā)生不僅嚴(yán)重影響正常的油氣勘探和生產(chǎn)，還可能造成火災(zāi)、爆炸、地層坍塌、環(huán)境污染、人員傷亡等嚴(yán)重后果，造成巨大的人員和經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。井控工作的重點(diǎn)是避免在油氣井作業(yè)過程中出現(xiàn)井噴和井噴失控，防范由于井噴事故帶來的火災(zāi)、爆炸和人員中毒等重大事故發(fā)生。重大井噴事故，如清溪1 井井噴事故、12·23 開縣特大井噴事故、蓬萊19-3油田溢油污染事故、墨西哥灣深水地平線鉆井平臺(tái)火災(zāi)事故，都是我國乃至世界石油勘探開發(fā)史上最痛苦、最嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故[3]。這些都說明井噴、井噴失控事故對油氣生產(chǎn)企業(yè)具有顛覆性危害，應(yīng)當(dāng)永遠(yuǎn)受到高度重視。

中石油將井噴風(fēng)險(xiǎn)列為企業(yè)重要風(fēng)險(xiǎn)之一。多年來，不斷加強(qiáng)井控管理和井控裝備研究，取得了一系列成果，其中較為突出的有井控風(fēng)險(xiǎn)評估、精細(xì)壓力控制鉆井、溢流監(jiān)測、自動(dòng)關(guān)井、計(jì)算機(jī)輔助、應(yīng)急救援、設(shè)備監(jiān)控檢測等[4-6]。本文將圍繞風(fēng)險(xiǎn)評估、溢流監(jiān)測、自動(dòng)關(guān)井和應(yīng)急救援等方面，介紹我國在陸上油氣勘探開發(fā)井控技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展和應(yīng)用。

1 井控技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 風(fēng)險(xiǎn)評估

風(fēng)險(xiǎn)評估為油氣井井控分級(jí)管理提供科學(xué)依據(jù)，對于有效預(yù)防重大井噴失控事故的發(fā)生，滿足低成本、高效率的鉆井施工要求具有重要意義。中石油圍繞鉆井綜合井控風(fēng)險(xiǎn)和高含硫氣井有毒有害氣體擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)開展了井控評估技術(shù)研究與應(yīng)用，為風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)區(qū)的井控管理提供技術(shù)支撐。

通過對比安全檢查表、危害和可操作性研究、主要危害源評估等14種定性、半定量和定量風(fēng)險(xiǎn)評估方法，針對易燃、易爆、有毒等施工條件進(jìn)行綜合評估，形成了井控風(fēng)險(xiǎn)評估的理論模型，確定了井控風(fēng)險(xiǎn)綜合評估方法。同時(shí)開發(fā)了井控風(fēng)險(xiǎn)評估軟件，包括鉆井溢流監(jiān)測系統(tǒng)、井控設(shè)備適配系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境因素系統(tǒng)和綜合因素系統(tǒng)等評價(jià)模塊。

川渝地區(qū)有許多高含硫天然氣區(qū)塊。該地區(qū)地勢以丘陵為主，人口稠密。一旦在勘探開發(fā)和管道運(yùn)輸過程中發(fā)生含硫天然氣泄漏，受復(fù)雜地形和當(dāng)?shù)仫L(fēng)向影響，極易造成大規(guī)模人身中毒傷害。針對這種情況，中國石油應(yīng)用量化風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)，并整合了英國HSE、UKOPA、EGIG、CCPs等數(shù)據(jù)庫，結(jié)合企業(yè)事故數(shù)據(jù)庫開展修訂工作，自主研發(fā)了適合復(fù)雜地形的高含硫氣田量化風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)技術(shù)。通過環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)，事故模擬精度提高了50%以上。并成功應(yīng)用于羅家寨、渡口河、普光、龍崗、龍王廟等含硫氣田開發(fā)的安全評價(jià)、HSE方案編制和應(yīng)急預(yù)案編制，為安全生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1.2 溢流監(jiān)控

溢流監(jiān)測預(yù)警是預(yù)防井控事故的關(guān)鍵技術(shù)之一。越早發(fā)現(xiàn)溢流并準(zhǔn)確報(bào)警，為下一步關(guān)井提供的處理時(shí)間窗口就越寬。對于避免溢流發(fā)展為井涌、井噴甚至失控井噴，降低井下復(fù)雜，保護(hù)油氣藏具有重要意義。目前，國內(nèi)外成熟的溢流監(jiān)測技術(shù)主要有鉆井液液位監(jiān)測技術(shù)、井口導(dǎo)管液位監(jiān)測技術(shù)、鉆井液流量監(jiān)測技術(shù)、改進(jìn)型流量監(jiān)測技術(shù)、環(huán)空隨鉆壓力監(jiān)測技術(shù)、貝葉斯模型預(yù)測技術(shù)、垂直套管壓力監(jiān)測技術(shù)等。不同的監(jiān)測方法有不同的原理和優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些不足。國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的監(jiān)測方法是利用鉆井液罐進(jìn)行液位監(jiān)測，通過觀察鉆井液液位的變化來判斷復(fù)雜的井下事故。但該技術(shù)的報(bào)警精度和準(zhǔn)確度不高，發(fā)現(xiàn)時(shí)間相對滯后，往往導(dǎo)致失去最佳控制機(jī)會(huì)。

針對現(xiàn)有溢流監(jiān)測技術(shù)存在的缺陷和不足，中石油開展了多種溢流監(jiān)測方法的開發(fā)和應(yīng)用。主要包括：基于隨鉆壓力測量的溢流監(jiān)測技術(shù)、進(jìn)出口流量和綜合測井參數(shù)、井筒液位溢流監(jiān)測技術(shù)和隨鉆參數(shù)監(jiān)測技術(shù)。這些方法提高了溢流檢測的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，為溢流早期監(jiān)測技術(shù)積累了足夠的技術(shù)基礎(chǔ)。開發(fā)的基于隨鉆壓力測量、微流監(jiān)測和綜合測井參數(shù)的溢流預(yù)兆在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)已在川渝地區(qū)鉆井現(xiàn)場應(yīng)用。該套監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)井底環(huán)空壓力變化實(shí)時(shí)監(jiān)測情況，結(jié)合鉆井液進(jìn)出口流量變化及相關(guān)綜合測井參數(shù)，提前發(fā)現(xiàn)溢流?，F(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用情況對比可知，該套系統(tǒng)比傳統(tǒng)的鉆井液液位監(jiān)測報(bào)警提前4～7min，平均提前5min。

在鉆探敏感地層，如碳酸鹽巖地層的過程中，由于鉆井液安全密度窗口較窄，往往會(huì)出現(xiàn)井漏溢流交替出現(xiàn)的復(fù)雜情況。當(dāng)鉆井液漏失到地層中時(shí)，地層的高壓氣體將被置換到井筒中，并隨循環(huán)的鉆井液上升，一旦氣體接近井口，就會(huì)發(fā)生井涌，井控風(fēng)險(xiǎn)很大。因此，為了保證井控安全，鉆井現(xiàn)場常采用定期灌注鉆井液或連續(xù)灌注鉆井液的工程措施。但如果不知道地下環(huán)空液位高度，就不能確定注漿量，不僅會(huì)浪費(fèi)大量泥漿，還可能引發(fā)溢流，造成復(fù)雜事故，嚴(yán)重影響井控安全。所以，要準(zhǔn)確掌握地下環(huán)空液位高度，然后調(diào)整注入泥漿的量和密度，使井筒液位始終在動(dòng)平衡點(diǎn)以上，保證井內(nèi)壓力的動(dòng)平衡。應(yīng)用井筒液位監(jiān)測系統(tǒng)，利用聲納回波測距方法產(chǎn)生沿環(huán)空傳播到井內(nèi)的超聲波，然后接收在液位上形成的反射波。通過計(jì)算時(shí)間差，得到液位深度，從而準(zhǔn)確掌握井下液位的高度和變化。使井筒液位始終高于動(dòng)平衡點(diǎn)，保證井內(nèi)壓力的動(dòng)平衡。

鉆井溢流監(jiān)測技術(shù)與其他監(jiān)測方法相比，具有實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。通過直接測量井底流體參數(shù)的變化，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)地下油、氣、水的涌入情況。目前，中石油已初步開發(fā)出基于介電常數(shù)和超聲多普勒的兩種溢流監(jiān)測技術(shù)，為進(jìn)一步提高溢流監(jiān)測的準(zhǔn)確性和及時(shí)性奠定了基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了入井后1～2min內(nèi)報(bào)警。其中，介電常數(shù)監(jiān)測技術(shù)是利用鉆井液與地層流體（油、氣、水）所用鉆井液介電常數(shù)差異較大的特性。利用研制的隨鉆介電測量儀，監(jiān)測鉆頭位置附近的鉆井液介電常數(shù)或電導(dǎo)率的變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)井下溢流。目前，該技術(shù)已在長慶油田鉆井現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)。超聲多普勒含氣識(shí)別系統(tǒng)是通過安裝在測量短接附近的超聲發(fā)射和接收探頭，檢測含氣鉆井液通過該段環(huán)空引起的超聲多普勒信號(hào)畸變，檢測氣體涌入的一種技術(shù)手段。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對氣體流入井筒的早期監(jiān)測。

1.3 自動(dòng)關(guān)井和壓井

當(dāng)發(fā)生溢流或井涌時(shí)，迅速關(guān)井保障井口安全，可以有效避免地層流體侵入規(guī)模擴(kuò)大，防止人員傷亡，減少財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染，保護(hù)油氣資源。中石油開發(fā)了以鉆具止回閥快速自動(dòng)安裝裝置為核心的自動(dòng)緊急關(guān)閉控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有停泵、停轉(zhuǎn)盤、起升鉆具、關(guān)閉半密封閘板防噴器、安裝鉆具止回閥、緊急開啟液壓節(jié)流閥等功能。該系統(tǒng)提高了緊急關(guān)井的可靠性和及時(shí)性，實(shí)現(xiàn)了正常鉆井條件下的一鍵關(guān)井。關(guān)井成功后，還可以通過壓井作業(yè)，使侵入井筒的地層流體循環(huán)出井或返回地層，將泥漿密度調(diào)整到平衡或過平衡狀態(tài)，以恢復(fù)井筒狀態(tài)。

針對人工壓井作業(yè)自動(dòng)化水平低、耗時(shí)長、失誤率高等問題，利用專家系統(tǒng)和自動(dòng)壓井系統(tǒng)開發(fā)了自動(dòng)壓井監(jiān)控系統(tǒng)。通過軟硬件結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了壓井方案自動(dòng)計(jì)算、壓井過程自動(dòng)控制，通過對壓井參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)調(diào)整，有效提高了壓井作業(yè)的準(zhǔn)確性和成功率，縮短了壓井響應(yīng)時(shí)間。該套系統(tǒng)在渤海鉆井培訓(xùn)中心的實(shí)驗(yàn)井完成了9種工況、3種壓井方式的自動(dòng)壓井現(xiàn)場模擬試驗(yàn)。壓井控制精度高于80%，壓力波動(dòng)控制在±50psi。

1.4 緊急救援系統(tǒng)

高壓、高產(chǎn)、高硫化氫天然氣井噴或失控井噴后，噴出的天然氣容易被電火花等外部火源點(diǎn)燃，造成大范圍的人員傷亡，所以發(fā)生事故后需要及時(shí)進(jìn)行人工點(diǎn)火。否則，一旦發(fā)生火災(zāi)，井內(nèi)油氣壓力高，產(chǎn)量大，火勢往往十分兇猛，井架、鉆機(jī)、鉆具和井口裝置會(huì)很快被燒毀，井口裝置失去了控制地下油氣的能力，井口周圍的設(shè)備、儀器和材料將被燒毀和變形。此外，井場內(nèi)障礙物較多，一般難以快速滅火。不加控制的開放式井噴會(huì)嚴(yán)重影響井下套管，可能導(dǎo)致套管松動(dòng)或斷裂，地層破裂或坍塌，造成大量油氣燃燒，造成資源巨大損失。同時(shí)，大量的SO2、H2S 在燃燒后會(huì)排放大量對人體造成危害的副產(chǎn)物，也會(huì)對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。因此，整個(gè)過程中的點(diǎn)火作業(yè)，包括井場作業(yè)障礙物的清除、損壞井口的切割和新井口裝置的更換能力，恢復(fù)井口對地下油氣的控制能力，對井控施工具有重要意義。國內(nèi)已開發(fā)和應(yīng)用了一系列的應(yīng)急救援技術(shù)設(shè)備，形成了強(qiáng)大的應(yīng)急能力，其中包括：熱成像人體形狀檢測設(shè)備、遠(yuǎn)程監(jiān)控和搜救無人機(jī)系統(tǒng)、可遙控帶火搶裝井口設(shè)備等。

2 有待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

盡管國內(nèi)在井控技術(shù)領(lǐng)域開展了大量研究，但仍有一些關(guān)鍵技術(shù)問題沒有得到有效解決。同時(shí)，隨著勘探開發(fā)不斷向深層和超深層的復(fù)雜油氣藏延伸，一些新的技術(shù)問題不斷出現(xiàn)。目前，需要進(jìn)一步研究解決的技術(shù)問題如下。

2.1 耐高壓耐高溫的井控設(shè)備

部分特殊工藝井的井底溫度超過200℃，井下壓力超過140MPa。目前國內(nèi)的井控設(shè)備還不能完全滿足現(xiàn)場作業(yè)的需要。同時(shí)，國內(nèi)的井控裝備研發(fā)仍落后于國外大型石油公司。要進(jìn)一步開展耐高壓耐高溫井控設(shè)備的研發(fā)，提高井控設(shè)備國產(chǎn)化率，降低鉆井成本，保障井控安全。

2.2 智能井控設(shè)備

目前大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器人、數(shù)據(jù)挖掘、圖像識(shí)別等人工智能技術(shù)發(fā)展迅速。人工智能在國內(nèi)的井控技術(shù)和井控設(shè)備中的應(yīng)用尚處于起步階段。如何實(shí)現(xiàn)無人化、智能化的數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制、運(yùn)行控制等，還需要進(jìn)一步研究，以提高運(yùn)行效率，降低人員風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)防重大事故的發(fā)生，最終實(shí)現(xiàn)智能化。

3 井控技術(shù)發(fā)展方向展望

3.1 大數(shù)據(jù)技術(shù)研究

通過加強(qiáng)大數(shù)據(jù)技術(shù)研究，解決鉆井和井控工作中的數(shù)據(jù)孤島問題，對不同地區(qū)、不同地層條件、不同施工方案進(jìn)行分析，掌握鉆井工藝參數(shù)和井控風(fēng)險(xiǎn)處置條件。大數(shù)據(jù)平臺(tái)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，提取關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，為井控方法、溢流監(jiān)測與控制、復(fù)雜地層關(guān)井技術(shù)研發(fā)提供數(shù)據(jù)支持，提高井控的針對性和可靠性技術(shù)。

3.2 人工智能技術(shù)研究

圍繞井控工作的核心環(huán)節(jié)，利用現(xiàn)有研發(fā)成果，集鉆井綜合風(fēng)險(xiǎn)評估、作業(yè)過程實(shí)時(shí)管控、溢流監(jiān)測報(bào)警、一鍵自動(dòng)關(guān)井、計(jì)算機(jī)輔助壓井、機(jī)器人救援等技術(shù)于一體，借助智能技術(shù)，形成集評估、管理、監(jiān)督、關(guān)井、壓井、救援于一體的井控技術(shù)智能平臺(tái)，進(jìn)一步提高井控全過程的自動(dòng)化和可靠性，全面降低鉆井作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

近年來圍繞有效提升鉆井安全開展了大量的持續(xù)研究、推廣和應(yīng)用，國內(nèi)取得了豐富的技術(shù)成果，整體井控技術(shù)水平有所提高。但在復(fù)雜地層井控作業(yè)技術(shù)、耐高溫高壓裝備技術(shù)、基于人工智能的井控技術(shù)等方向上仍存在一定的不足，仍需進(jìn)一步研究工作。