國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

中國石油勘探與生產工程監督中心 （北京 100083）

國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

中國石油勘探與生產工程監督中心 （北京 100083）

淺層氣鉆井作業屬于高風險的高危作業，為了預防淺層氣井噴，世界上很多國家的石油公司都制定了有關淺層氣鉆井的強制標準和作業指導。介紹了國外油公司對淺層氣鉆井的應對措施和整體解決方案要點，內容涉及淺層氣鉆井策略要點、風險評估、設計要求、施工措施等方面。

淺氣層 鉆井策略 風險決策 解決方案

淺層氣對鉆井及其相關作業的潛在危害分析

淺層氣通常有廣義和狹義之分。廣義上的淺層氣，指的是從勘探地質角度考慮，將產層埋深在1 500m以內，產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月在美國俄克拉馬州舉行的第一屆國際淺層氣資源會議上所提出的劃分標準。

狹義的淺層氣，就是指井筒作業過程中，鉆遇氣體而發生井涌，但無法利用承壓套管和防噴器實施常規的關井和壓井作業的特殊情況，即井口壓力不可控的情況下所鉆遇的氣體。

鉆進過程中所鉆遇的淺層氣其來源主要有以下幾種情況：①快速沉積形成，有機物被非滲透物質快速沉積覆蓋后，由有機物分解形成的天然氣圈閉于非滲透巖層之下；②原始運移，來自于深部生氣層的氣體，運移到淺層的非滲透層位之下，圈閉而成一個氣袋；③人為運移，鉆進過程中與鄰井相撞或鄰井中的套管固井質量不好而使氣體發生運移；④水合圈閉，在寒冷地區不需非滲透蓋層也可形成淺層氣袋，因為原始運移氣能形成致密的水合物而相當于蓋層，可圈閉更多的氣體；⑤有機氣，有機氣可存在于非常淺的表層中，甚至不需非滲透蓋層的圈閉，這種有機氣由大量的小氣泡組成，圈閉于產生這種氣體的有機物殘余體內，通常不會形成超壓。

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不及釋放形成高壓氣袋等特點，使得淺層氣對巖土鉆孔取樣、鉆井平臺立樁、鉆機安裝、導管驅入和上部井眼鉆井作業都是一個巨大的潛在危害，特別是上部井眼鉆井作業中很容易發生淺層氣井噴。

淺層氣由于其體積小，地質勘探有時難以準確預測其有無和具體層位；由于埋藏淺,往往容易突然出現氣體侵入。一旦發生井涌,報警信號反應的時間短,天然氣可能在幾乎沒有報警的情況下到達地面而造成井噴，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會，再加上表層一般是疏松的薄弱地層,發生井噴后,又不能強行關井,以防壓裂或憋漏地層。發生淺層氣井噴失控后，極易發生井噴著火、著火爆炸、燒毀鉆機和設備、井眼報廢、井口大面積坍塌形成大坑、陷埋鉆機和設備，甚至涌出的氣體可能會釋放含硫有毒氣體，給人的生命、財產和周圍環境造成巨大的威脅或損失。

國外油公司應對淺層氣鉆井的整體解決方案

淺層氣鉆井作業的風險系數非常大，屬于高危作業。預防淺層氣井噴是一個世界性的鉆井技術難點和重點，世界上很多國家的石油公司都制定了有關淺層氣鉆井的強制標準和作業指導,涉及地震勘探、鉆前探測、風險評價、方案設計、設備選型、鉆進監控、應急處理、事后分析等一系列過程，形成了一套完整的淺層氣鉆井整體解決方案，但國內到目前為止，還未制訂專門的關于淺層氣鉆井的專項標準，國內外幾乎每年都會發生淺層氣井噴事故。但實際上，如果有工程設計預案和應急對策，事故的影響范圍、損失可控程度就會很不一樣。

1 淺層氣鉆井策略

應對淺層氣鉆井的基本策略通常包括優化前期調查、避開潛在區域、減少風險措施3大方面，要點如下:①進行高分辨率地震測量和巖土鉆孔取樣，但高分辨率的淺層氣地震測量中沒有淺層氣指示并不能確保不存在淺層氣；②進行初步的淺層氣風險評估；③避開淺層氣可能聚集的位置；④鉆小尺寸導眼是探測、調查淺層氣和規避其主要問題的可行、可靠的方法；⑤發生淺層氣井涌時“導而不關”，即實行導流而不關井；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，從浮式鉆井設備上鉆上部井段推薦的安全做法是不用隔水導管鉆井；⑦在鉆小尺寸導眼時發生井涌的早期階段，在已有條件下，如立即采用以最大排量泵入壓井流體的動態壓井方法有可能取得成功；⑧在鉆井設計中要有應對淺層氣的相關內容。

2 淺層氣的初步研究和風險評估

（1）淺層氣探測。雖然陸上高分辨率地震測量探測淺層氣和海上探測淺層氣的原理相同，但在陸上鉆井時，鉆井之前并非都進行這種測量來探測淺層氣，從某種意義上說這也是不切實際的，因為陸上高分辨率地震測量成本遠遠高于海上成本。陸上淺層氣探測，技術上是可行的，只建議在新區塊和地質情況復雜的區塊最好進行鉆前淺層氣探測。對于可能存在淺層氣但淺層氣深度不確定的地區，開鉆前應考慮用小型的地質測量儀進行初步探測。

陸地鉆井時進行的淺層氣隨鉆探測包括下面幾部分：監測鉆井液出口處的氣測值；評估巖屑（綜合錄井）；對裸眼井段進行測井 (電纜測井或隨鉆測量)。

（2）研究鉆遇淺層氣的可能性所需資料。①所有相關的地震勘探資料；②淺層氣蓋層的地質可能性；③所有鄰井的數據記錄；④對淺層氣測量的評價。

（3）目標井的風險評價。①低風險：鉆遇淺層氣的可能性沒有或很；②中等風險：無法預測其可能性(如缺乏資料)。如不另行評價，勘探井可認為是中等風險；③高風險：可以對鉆遇淺層氣的可能性作出估計。

3 設計要求和要點

（1）要明確淺層氣風險程度。

（2）根據風險程度和鉆機類別(陸上鉆機、自升式或固定式鉆井平臺鉆機、浮式鉆機)進行淺層氣鉆井風險決策。

（3）對于自升式或固定式鉆井平臺鉆機：①當鉆平臺上第一口井時，不管淺層氣風險評估結果如何，都必須鉆導眼井，而且從一開始直至固完表層套管和安好防噴器；②必須裝有分流系統，用到直至確定不存在淺層氣為止；③當鉆平臺上第一口井的表層井眼時，不允許進行交叉作業，直至證實導眼井中不存在淺層氣為止。

（4）對于浮式鉆機：①表層井眼通常采用無隔水導管鉆成，在這種情況下只要鉆遇淺層氣的風險非常低，就可以一步鉆成全尺寸的表層井眼；②表層井眼鉆井期間，要安裝遠程操作潛水作業機器人ROV進行海底監測；③采用隔水導管鉆井時，必須安裝分流系統；④采用隔水導管鉆井時，導眼必須鉆到表層套管下深，如果確認存在淺層氣，那么在擴眼和下表層套管之前要回填導眼到距含氣層一段安全距離。

（5）分流器：①設計時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3.5MPa。

——分流器能夠關閉所有尺寸的入井管柱。

——對于小于508mm的分流器，關閉時間不得超過30s；對于508mm以上的分流器，關閉時間不得超過45s。

——分流管線盡可能要直，最小內徑為304.8mm。

——分流器液控系統要集成在一起，要達到環形密封件關閉時，能自動打開分流閥和關閉流向振動篩的鉆井液回收管線。

——要朝向相反地相對安裝兩條分流管線，如果只能安裝一條分流管線時，就要在設計中嚴格限定受天氣影響的鉆井作業活動。

——分流系統安裝后，要進行功能測試，閥門開關正確，要清洗分流管線以防堵塞。

（6）導眼：①導眼應鉆于有可能出現淺層氣的區域；②在預計安裝平臺位置的高風險區域，導眼可鉆至導管下深處把其作為淺層氣初步調研的一部分；③使用不帶噴嘴的215.9mm（82?"）或更小的鉆頭。

（7）隔水管:①采用無隔水管鉆井通常是最安全的方法;②使用隔水管鉆井時應評價導管鞋處的地層強度;③隔水管可帶海底返出口。

（8）導管：安裝導管的方法通常有2種，即在軟地層可驅動下入導管和鉆眼下入。在地層太堅硬、不能驅動導管下入足夠深度的地區，采用在預先鉆好的井眼中下入導管并注水泥，該方法的缺點是沒有淺層氣保護措施，通常只適用于不存在淺層氣的地區。

最終導管鞋深度：如果鉆下面井段必須使用導流系統，導管應該下入足夠的深度，以保證套管鞋處地層足夠的強度，避免導流或者進行動態壓井時壓裂地層。導管深度根據導流系統導流時產生的回壓確定，導流管線的尺寸和配置很大程度上決定了預計的回壓大小。

（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急計劃。

（2）鉆井作業人員都應接受有關淺層氣及可能引發事故的專題培訓，提高施工人員對淺層氣危險性認識。

（3）開鉆前，鉆井監督應召集主要工作人員(鉆井承包人員、鉆井液工程師、綜合錄井工程師等)開會討論淺層氣安全鉆井的問題。

（4）制定導流器作業程序，主要內容包括：①停止轉盤轉動：當鉆進時發現鉆井液氣侵，必須停止鉆進以避免更多氣體侵入井眼，如果發現出口流量增加、液面上升，則必須采取導流程序。②將方鉆桿提出轉盤，注意不要停泵：停泵檢查溢流情況可能會造成更大的侵入溢流量，建議連續泵入，特別是懷疑井中有溢流時。歷史經驗數據表明，一旦開始井噴并且伴隨較高流量，則很難通過動態壓井工藝進行壓井。只有一發現溢流就立刻采取動態壓井措施，才有可能壓井成功。③啟動適當的導流功能，打開排放管線的閥門，關閉導流器，這些措施必須自動并同時進行。④立即通知鉆井監督和鉆井承包商帶班隊長。⑤關閉相應的閥門，使流體向下風口方向導流。⑥做好準備措施，不相關人員應撤離井場。⑦以可能達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井控。⑨如鉆井液密度及體積不夠用于壓井，則應不間斷地泵入水，并且要以最高排量泵入，一旦又運來了足夠的鉆井液材料，則應從步驟6開始重復。⑩如果情況異常危險，則應將撤離井場所有人員放在首位，之后再采取控制措施。

（5）導流設備在安裝之后應進行測試，以檢查設備的完整性并確保其工作正常。試壓應在導管中的土或水泥塞未鉆掉時進行，而且測試壓力應盡量保持最低。

（6）推薦的上部井段常規鉆井措施(注意：在確定沒有淺層氣的地區鉆開發井時，就要對下述的鉆井措施進行相應改進。①鉆導眼井：在可能含淺層氣的地區鉆一個小井眼尺寸導眼，這有利于動態壓井和提高測井質量，發生溢流的可能性、溢流的嚴重性和動態壓井的可能性一起決定上部導眼的尺寸，通常對有可能鉆遇淺層氣的地區，建議鉆311.15mm（124?″）或更小的導眼。②安裝止回閥：上部井段鉆井時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失控。③優化噴嘴：要使用大尺寸噴嘴或者無噴嘴的鉆頭、以及大尺寸鉆井泵缸套，這樣有利于動態壓井和進一步增加循環排量，減少鉆頭泥包，可保證在漏失時所用堵漏材料從鉆頭處泵出。④優化造斜點：避免在可能含有淺層氣的地區進行淺層造斜。這些地區鉆井施工應該簡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，會減少通過鉆柱的最大可能排量，這將減弱動態壓井效果，使其無法成功地進行。⑤限制鉆速：建議機械鉆速為1個單根/h，在容易發生地層破裂和漏失的地區要特別注意避免井眼中固相顆粒的急劇增加。控制鉆速可盡量減少在含氣層中的進尺，同時減少氣體的侵入速度。在含氣層中過高的鉆速會降低鉆井液的靜液柱壓力，并最終導致井噴。⑥減少抽汲作用：采取盡量少用或不用穩定器,控制鉆井液黏度，降低起鉆速度，用頂部驅動系統接單根或起鉆時應以最優循環排量循環鉆井液，特別是在大井眼中,為確保不發生抽汲作用，要保證循環排量足夠高，可通過這些途徑減少抽汲作用發生的可能性。減少激動壓力：要控制下鉆速度，勻速下鉆，減少沖擊和激動壓力，避免引起井漏的可能性。⑦準確測量和控制鉆井液：準確測量和控制鉆井液對于盡可能早地發現淺層氣是最重要的。上部井段鉆井時要使用校對好且工作正常的氣體檢測設備、壓差流量計。在起鉆前，鉆井速度突然增加，鉆井液池液面顯示異常，MWD測井顯示異常 (如果使用MWD數據傳輸系統)。鉆井設計中所列的特殊深度(即根據淺層地震測量確定的深度)處都要進行溢流檢查，建議每次接單根(立柱)時也要進行溢流檢查。⑧起鉆時及時灌鉆井液：要采用連續灌漿的方法。⑨避免停泵時間過長：鉆井液在靜止狀態下，氣體容易擴散進入井眼，在置換作用下會逐漸上升而引發井噴。⑩防氣竄固井：在對表層套管固井時，推薦采用分級注水泥封隔器、分級箍、套管外封隔器，以避免氣體運移的可能性。

認識與建議

淺層氣鉆井作業是高風險的作業。預防淺層氣井噴是鉆井過程中的技術難點和重點，有關淺層氣的地震勘探、鉆前探測、風險評價、方案設計、設備選型、鉆進監控、應急處理等一系列過程都是互相聯系的，為了淺層氣鉆井作業的安全，建議國內石油行業盡快制定與淺層氣鉆井相關的作業標準，形成整體的、統一的淺層氣作業整體解決方案，以適應國內、國外2個市場同步安全發展的需要。

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.

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尉立崗

2010-11-09