天然氣井井控技術應用現狀及發展探討

李洪娟

（大慶油田鉆探工程公司鉆井二公司綜合服務中心，黑龍江大慶163000）

1 天然氣井井噴發生的過程及原因

在天然氣井鉆井過程中，當井底壓力小于地層壓力時，在壓差作用下，地層中天然氣就會進入到井筒內，當壓差持續增大時，進入井筒內的天然氣就會越來越多，最終聚集的天然氣會形成氣柱，導致井噴事故的發生[5]。天然氣由地層進入井筒大多是通過微小氣泡的形式，逐漸在井筒內匯聚成氣柱，由于天然氣密度遠小于鉆井液，在鉆井液中會上竄，然后隨鉆井液循環向井口上返，在天然氣上返過程中，所承受的壓力會逐漸減小，氣泡、氣柱在上升過程中體積會發生膨脹，導致一部分壓井液被擠出井口，導致溢流的發生，同時井筒內鉆井液密度會下降，當氣泡、氣柱接近井口時，體積會急劇膨脹，此時如果不能及時采取控制措施，就會導致井噴事故的發生。天然氣鉆井井噴事故發生的原因歸結如表1所示。

表1 井噴失控的原因

2 天然氣井井控技術

通過總結井噴失控的原因，深入研究井噴失控的過程發現，造成井噴的實質是壓井過程中井口壓力長時間大幅度反復變化，含有氣體的鉆井液高速沖刺套管、井口及地面管匯，導致套管憋爆、井口刺漏、地面管匯破裂等[6]，因此，要加強以下幾個方面的井控措施：

（1）排除溢流壓井。溢流是井噴的前兆，發現溢流要及時做好壓井工作，重建井內平衡能夠大大減少井噴失控的發生，在壓井過程中，要根據記錄的鉆井液數據及溢流情況，合理配制鉆井液密度，保持井底壓力略大于地層壓力，通過一個循環周來完成壓井作業。此外，發現溢流后可以關井，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個循環周期。起鉆時抽汲作用或是空井時間過長，導致地層氣體進入鉆井液，為了防止這種情況發生導致溢流，可以采取以下方法：①迅速關井，將井筒內氣體排出；②控制住井口壓力，保持井筒內壓力平衡，釋放出壓井液，使井筒內氣體上升至井口排出；③控制好套壓，使用節流閥釋放部分壓井液，之后關井，待氣體上升，然后重復釋放壓井液關井作業，直至井筒內氣體排出。

（2）加強鉆井工藝控制。對于有淺層氣的鉆井，使用防噴器關井易導致井口塌陷，可以安裝分流設備，當鉆開淺層氣后，可以采用大排量鉆井液配合小井眼鉆井的方法繼續鉆進，要密切關注井口鉆井液流量變化及池體積變化情況，當出現溢流情況時，不能簡單關井，要采取分流放噴的方法，先小幅上提鉆具，然后停泵檢測溢流情況，再打開分流器向下風口分流，最后將泵排量開至最大，向井筒內泵入配制好的鉆井液，通過循環鉆井液來控制井筒內壓力。

（3）井噴失控、著火的處理。天然氣井發生井噴時，必須迅速采取最佳處理方法，將損失控制到最小。發生井噴的瞬間，井控最核心的工作就是保護井口、保證井場人員安全和防止著火等，采取應急措施包括：①首先要迅速采取措施保護井口，向井口內持續注水，同時對井口噴出的油氣進行噴水，確保不會發生著火事故，保護井口；②保護井場人員安全。應測量井口有毒有害氣體含量，在上風口劃分安全區域，迅速組織井場人員撤離到安全區域，防止發生中毒事故；③防止著火，做好防爆工作。應迅速斷電，關閉相應的井場設備，設置警戒線，警戒線內嚴禁一切動火措施，將易燃易爆物品搬離危險區域；④使用各種井控設備，迅速壓井，使井內壓力重新達到平衡。當井噴著火后噴式不減，越噴越大時，必須迅速滅火，然后換裝新井口，進行壓井作業

（4）采取預防措施。天然氣井一旦發生井噴失控，易造成爆炸著火，不僅危及現場作業人員人身安全，還會造成機毀人亡、油氣井報廢等危害，因此在開鉆之前都要做好相應的應急預案，具體可以從以下幾個方面入手：①做好鉆井設計，編制鉆井工程方案，對于區域內淺層氣含量較高的地區，在滿足生產需要的情況下盡量避開淺層氣；②井口應安裝分流裝置、鉆井參數監測儀器、鉆井液液面檢測儀、報警裝置等；③下表層套管時，套管下入深度應該能夠封住疏松地層，防止壓井時出現地層壓裂的情況；④鉆前應準備充足的重晶石粉等加重材料，開泵時應逐漸增大泵排量，防止排量過大憋漏疏松地層，固井前應增大鉆井液密度，防止固井期間出現井噴事故；⑤起鉆前停泵時間不宜過長，起鉆時要密切關注鉆井液上返情況，向井筒內及時灌滿鉆井液，使鉆井液滿足起鉆要求。

3 天然氣鉆井井控面臨的技術難題

3.1 不能及時準確發現溢流

大量事實表明，溢流是發生井噴的前兆和必然過程，及時準確發現溢流，采取措施減少氣體侵入井筒內，早關井控制井筒內壓力平衡，能夠有效地阻止井噴事故的發生，因此，鉆井現場必須做好溢流的監測。目前鉆進過程中監測溢流的手段主要是通過監測鉆井液流量、密度、烴類氣體含量及泥漿池體積變化等參數，這些參數變化都是一個緩慢的過程，一些細微變化很難及時發現。由于現場采取坐崗值守制度，坐崗人員偶爾會出現脫崗、睡崗情況，其責任心也影響溢流的及時發現。此外，在鉆井液靜置期間發生溢流的可能性較大，而監測的參數較少，只能通過池體積變化來發現溢流，增加了停泵期間監測溢流的難度。雖然井筒壓力監測提供了較好的解決辦法，但相應的壓力監測儀器還需要進一步開發。

3.2 井控設備性能不能滿足生產需求

在高壓高產油氣田開發過程中，由于儲層含氣量大、地層壓力高能量足，對井控設備壓力等級要求較高，以便能夠承受地層壓力，起到較好的控制作用。由于井筒內壓力大，高壓管匯的節流壓差大，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流閥，導致設備壽命縮短，工作的可靠性受到影響[7]。此外，天然氣進入到高密度、高粘度鉆井液中，氣液分離的難度加大，對井控設備的脫氣處理能力要求較高。

3.3 平衡鉆井技術有待提高

目前開鉆的井多采用近平衡鉆井技術，這種鉆井技術對井筒內的壓力控制要求較高，為了保持起下鉆期間壓力的平衡，通常使用附加當量密度來調節井筒內壓力，導致在正常鉆進過程中井底壓力大于地層壓力。如果附加的當量密度過大，當鉆遇淺層氣較多時，脫氣器如果不能起到較好的脫氣效果，井筒內壓力會進一步上升，導致井底壓力遠大于地層壓力，在壓差作用下，會出現井漏等情況，嚴重損害油氣層，同時會導致機械鉆速降低。因此，必須運用好近平衡鉆井技術，同時還需要進一步研究，以提高鉆井效率。

4 天然氣井井控技術發展方向

4.1 加強溢流監測儀器研制

溢流是發生井噴的先兆，加強對溢流的監測顯得尤為重要。分析溢流的特點發現，溢流早期烴類氣體會進入鉆井液，導致井筒內鉆井液體積增加，相應的鉆井液液面會上升。要實現對井底烴類氣體的監測比較困難，由于鉆井液體積小幅增加即可導致井筒內液面的大幅上升，因此監測井筒內鉆井液液面上升相對易于實現，需要研究精度較高的井筒液面監測儀器，能夠發現細微的井筒液面變化，然后結合開關泵及鉆具下入情況，通過軟件自動判斷是否發生溢流，發現溢流及時報警，達到及時準確監測溢流目的。此外，還需要加強對鉆井液密度、含烴量及井筒壓力儀器設備的研究，達到全方位、多參數監測溢流的發生。

4.2 加強對井控設備研究與開發

隨著鉆井條件越來越復雜，對井控設備要求越來越高，對于高壓高產氣油氣田，井控設備需要有較高的壓力等級，能夠承受105MPa井筒壓力，同時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備。對于井控設備中易損壞部分要進行強化，節流閥要采用強度更高的材質，并且結構需要進一步優化，可以開發多級節流系統，改善節流閥工作條件，提高工作穩定性。高壓管匯結構有待進一步優化，通過智能控制，減輕高壓鉆井液對管匯的沖蝕，延長高壓管匯使用壽命。研制更加高效的分離器，提高氣液分離效率。此外，要加強對井控系統的研發，提高井控系統的智能化，能夠實現自動監測井筒內壓力，實時自動調節節流閥，使井筒內壓力保持在合理范圍。

4.3 加強壓力控制鉆井技術研究

隨著鉆井技術不斷發展，氣體鉆井、氣液兩相鉆井等負壓鉆井技術取得長足進步，在特殊鉆井條件下應用越來越普遍。負壓鉆井技術能夠提高鉆井效率、有效保護油氣層，但是對井筒內壓力控制要求較高，現階段由于壓力控制技術還不夠成熟，導致負壓鉆井技術應用效果受到影響。為了提高負壓鉆井技術應用水平，提高鉆井效率、保護油氣層，需要加強負壓鉆井全過程閉環壓力循環系統研究，通過強化旋轉防噴器，配置節流管匯、承壓振動篩、分離器、壓力監測儀器，編制相應的監測、控制軟件，使井筒內壓力能夠保持動態平衡，保障負壓鉆井的安全。

5 結束語

隨著大慶油田持續勘探與開發，天然氣成為油田增儲上產的重要資源，加強天然氣鉆井井控技術研究顯得尤為重要。為了提升天然氣鉆井的安全性、可靠性，使井控技術效能從單純的防止井噴發展到提升鉆井效率、保護油氣層、防止環境污染等，應從強化鉆井異常監測手段、提升井控配套設備研發、完善壓力控制鉆井技術、提升突發事故處理水平等方面出發，使天然氣鉆井井控技術邁上新的臺階。

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