天然氣井鉆井與井控技術(shù)

徐瑞春

摘 要：天然氣燃燒效率高、運(yùn)輸方便、對(duì)空氣污染少，是我國(guó)重要的節(jié)能環(huán)保能源，具有十分重要的使用價(jià)值。但是，天然氣又具有密度低、易燃易爆、可壓縮與可膨脹等特性，造成開采困難，容易引發(fā)多種安全隱患，因此如何提高天然氣井鉆井和井控能力成為開采企業(yè)的重要課題。本文分析了天然氣井鉆井特點(diǎn)，并對(duì)天然氣井的井控技術(shù)的優(yōu)化措施進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：天然氣；鉆井；井控；技術(shù)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)家對(duì)于新能源的需求不斷增大，天然氣勘探領(lǐng)域獲得了巨大進(jìn)步，勘探規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)天然氣藏鉆井技術(shù)提出了更高要求。近年來(lái)，高壓、高產(chǎn)氣田陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的井控技術(shù)已經(jīng)不能滿足鉆井新工藝的要求，逐漸向信息化、自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展?，F(xiàn)代井控技術(shù)的目標(biāo)不僅僅是防止井噴，還包括減少資源浪費(fèi)、防止環(huán)境污染、快速高效的完成鉆井開采，需要相關(guān)單位在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上加強(qiáng)完善和創(chuàng)新。

一、天然氣井鉆井特點(diǎn)

（一）天然氣的密度低，與鉆井液有強(qiáng)烈的置換性。與地層水、鉆井液、原油相比，天然氣密度很低，大約是是清水密度的千分之一。在天然氣鉆井過(guò)程中，當(dāng)發(fā)生溢流關(guān)井，整個(gè)井筒形成密閉空間，由于天然氣密度較低，與鉆井液發(fā)生強(qiáng)烈置換，混在鉆井液中的天然氣氣泡不斷向井口運(yùn)移，導(dǎo)致井口壓力過(guò)高，與井內(nèi)溢流壓力共同作用，容易造成地下井噴以及井口刺漏、管線、井口套管憋爆等問題。因此，需要對(duì)井涌、井噴后關(guān)井壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，最大關(guān)井壓力不得超過(guò)井控裝備規(guī)定工作壓力、套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的80%和地層破裂壓力所允許壓力三者中的最小值。一旦井口壓力超過(guò)了以上壓力值，在關(guān)井時(shí)就要適當(dāng)泄壓，但要補(bǔ)充所放出的鉆井液量，在壓井時(shí)要降低排量，控制井口施工壓力。

（二）天然氣的易燃易爆性。天然氣最為直觀、最易理解的特點(diǎn)就是易燃易爆性，容易造成天然氣井鉆井過(guò)程中井噴失控時(shí)的失火問題。但是天然氣與空氣的混合物在一定的濃度范圍內(nèi)遇到火源才能發(fā)生爆炸，這個(gè)火源才引發(fā)爆炸的濃度范圍（體積比）稱為爆炸濃度極限。天然氣在空氣中的混合濃度、爆炸范圍在5%-15%之間，低于5%既不爆炸也不燃燒，高于15%，不會(huì)爆炸，但會(huì)燃燒。根據(jù)已有資料分析，天然氣井井噴失控時(shí)失火現(xiàn)象發(fā)生幾率較高，不是人為或地面設(shè)施所能控制的。而當(dāng)井噴失控瞬間未著火，其后著火可能性較小。因此，鉆井隊(duì)伍應(yīng)嚴(yán)密作好井場(chǎng)及周圍消防工作，防止著火。

（三）天然氣的壓縮與膨脹性。地層天然氣在地層孔隙中，其體積受地層孔隙壓力控制，呈密集壓縮狀態(tài)。在鉆進(jìn)過(guò)程中，一旦地層天然氣進(jìn)入井筒，將隨鉆井液到達(dá)井口，在到達(dá)井口過(guò)程中，其體積會(huì)隨上部液柱壓力減少而增大，如果未對(duì)進(jìn)入井筒的天然氣進(jìn)行控制，地層天然氣將連續(xù)進(jìn)入井筒，表現(xiàn)出井口溢流現(xiàn)象，發(fā)生井涌，隨即井噴。在起鉆過(guò)程中，由于抽吸作用會(huì)使鉆井液柱作用于地層天然氣的壓力減少，再加上未按要求及時(shí)將井筒灌滿，地層天然氣也會(huì)進(jìn)入井筒，其體積也會(huì)隨上部液柱壓力減少而迅速膨脹，造成起鉆過(guò)程中井口的溢流。而下鉆過(guò)程中出現(xiàn)的井口溢流的原因則是起鉆或起下鉆時(shí)間太長(zhǎng)。從實(shí)際發(fā)生井噴過(guò)程的觀察，溢流到井涌之間時(shí)間較長(zhǎng)，而井涌到井噴時(shí)間較短，一旦發(fā)現(xiàn)溢流，需要迅速按“四、七”動(dòng)作控制井口。

二、天然氣井鉆井井控技術(shù)的優(yōu)化措施

（一）完善井控理論，開發(fā)配套軟件。隨著井下傳感器的開發(fā)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)井筒內(nèi)動(dòng)態(tài)環(huán)境有了更深刻的認(rèn)識(shí)和理解，給井控理論基礎(chǔ)的更新創(chuàng)造了條件，以便準(zhǔn)確計(jì)算井筒壓力，提高鉆井壓力控制水平。新的井控理論應(yīng)該考慮不同井底壓力下油氣層的流人和流出，結(jié)合井筒瞬態(tài)的壓力和溫度場(chǎng)，采用氣液多相流理論計(jì)算井筒剖面壓力，并利用井筒壓力實(shí)測(cè)值修正計(jì)算壓力。利用新的井控理論編制井筒壓力計(jì)算軟件，便于計(jì)算不同壓井方法在井筒各關(guān)鍵點(diǎn)的井筒壓力，并優(yōu)選出合理的壓井方法和壓井施工參數(shù)，以指導(dǎo)壓井施工作業(yè)。當(dāng)然，這種軟件不僅應(yīng)用負(fù)壓鉆井的設(shè)計(jì)，而且為壓力控制鉆井提供壓力計(jì)算的依據(jù)。此外還應(yīng)研究水平井、多底井等特殊情況下天然氣的侵入和氣液兩相流動(dòng)規(guī)律，確定合理的鉆井液附加密度和安全作業(yè)時(shí)間。

（二）增強(qiáng)井控裝備配套水平。為適應(yīng)高壓、高產(chǎn)氣田開發(fā)的需要，井控裝備需要開展以下技術(shù)攻關(guān)研究工作：對(duì)105MPa壓力等級(jí)井控設(shè)備進(jìn)行配套，并研制適合于酸性氣田的井控裝備；對(duì)分離器進(jìn)行優(yōu)化和完善，提高脫氣能力，例如選用“U”形管分離器；研制和開發(fā)智能井控系統(tǒng)，通過(guò)自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)液動(dòng)節(jié)流閥的開度來(lái)控制井口回壓，使井內(nèi)壓力按照預(yù)定壓力變化，完成井控施工作業(yè)。除此之外，還要提高節(jié)流閥和壓井管匯的節(jié)流和抗沖蝕能力，其方法包括：一是改善節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，提高精確控制能力、抗沖蝕能力；二是研制多級(jí)節(jié)流系統(tǒng)，合理分配節(jié)流壓降，改善節(jié)流閥件的工作條件，防止單一路徑失效影響壓井施工；三是完善壓井管匯結(jié)構(gòu)，降低高速流體對(duì)管匯的沖蝕作用，提高其完整性；四是實(shí)行智能控制，提高控制精度，防止誤操作。鉆井單位還需要研制和引進(jìn)先進(jìn)的探傷檢測(cè)儀，對(duì)井控的防噴器等厚壁設(shè)備進(jìn)行無(wú)損傷探測(cè)和評(píng)價(jià)，以保證井控設(shè)備的完整性。

（三）加強(qiáng)井控技術(shù)隊(duì)伍建設(shè)。各天然氣鉆井公司應(yīng)建立一支全面掌握現(xiàn)場(chǎng)鉆井技術(shù)和井控操作技術(shù)，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富、責(zé)任心強(qiáng)、組織能力高的人才隊(duì)伍。首先，聘請(qǐng)具有井控工程師或井控高級(jí)工程師職稱的專家，主要負(fù)責(zé)處理現(xiàn)場(chǎng)井控技術(shù)問題，并實(shí)時(shí)對(duì)井控作業(yè)進(jìn)行監(jiān)督，做好排除溢流壓井的現(xiàn)場(chǎng)指揮工作；其次，提高鉆井井控操作人員的基本素質(zhì)，特別是加強(qiáng)鉆井隊(duì)骨干對(duì)因天然氣特性所帶來(lái)的井控技術(shù)特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)、理解，并通過(guò)認(rèn)真反復(fù)實(shí)踐，使其確實(shí)掌握天然氣井鉆井井控操作技術(shù)。此外，鉆井隊(duì)、鉆井公司還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)操作人員現(xiàn)場(chǎng)技能培訓(xùn)，按井控技術(shù)規(guī)定、標(biāo)準(zhǔn)、操作規(guī)程進(jìn)行日常職業(yè)化訓(xùn)練，從根本上解決低水平重復(fù)作業(yè)和反復(fù)犯低級(jí)錯(cuò)誤的問題。

三、結(jié)束語(yǔ)

總而言之，天然氣是一種重要的環(huán)保能源，但是其密度較低、易燃易爆、壓縮性和膨脹性等特點(diǎn)，使得天然藏鉆井工作面臨多種困難。隨著科技的發(fā)展，井控技術(shù)逐步向自動(dòng)化方向邁進(jìn)，通過(guò)完善井控理論、增強(qiáng)配套設(shè)備等措施，對(duì)井控技術(shù)進(jìn)行研究與創(chuàng)新，同時(shí)鉆井單位還要加強(qiáng)技術(shù)隊(duì)伍的建設(shè)，從而提高開采的安全性、可靠性，為石油天然氣勘探做出新的貢獻(xiàn)。

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