氣體鉆井井控安全分析與控制

魏 武， 周長(zhǎng)虹，3， 鄧 虎，3， 許期聰， 李 剛

(1川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2中石油欠平衡與氣體鉆井試驗(yàn)基地3國(guó)家能源高含硫氣藏開(kāi)采研發(fā)中心 4川慶鉆探工程有限公司國(guó)際工程公司)

氣體鉆井是一種以氣體作為循環(huán)和攜砂介質(zhì)的鉆井方式，與常規(guī)鉆井相比用氣體替代了液體，井底壓力遠(yuǎn)低于鉆井液柱壓力，極大減小了井底壓持效應(yīng)，是提高破巖效率的首選技術(shù)；同時(shí)可解決漏失復(fù)雜地層的鉆井難題，是降低開(kāi)發(fā)成本的有力手段。隨著氮?dú)?、天然氣等循環(huán)介質(zhì)的應(yīng)用，氣體鉆井應(yīng)用范圍擴(kuò)展到儲(chǔ)層段，成為發(fā)現(xiàn)和保護(hù)油氣層的最佳方法，為低孔低滲、難動(dòng)用油氣藏的勘探開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)保障。

由于氣體鉆井低密度、高流速等特殊性，在氣體鉆井大面積推廣應(yīng)用的同時(shí)，也暴露出了一些安全隱患和風(fēng)險(xiǎn)。如井下燃爆、排砂管線爆裂、有毒有害氣體泄露、井口失控等。本文針對(duì)當(dāng)前存在的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)開(kāi)展工藝危害分析，提出了一系列控制措施，從技術(shù)和管理雙層面進(jìn)行規(guī)范，以期為氣體鉆井技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與安全推廣提供技術(shù)保障。

一、氣體鉆井主要風(fēng)險(xiǎn)

1. 空氣鉆井井下燃爆

空氣鉆井中，最大的井下安全問(wèn)題之一是井下燃爆。研究表明，空氣鉆井期間井下燃爆的主要因素有：①鉆遇地層出氣，氧氣含量達(dá)到甲烷爆炸極限，鉆具碰撞井壁引起火花，導(dǎo)致井下燃爆；②鉆遇地層出微量氣，環(huán)空不通暢，以致可燃?xì)怏w在封閉環(huán)境中逐漸累積達(dá)到爆炸極限，同時(shí)處理復(fù)雜時(shí)憋壓，導(dǎo)致井下燃爆。

井下燃爆可能造成井壁垮塌、鉆具燒毀、套管燒熔，甚至給井控工作帶來(lái)新的復(fù)雜。LG2井空氣鉆井至井深3 000.1 m全烴異常、地層出油，在環(huán)空堵塞情況下采用空氣憋壓導(dǎo)致井下燃爆，鉆桿燒毀；LG001-1井空氣鉆井至井深2 941.91 m發(fā)生井下燃爆，導(dǎo)致鉆鋌燒毀，最終側(cè)鉆。

2. 排砂管匯斷裂

排砂管線斷裂一般有兩種情況：一是霧化/充氣鉆井時(shí)，若返出的巖屑呈糊狀，逐漸在排砂通道的三通處發(fā)生堆積，造成排砂通道堵塞，排屑不暢，管內(nèi)壓力升高而發(fā)生斷裂；二是氮?dú)忏@井時(shí)，突然鉆遇地層較大產(chǎn)氣量，超過(guò)排砂管匯能承受的最大放噴能力時(shí)(沖擊力)，造成管線爆裂。由此給地面人身、設(shè)備等帶來(lái)了較大的安全隱患。

如LG001-12井氮?dú)忏@井至井深3 764.50 m，鉆遇異常高壓高產(chǎn)氣流(關(guān)井后7 min套壓由0上升到49.1 MPa，兩條放噴管線防噴焰高25～30 m)，發(fā)生鉆具上頂，由于排砂管匯布局不當(dāng)，能承受的最大沖擊力大幅降低，導(dǎo)致其瞬間爆裂。

排砂管匯能承受的最大沖擊力除與排砂管線本身強(qiáng)度有直接關(guān)系外，還與其結(jié)構(gòu)尺寸、布局方式緊密相關(guān)。研究表面，彎頭彎度和管徑越小、流量越大則管線承受的沖擊力越大，反之則沖擊力越小。因此，為確保安全，排砂管線在條件允許時(shí)要盡可能少轉(zhuǎn)彎，不縮徑。

3. 有毒有害氣體泄漏

氣體鉆井時(shí)由于井底壓力極低，在鉆遇地層油氣顯示的情況下，地層流體會(huì)無(wú)阻礙地返出。一旦鉆遇有毒有害氣體后，有毒有害氣體會(huì)迅速?gòu)木卜党鲋恋孛?，一? 000 m井深2～3 min地層氣即到井口，如發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，未采取相應(yīng)的控制措施，可能對(duì)設(shè)備、人員造成重大損害。根據(jù)氣體鉆井設(shè)備、管匯布局特點(diǎn)，分析可能存在的泄漏點(diǎn)主要在井口、取樣口、排砂管線出口等位置。

4. 氣體鉆井井口失控

使用氮?dú)忏@井技術(shù)發(fā)現(xiàn)和保護(hù)油氣層越來(lái)越受行業(yè)所青睞，其在獲得巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也暴露出較大的井控風(fēng)險(xiǎn)。由于氣體鉆井低密度、流速快等特殊性，一旦氮?dú)忏@井鉆遇異常高壓高產(chǎn)氣流，高壓油氣會(huì)迅速到達(dá)井口，如果在油氣等流體返至地面的過(guò)程中因工藝安全措施不當(dāng)、地面專用設(shè)備設(shè)施安全性能較差或井控裝備的選擇不滿足井內(nèi)流體安全返出的要求時(shí)，極易出現(xiàn)惡性安全事故。

如某井氮?dú)忏@至井深2 143.91 m，突遇估算日產(chǎn)量超過(guò)100×104m3異常高產(chǎn)氣，發(fā)生鉆具上頂，高產(chǎn)氣流瞬間膨脹，井口聚集巨大能量，導(dǎo)致高壓軟管爆裂、與旋轉(zhuǎn)控制頭側(cè)出口短節(jié)連接的三通從由壬絲扣處脫落，大量天然氣沖出，閃爆著火，井口失控，井架燒塌事故。

二、氣體鉆井工藝安全分析及風(fēng)險(xiǎn)控制措施

1. 工藝安全工作思路

實(shí)現(xiàn)工藝安全的關(guān)鍵在于著眼于整個(gè)工作流程和離散化節(jié)點(diǎn)開(kāi)展工藝危害分析。首先，建立一套完整的施工作業(yè)流程；其次，結(jié)合氣體鉆井特點(diǎn)，識(shí)別出對(duì)HSE有較大影響的關(guān)鍵步驟；然后再運(yùn)用故障假設(shè)/檢查表(WHAT-IF)和故障類型及影響(FMEA)進(jìn)行全面分析，查找出施工作業(yè)中可能存在的危害并提出相應(yīng)的安全防控措施；最后進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分，對(duì)存在的中、高級(jí)風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)點(diǎn)立即投入整改，停止短期內(nèi)無(wú)法控制風(fēng)險(xiǎn)的作業(yè)，并將所有有效的建議措施全部納入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、管理標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序中[1-4]。

2. 氣體鉆井工藝安全分析

按照目前氣體鉆井工藝運(yùn)用情況，共建立空氣鉆井、氮?dú)忏@井、空氣霧化鉆井、氮?dú)忪F化鉆井和空氣泡沫鉆井5種工藝的作業(yè)流程。以空氣鉆井為例，其作業(yè)流程共包含任務(wù)接收—作業(yè)前準(zhǔn)備—施工作業(yè)—完成任務(wù)4個(gè)階段16個(gè)步驟，并初步識(shí)別出吊裝、試壓、氣舉排液、異常情況識(shí)別應(yīng)對(duì)等4個(gè)HSE關(guān)鍵步驟。

為了充分識(shí)別出氣體鉆井期間各個(gè)作業(yè)步驟存在的危害因素，利用成員不同的經(jīng)驗(yàn)、學(xué)識(shí)和角度，采用WHAT-IF法，結(jié)合“頭腦風(fēng)暴法”的方式自由、廣泛的假設(shè)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，查找出現(xiàn)問(wèn)題的原因以及此問(wèn)題可能導(dǎo)致的后果，由此對(duì)現(xiàn)有保護(hù)措施進(jìn)行梳理，并結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣評(píng)估引發(fā)后果的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，以制定相應(yīng)的解決方案及控制措施。

3. 氣體鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制措施

利用WHAT-IF法分析得知，氣體鉆井主要風(fēng)險(xiǎn)集中在“異常情況識(shí)別應(yīng)對(duì)”這個(gè)關(guān)鍵步驟上，為此從監(jiān)測(cè)、削弱、應(yīng)對(duì)3個(gè)方面提出了控制措施。

3.1 預(yù)防空氣鉆井井下燃爆措施

(1)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)轉(zhuǎn)換。采用氣體鉆井在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、綜合錄井等對(duì)返出氣體中氧氣濃度、一氧化碳濃度、二氧化碳的濃度以及氣體的返出溫度、壓力進(jìn)行隨鉆監(jiān)測(cè)。一旦發(fā)現(xiàn)全烴顯示，根據(jù)全烴含量大小調(diào)節(jié)注入氣量或停止注入空氣，盡可能減少鉆具大幅活動(dòng)，減少巖屑沖擊、碰撞著火，若持續(xù)監(jiān)測(cè)到全烴顯示則轉(zhuǎn)換成氮?dú)饣虺Ｒ?guī)鉆井液鉆進(jìn)。

(2)保持環(huán)空暢通。在地層微量出氣、環(huán)空不通暢時(shí)采用氮?dú)饣虺Ｒ?guī)鉆井液進(jìn)行憋壓處理，防止空氣憋壓燃爆，同時(shí)采用氮?dú)忏@井時(shí)必須確保入井氮?dú)饧兌取?/p>

3.2 預(yù)防排砂管線爆裂措施

(1)排砂管線盡量平直連接。在條件不允許平直連接時(shí)，井場(chǎng)內(nèi)排砂管線末端直通方向安裝壓力釋放安全保護(hù)裝置，便于突然鉆遇異常高壓地層時(shí)具備從該處緊急泄壓的能力。

(2)及時(shí)監(jiān)測(cè)地層出水。結(jié)合巖屑返出情況、立壓、扭矩等參數(shù)的變化情況判斷排砂管線是否暢通；如發(fā)生堵塞，則必須進(jìn)行整改后方可繼續(xù)鉆進(jìn)。

(3)加強(qiáng)地層出氣的監(jiān)測(cè)。結(jié)合全烴顯示情況、扭矩、懸重等工程參數(shù)的變化情況判斷是否鉆遇強(qiáng)烈油氣顯示，一旦鉆遇強(qiáng)烈油氣顯示，立即實(shí)施關(guān)井程序。

3.3 預(yù)防有毒有害氣體泄露措施

(1)在有毒有害氣體可能泄露點(diǎn)安裝固定式硫化氫探頭。

(2)采用綜合錄井、便攜式監(jiān)測(cè)儀、流體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)返出流體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

(3)氣體鉆進(jìn)開(kāi)鉆前校正井口，鉆進(jìn)期間發(fā)現(xiàn)膠芯、排砂管線、破裂盤刺漏立即更換，確保安全。

(4)排砂管線出口坐崗人員配備便攜式氣體監(jiān)測(cè)儀，位于上風(fēng)方向，確保坐崗人員的安全并及時(shí)發(fā)現(xiàn)有毒有害氣體。

(5)氣體鉆進(jìn)期間一旦發(fā)現(xiàn)有毒有害氣體，立即執(zhí)行井口控制程序，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為鉆井液鉆進(jìn)。

3.4 預(yù)防氣體鉆井井口失控措施

(1)針對(duì)不同井眼尺寸、井深，規(guī)范旋轉(zhuǎn)控制頭等級(jí)的選用，提高井口控制能力。

(2)井場(chǎng)內(nèi)排砂管線采用?244.5 mm套管、法蘭連接，承壓能力由4 MPa提高至7 MPa。

(3)完善氣體鉆井井口控制程序，配套液動(dòng)式內(nèi)控閘閥，司鉆房安裝一鍵式應(yīng)急關(guān)斷按鈕，同時(shí)配備遠(yuǎn)程緊急關(guān)斷裝置，以提高發(fā)現(xiàn)油氣顯示后快速關(guān)井、放噴的能力，立足于第一時(shí)間控制住井口。

(4)明確、細(xì)化鉆井隊(duì)、錄井隊(duì)、氣體鉆井作業(yè)隊(duì)在崗人員崗位分工、應(yīng)急處置程序和遠(yuǎn)程控制臺(tái)專人坐崗制度，提高應(yīng)急能力。

三、結(jié)論

(1)本文針對(duì)氣體鉆井井下燃爆、排砂管匯斷裂、有毒有害氣體泄漏、氣體鉆井井口失控等主要風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，提出了有效的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防控制措施。

(2)運(yùn)用工藝安全管理原則組織各工種人員對(duì)氣體鉆井工藝流程、HSE關(guān)鍵步驟進(jìn)行了全面梳理，對(duì)存在的安全隱患和薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了全方位查找，形成了預(yù)防控制手段、操作規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

(3)從業(yè)人員按照規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行并督促落實(shí)，氣體鉆井作業(yè)的安全性得到保障。