大慶油田淺層氣地區(qū)小口徑巖心鉆探井控防噴技術(shù)研究

石紹云， 鄧　偉， 吳金生， 鄧夢春， 李正前， 房　勇

(中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734)

1　概述

中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所承擔(dān)的地調(diào)項(xiàng)目“油氣田勘查區(qū)砂巖型鈾礦調(diào)查與勘查示范”，施工地點(diǎn)是在淺層氣非常發(fā)育的油氣田地區(qū)。在2008年以前，石油鉆井公司在大慶油田區(qū)塊施工中，經(jīng)統(tǒng)計(jì)共發(fā)生26起井噴、管外噴冒事故，重大井噴事故3口，報(bào)廢鉆探進(jìn)尺2200多米，其中1口井發(fā)生井噴燃燒報(bào)廢[1]。

在淺層氣區(qū)域進(jìn)行巖心鉆探，最大的難題是井控防噴技術(shù)，對井控防噴技術(shù)掌握的好壞，直接關(guān)系到整個(gè)項(xiàng)目能否順利實(shí)施。預(yù)防井噴事故的發(fā)生，必須在鉆探施工方案上認(rèn)真準(zhǔn)備，從思想上引起足夠重視。

雖然石油鉆探的井控防噴技術(shù)比較成熟，但由于該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的鉆孔深度比較淺，一般在300 m左右，鉆孔口徑小、全孔取心、搬遷頻繁，因此不管是從技術(shù)角度還是從成本角度考慮，都不宜使用大型的石油鉆探設(shè)備，只能使用地質(zhì)巖心鉆探設(shè)備。為此，選用的是XY-5、XY-6N型巖心鉆機(jī)及配套設(shè)備。

針對小口徑巖心鉆探特點(diǎn)，按照《大慶油田鉆井井控實(shí)施細(xì)則》(征求意見稿)相關(guān)規(guī)定，結(jié)合大慶長垣南淺層氣區(qū)地質(zhì)條件和地質(zhì)鉆探全孔取心要求，我們制定了小口徑巖心鉆探井控設(shè)備配置標(biāo)準(zhǔn)和施工工藝技術(shù)。設(shè)計(jì)原則必須滿足石油淺層氣井控防噴要求。

2　地層情況

在松遼盆地大慶油田，淺層氣普遍發(fā)育。根據(jù)以往的資料，氣體主要儲(chǔ)存在上白堊統(tǒng)明水組和下白堊統(tǒng)嫩二、三、四段[1]。淺層氣埋藏深度一般在150～700 m。

整個(gè)地區(qū)上部巖石為粉砂巖、細(xì)砂巖、粗粒砂巖，膠結(jié)性非常差，巖心采取率不高，容易縮徑和塌孔；中部巖石是細(xì)砂巖、泥巖、粉砂巖為主，巖石相對致密，但是遇水容易膨脹；下部砂巖泥質(zhì)含量高。各層厚度不等，砂、泥巖相互交錯(cuò)，而且互換頻繁。中下部巖心采取率能達(dá)到80%以上。

3　淺層氣的特點(diǎn)

淺層氣易發(fā)生井噴，上升速度迅速；巖層松散不致密、氣層滲氣、透水性非常好，加上泥漿密度、濃度不合理，氣體在自身壓力的作用下，順勢進(jìn)入鉆孔內(nèi)，而且淺層氣的不容易處理，留給我們處理的空間和時(shí)間很少、危害性非常大。

施工中不允許孔內(nèi)壓力有太大的變化，淺層氣預(yù)見性差，來勢兇猛，易造成燃燒爆炸，鉆機(jī)設(shè)備坍塌掩埋，人員傷亡等重大事故[2]。因此，凡是在該地區(qū)施工，不管是地質(zhì)巖心鉆探還是石油勘探，必須使用防噴器。

淺層天然氣地區(qū)地層非常松散，破碎、巖石膠結(jié)性差，而且透水性好、巖石孔隙度高。由于泥漿沖洗液密度設(shè)計(jì)不合理，提鉆或者鉆進(jìn)時(shí)擾動(dòng)孔內(nèi)壓力平衡；在起下鉆過程中灌漿不及時(shí)；鉆進(jìn)參數(shù)選擇不好；長時(shí)間停鉆使淺層氣進(jìn)入鉆孔等原因造成井噴頻繁發(fā)生。

4　設(shè)備配置

主要設(shè)備配置見表1，適應(yīng)于小口徑巖心鉆探。以XY-5、XY-6型立軸式鉆機(jī)為主[3]。

5　制定井控防噴的技術(shù)措施

該地區(qū)淺層氣不含硫化物，所以不要求預(yù)防硫化物方面的井控技術(shù)措施。

我們從以下幾方面來預(yù)防井噴發(fā)生：對施工人員進(jìn)行井控技術(shù)培訓(xùn)；選擇適合于淺層氣巖心鉆探的防噴器和配套設(shè)施；制定合理的鉆孔結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)；鉆機(jī)設(shè)備的選擇和鉆塔底座安裝；泥漿加重材料的準(zhǔn)備；防噴演練措施的制定；堅(jiān)持坐崗記錄制度；固井和封孔等技術(shù)措施。

表1　主要設(shè)備配置

5.1　施工人員的井控培訓(xùn)

針對在該氣區(qū)施工的所有工作人員，包括管理崗位人員、現(xiàn)場生產(chǎn)操作人員和技術(shù)人員進(jìn)行不同形式的井控培訓(xùn)。施工之前，我們與大慶油田井控培訓(xùn)中心聯(lián)系，組織工程相關(guān)人員，進(jìn)行了4～6 d井控培訓(xùn)，經(jīng)考試合格后發(fā)放了井控培訓(xùn)證書。

針對在大慶油田外圍開展鉆探施工作業(yè)的需要，采取專家授課、考試答題的方式在野外一線開展現(xiàn)場培訓(xùn)，更將教育和責(zé)任傳導(dǎo)落實(shí)到了工作前線。

5.2　井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)要求：安裝?219 mm井口管，一開?113/89 mm，鉆進(jìn)到基巖提鉆擴(kuò)孔，分2～3級(jí)擴(kuò)孔，擴(kuò)孔后孔徑170～216 mm。下?140 mm套管后固井，安裝防噴器，試壓，檢查合格后才能進(jìn)行二開作業(yè)。

二開：孔徑113～122 mm，鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深。

井身結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[4]。經(jīng)過實(shí)踐證明，我們設(shè)計(jì)的井身結(jié)構(gòu)是合理的，既能滿足井控防噴下套管和固井的需要，同時(shí)又能滿足地質(zhì)鉆探全孔取心的需要。

圖1　井身結(jié)構(gòu)示意圖

5.3　鉆機(jī)底座加工安裝

為了在井口安裝防噴器，必須把鉆機(jī)施工平臺(tái)提高2 m以上，同時(shí)為了保證施工平臺(tái)的穩(wěn)定安全性以及方便安裝和搬家，把平臺(tái)設(shè)計(jì)成三塊或者兩塊組合式結(jié)構(gòu)，由于巖心鉆機(jī)和A型鉆塔的特點(diǎn)，平臺(tái)面積一般為6 m×6 m(長×寬)就足夠了，強(qiáng)度滿足起下鉆、鉆塔的安裝和鉆進(jìn)要求。

鉆場布置應(yīng)根據(jù)選用鉆機(jī)確定，且不影響起下鉆和鉆進(jìn)。另外鉆場周圍還應(yīng)具備排水條件[5]。

5.4　防噴設(shè)備的選擇及安裝

按照《大慶油田鉆井井控實(shí)施細(xì)則》(征求意見稿)相關(guān)規(guī)定，結(jié)合地質(zhì)鉆探全孔取心要求，以及大慶長垣南淺層氣區(qū)地質(zhì)條件特點(diǎn)，我們確定了如下井控設(shè)備配置標(biāo)準(zhǔn)，包括：井口液壓防噴器，節(jié)流—壓井管匯，遠(yuǎn)程遙控及蓄能器裝置[6]，泥漿罐，真空除氣器，備用重泥漿，專用壓井泵，泥漿液面和氣體監(jiān)測報(bào)警裝置，點(diǎn)火裝置等等。整個(gè)井控設(shè)備的安裝如圖2所示。

圖2井控設(shè)備安裝示意圖

5.4.1井口防噴器

要求額定壓力≮14 MPa雙閘板液壓防噴器(全封或半封閘板)，我們使用的是2FZ18-21雙閘板防噴器，井口防噴器技術(shù)參數(shù)為：內(nèi)通徑180 mm，鋼圈槽中徑211.1 mm，連接螺栓中徑318 mm，螺栓孔直徑33 mm，工作壓力21 MPa，法蘭盤最大外徑380 mm，密封油管直徑73(89) mm，總高度590 mm，質(zhì)量670 kg，外形尺寸(長×寬×高)1240 mm×380 mm×590 mm。

井口防噴器示意圖見圖3。

5.4.2節(jié)流—壓井管匯[6]

所有管匯安裝要求見表2。

表2　管匯安裝情況

圖3　井口防噴器示意圖

5.4.3遠(yuǎn)程遙控及蓄能器裝置

防噴器遠(yuǎn)程遙控的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)該按要求選配，配備司鉆控制臺(tái)可遙控防噴器及節(jié)流閥的開關(guān)。必須與防噴器組合及節(jié)流管匯相匹配，我們使用的遠(yuǎn)程控制型號(hào)是：FKQ125-4。

5.4.4鉆井液氣體分離器

鉆井液氣體分離器安裝和配備，必須按照工程設(shè)計(jì)的要求，能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，各個(gè)連接部分密封要好，電子點(diǎn)火裝置和液氣分離器匹配使用，可以確保施工過程的安全進(jìn)行。我們使用的液氣分離器型號(hào)是：YQ700-01。

5.4.5泥漿罐和泥漿性能

泥漿罐的容積設(shè)計(jì)為12 m3，并在泥漿罐里面安放能夠直接觀察泥漿增加、減少的計(jì)量器具。泥漿密度一般在1.12～1.30 g/cm3，泥漿的粘度40～80 s，泥漿除了控制氣體井噴以外，對于攜帶大量的砂巖巖粉，保證孔底清潔干凈起到了非常重要的作用。

泥漿性能測定，每班1～2次，并認(rèn)真記錄數(shù)據(jù)[7]。

5.4.6備用重漿罐

儲(chǔ)備12 m3以上鉆井液，該鉆井液的密度要高于設(shè)計(jì)最大鉆井液密度0.2 g/cm3以上，每臺(tái)鉆機(jī)現(xiàn)場配備20 t的重晶石粉，并配好裝在重漿罐里以備用。

5.4.7專業(yè)壓井泵

按照工程設(shè)計(jì)要求配備、安裝，原則上泵壓≮10 MPa。

5.4.8點(diǎn)火裝置

點(diǎn)火裝置的作用是放空可燃?xì)怏w，點(diǎn)燃可燃的有毒有害氣體，最大限度保護(hù)環(huán)境，避免安全事故的發(fā)生，點(diǎn)火裝置是一種安全環(huán)保設(shè)備。該裝置與鉆井液氣分離器配套，是井控防噴必須配置的設(shè)備之一。主要由氣體燃燒器、電子點(diǎn)火器、引火器具、鉆井液氣分離器組成。我們使用的型號(hào)是：DJSYFDDH-1。

5.4.9冬季保暖措施

該地區(qū)每年10月下旬至次年4月上旬，一般夜間氣溫都低于-20 ℃，只要最低氣溫達(dá)到0 ℃以下就應(yīng)該對所有的井控設(shè)備進(jìn)行必要的保溫，加熱保溫溫度應(yīng)在0 ℃以上。保溫裝置應(yīng)該具備防火、防爆等功能。電線走向規(guī)范順暢，決不允許與設(shè)備的手輪纏繞。由于是在氣區(qū)施工，嚴(yán)禁使用明火加熱保暖。因此我們采用纏繞電熱帶的方式加熱，效果非常好。

5.5　制定應(yīng)急預(yù)案

制定應(yīng)急預(yù)案的目的是一旦發(fā)生井噴事故，能夠按照預(yù)案及時(shí)有效地處理，做到心中有數(shù)，盡量杜絕或者減少事故造成的一切人身、財(cái)產(chǎn)損失。

為了把防井噴各項(xiàng)措施落實(shí)到位，在生產(chǎn)過程中，各個(gè)機(jī)臺(tái)應(yīng)該進(jìn)行必要的井控培訓(xùn)和應(yīng)急演練，培訓(xùn)和演練的方式要根據(jù)施工井的設(shè)計(jì)要求適時(shí)確定。

5.6　堅(jiān)持坐崗記錄

坐崗記錄是預(yù)防井噴的主要環(huán)節(jié)，根據(jù)孔內(nèi)液面和孔口氣泡的變化，能夠非常及時(shí)地了解鉆孔內(nèi)氣體的情況，一旦統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)泥漿沖洗液量流出超過1/2 m3，按照應(yīng)急預(yù)案要求，啟動(dòng)處理程序并及時(shí)報(bào)告。

5.7　防噴演練

在淺層氣鉆探施工中，防噴演練的目的是一旦有井噴發(fā)生，大家能夠迅速的跑到自己的位置，按照操作要求做完所有動(dòng)作，操作完畢，按照預(yù)先設(shè)計(jì)的逃跑道路，快速跑到安全地帶，一切聽從指揮長的指揮。防噴演練記錄表格式見表3。

表3　防噴演練記錄表格式[8]

5.8　固井

油氣田區(qū)鉆探施工，固井是為了安裝井控防噴裝置和封隔破碎地層，便于后續(xù)的鉆探施工，包括兩個(gè)目的：一是下入石油套管，二是灌注水泥漿液固定套管。水泥必須是通過套管內(nèi)注入，在一定的壓力下從套管外壁和孔壁空間返出來。等待凝固48 h以后才能試壓。

下入?139.7 mm×7.72 mm的套管，套管下入的長度根據(jù)設(shè)計(jì)要求和孔內(nèi)地層情況決定，一般情況是封隔住破碎地層為目的，同時(shí)讓套管坐落在相對較穩(wěn)定的巖層上，該礦區(qū)下套管的深度普遍在120～180 m。

5.9　鉆井現(xiàn)場試壓

試壓前所有的管匯和管線、閘閥和絲扣安裝要平直，密封性要好，密封部位決不能有泄漏的情況。試壓時(shí)，操作人員在現(xiàn)場控制遠(yuǎn)程控制器和閘閥，其他人員觀察各個(gè)壓力表讀數(shù)，聽從班長的統(tǒng)一指揮。

按設(shè)計(jì)值分別對以下三個(gè)部位試壓：一是放噴管線試壓，二是液氣分離器與其連接的管線試壓，三是閘板防噴器和液動(dòng)閘閥控制元件、油路和液缸試壓[6]。

試壓完成后要把管路里所有的清水排除，特別是冬季施工的時(shí)候，以免清水冰凍后損壞密封件。

我們施工的鉆孔屬于Ⅲ類鉆孔，由施工隊(duì)自行試壓，做好試壓記錄，由現(xiàn)場監(jiān)理、鉆探隊(duì)技術(shù)員簽字認(rèn)可。

5.10　封孔

封孔的目的是為了防止地下水串通，防止地下水和礦層受到污染和流失。

根據(jù)鉆孔的終孔孔深和鉆孔的有效口徑，計(jì)算出所需的水泥量；采用普通硅酸鹽水泥，按照水泥∶水=1∶0.5的比例配制。將鉆桿下入距孔底1.5 m處，用壓井泵壓入水泥漿液，直至孔口看見水泥漿返出來為止。必須注意的是必須把原孔內(nèi)的泥漿替換出來。然后在孔口位置用水泥做一個(gè)0.5 m×0.5 m的水泥臺(tái)，刻上鉆孔的相關(guān)信息。在封孔過程中，若水泥用量不足，需及時(shí)補(bǔ)充水泥，確保水泥漿溢出孔口。

5.11　防噴器的保養(yǎng)

防噴器每服務(wù)完3口井或施工周期超過3個(gè)月，施工結(jié)束后，送回井控車間，進(jìn)行全面的清理、檢查，有損壞的零件及時(shí)更換。把防噴器里的所有清水、泥漿沖洗出來，所有的密封件、絲扣連接處都要檢查并裝好。損壞嚴(yán)重時(shí)需更換新零件；殼體閘板腔涂防銹油，連接螺紋部分涂螺紋油，軸承部位涂潤滑油；備用橡膠件應(yīng)妥善保管并編號(hào)注冊，按廠家規(guī)定有效年限，到期報(bào)廢。

5.12　起、下鉆注意事項(xiàng)

提升鉆具應(yīng)盡量平穩(wěn)，不要猛拉猛剎，卷筒排繩要整齊，葫蘆上配置彈簧緩沖裝置，在孔內(nèi)破碎、復(fù)雜的位置，提鉆時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制鉆具提升速度，以免造成井噴發(fā)生，提鉆速度一般在0.2～0.4 m/s。

起鉆完應(yīng)及時(shí)下鉆，嚴(yán)禁在空井情況下進(jìn)行設(shè)備檢修[8]。

由于該項(xiàng)目是全鉆孔取心，每鉆進(jìn)一個(gè)回次都要起下鉆，因此必須嚴(yán)格控制提鉆、下鉆速度，每當(dāng)鉆桿提出來后，應(yīng)該立即向孔內(nèi)回灌泥漿，并記錄好泥漿的補(bǔ)充量和變化情況。

6　鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)選擇

根據(jù)巖石性質(zhì)、鉆頭類型、鉆進(jìn)深度、沖洗液類型綜合確定鉆進(jìn)參數(shù)。鉆進(jìn)參數(shù)見表4。

表4　鉆進(jìn)參數(shù)

7　結(jié)語

在淺層氣區(qū)進(jìn)行小口徑巖心鉆探，首先從思想上引起足夠的重視，嚴(yán)格按照當(dāng)?shù)赜吞锕镜木匾?，提高淺氣層的井控防噴意識(shí)，周密制定井控防噴技術(shù)措施，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)，安全第一。

2016—2017年，我們在淺層氣區(qū)一共完成了28口井、9178 m巖心鉆探任務(wù)，鉆孔最淺的ZKMX07孔，孔深260.51 m，最深的ZK9N238孔，孔深760.56 m，大多數(shù)鉆孔孔深在350 m左右。平均巖心采取率82.48%，最低值76.6%，最高93.8%；純鉆進(jìn)時(shí)間利用率29.59%，平均機(jī)械鉆速3.89 m/h，平均回次進(jìn)尺2.79 m，平均臺(tái)月效率774.90 m。

該項(xiàng)目培養(yǎng)了一支淺層氣地區(qū)施工的鉆探隊(duì)伍，培養(yǎng)了一批井控專業(yè)技術(shù)人員。

項(xiàng)目部和井隊(duì)所有人員高度重視，按照我們的施工方案，嚴(yán)格落實(shí)井控技術(shù)措施，沒有發(fā)生井噴事故，全面完成野外工作任務(wù)，在淺層氣區(qū)進(jìn)行地質(zhì)巖心鉆探的井控防噴技術(shù)值得推廣應(yīng)用。