◇塔里木油田公司應(yīng)急中心 蔣光強(qiáng) 林發(fā)權(quán) 賈紅軍
隨著國(guó)家對(duì)油氣開(kāi)采的不斷深入,超深鉆井及復(fù)雜地域的鉆井作業(yè)也更加普遍。塔里木油田所處地層及其復(fù)雜,H2S含量普遍較高,一旦井控失效發(fā)生井噴事故,將造成非常嚴(yán)重的后果。本文以Z井為研究對(duì)象,建立“溢流-井涌-井噴”事故模型,利用CFD爆炸建模軟件對(duì)Z井進(jìn)行安全評(píng)價(jià)分析得到其所存在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),其現(xiàn)有的Z井井控措施基本能夠確保Z井的作業(yè)安全。根據(jù)對(duì)Z井的分析,從嚴(yán)格規(guī)范設(shè)計(jì)、提高人員素質(zhì)、加強(qiáng)專項(xiàng)檢查、優(yōu)化井控方式等四個(gè)方面提出了塔里木油田高含硫地區(qū)井控的安全策略。
鉆井井控是指在石油天然氣開(kāi)采過(guò)程中對(duì)井噴、井涌的控制,通過(guò)一些技術(shù)手段,控地層壓力,使井內(nèi)大力保持相對(duì)平衡,保證施工作業(yè)的安全,提高開(kāi)采效率。鉆井井控技術(shù)以前僅被單一的作用于防止井噴,隨著環(huán)境保護(hù)的要求越來(lái)越高,鉆井井控技術(shù)已經(jīng)成為保護(hù)戰(zhàn)略能源和防止污染環(huán)境的重要手段之一[1]。石油天然氣的開(kāi)采與其他能源的開(kāi)采不同,開(kāi)采過(guò)程中既要保證開(kāi)采過(guò)程的安全性,又要保證重要的能源不被破壞。
隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,石油天然氣等能源的消耗也不斷增大,國(guó)家對(duì)能源的開(kāi)發(fā)也不斷深入。近年來(lái),隨著我國(guó)石油開(kāi)采技術(shù)的不斷創(chuàng)新,大量深層油氣田探明,深井和超深井(4500m~9000m)也較為普遍,其所處地層也極其復(fù)雜,井底溫度高、壓力大[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)接近70%的油氣儲(chǔ)量集中在中三疊系及早期的碳酸鹽地層中,大量含硫氣體在這些地層中含量較高[3]。塔里木油田奧陶系碳酸鹽巖油氣藏普遍含有H2S,在塔中地區(qū),H2S最高含量井達(dá)80000ppm左右,輪南、英買力地區(qū)H2S含量較低,但也接近或超過(guò)閾限值。井深,高溫高壓,酸性氣體含量高是這一地區(qū)井的典型特征[4]。重慶開(kāi)縣重大井噴事故,造成多人因H2S中毒而死傷,并導(dǎo)致了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[5]。完整、高效的井控技術(shù)手段,完善的應(yīng)急處理措施,才能將井噴發(fā)生的可能性及其危害程度降到最低[6]。
本文選取塔里木油田某高含硫Z井為研究對(duì)象,首先對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)價(jià)分析,后提出如何提高高含硫油氣井的井控安全措施。
塔中地區(qū)高含硫Z井是典型的高溫、高壓、高含硫的“三高”氣井,所處位置地層極其復(fù)雜,井身結(jié)構(gòu)如圖1所示,基礎(chǔ)資料如表1所示。
由圖1和表1可知Z井的目的層為T1f1-2和P2ch層段,均為裂縫性地層,T1f1-2層段處的壓力明顯衰減,其壓力系數(shù)僅為0.91,P2ch層段尚保持原始?jí)毫ο禂?shù)(1.47~1.58)。根據(jù)分析可知,Z井所處地層為典型的縱向“高-低-高”地層壓力層系,因此Z井井控風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)非常高,如果Z井其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不科學(xué)、井身在T1f1-2層承受壓力能力有限以及所灌注的鉆井液與地層壓力不匹配時(shí),將很容易導(dǎo)致井噴、井漏等事故的發(fā)生,甚至導(dǎo)致“上漏下噴”的及其嚴(yán)重的井噴事故的發(fā)生[7]。
圖1 Z井井身結(jié)構(gòu)及其地層壓力曲線圖
表1 Z井基礎(chǔ)資料
對(duì)井噴事故進(jìn)行模擬,倒推井控風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),制定風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防措施使風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)降低在可接受的范圍內(nèi)是安全評(píng)價(jià)及提高安全系數(shù)常用的方法[8]。根據(jù)油氣鉆井的三級(jí)井控原理,對(duì)井噴事故按照“溢流-井涌-井噴”模型對(duì)Z井事事故鏈進(jìn)行分析,Z井井控保護(hù)層示意圖及其分析表分別如圖2和表2所示。
表2 Z井井控保護(hù)層分析表
圖2 Z井井控保護(hù)層示意圖
根據(jù)Z井井控保護(hù)層示意圖及其分析表可知,為應(yīng)對(duì)Z井高溫、高壓、高含硫等惡劣環(huán)境,科學(xué)制定了三級(jí)井控保護(hù)措施,工作人員在嚴(yán)格遵守相關(guān)操作規(guī)程的情況下,按照三級(jí)井控保護(hù)措施制定相關(guān)方案并及時(shí)實(shí)施相關(guān)保護(hù)措施,基本能夠確保Z井的作業(yè)安全。但由于Z井“高-低-高”的特殊壓力地層,當(dāng)鉆進(jìn)從T1f1-2層到P2ch時(shí),將很容易導(dǎo)致井噴、井漏等事故的發(fā)生,因此必須實(shí)施監(jiān)測(cè)、及時(shí)處理,嚴(yán)防“黑天鵝”事件發(fā)生。
H2S的分子量約為34,表現(xiàn)出“臭雞蛋”氣味,有劇毒,中毒較為嚴(yán)重時(shí)極易導(dǎo)致死亡,遇高溫或者明火時(shí)容易發(fā)生爆炸,發(fā)生井噴事故后,H2S容易沉降在地勢(shì)低洼處,且不易擴(kuò)散。Z井發(fā)生井噴失控事故時(shí)所處環(huán)境為風(fēng)速約為1.5m·s-1,大氣穩(wěn)定等級(jí)為F,井噴無(wú)阻流量為700×104m3·d-1,H2S體積分?jǐn)?shù)為16.17%,泄露孔徑為132.4mm,井口溫度約為50℃,H2S氣體泄露時(shí)間為5min。利用CFD爆炸建模軟件(FLACS)對(duì)Z井H2S氣體泄露進(jìn)行模擬預(yù)測(cè),通過(guò)相關(guān)技術(shù)手段,分析得出放噴點(diǎn)火的5min內(nèi),H2S氣體在所處環(huán)境下迅速擴(kuò)散,且井噴失控也導(dǎo)致H2S氣體擴(kuò)散加劇,在距離井口800m的下風(fēng)處,H2S氣體的濃度也處在危險(xiǎn)臨界值100μL/L,這將導(dǎo)致處在該范圍內(nèi)的居民處于極其危險(xiǎn)的范圍中。因此,Z井一旦井控失效,將導(dǎo)致周圍大范圍居民受到嚴(yán)重的生命危險(xiǎn)。
結(jié)合塔中地區(qū)的實(shí)際工況,根據(jù)對(duì)Z井進(jìn)行安全評(píng)價(jià)分析可知,為應(yīng)對(duì)惡劣的“三高”作業(yè)環(huán)境,工作人員科學(xué)制定了三級(jí)井控保護(hù)措施,按照三級(jí)井控保護(hù)措施制定相關(guān)方案并及時(shí)實(shí)施相關(guān)保護(hù)措施,基本能夠確保Z井的作業(yè)安全。但為應(yīng)對(duì)井控失效、發(fā)生井噴事故,需制定更加安全的井控策略,使安全風(fēng)險(xiǎn)和損失降到最低。
保證井控技術(shù)能夠安全有效,達(dá)到預(yù)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo),在設(shè)計(jì)階段就必須嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)各類臨界值、各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)要進(jìn)行充分論證,尤其是針對(duì)塔里木油田高含硫地區(qū)的特殊環(huán)境,還要考慮井口點(diǎn)火時(shí)間、安全范圍與撤離時(shí)間之間的關(guān)系,要利用技術(shù)手段進(jìn)行大量的分析。在超過(guò)臨界值或超出標(biāo)準(zhǔn)時(shí),還要設(shè)計(jì)科學(xué)合理的作業(yè)流程,及時(shí)進(jìn)行關(guān)壓井、放噴點(diǎn)火和井口點(diǎn)火等作業(yè),促進(jìn)井控技術(shù)向科學(xué)、規(guī)范的方向發(fā)展,最大限度將風(fēng)險(xiǎn)降到最低,將損失減到最小,使主動(dòng)安全發(fā)揮到最大限度。
設(shè)計(jì)科學(xué)規(guī)范的井控措施后,還需井場(chǎng)各部門工作人員的密切配合,才能最大限度發(fā)揮井控方案的作用。首先要建立詳細(xì)、完善的培訓(xùn)體系,保證各作業(yè)人員能夠熟悉了解所任崗位在井控中的作用及重要性,設(shè)置不同的突發(fā)事件對(duì)各崗位施工人員進(jìn)行考核,考核合格后才能上崗。其次要建立追責(zé)制度,反向促進(jìn)各崗位能夠嚴(yán)格按照相關(guān)條例和規(guī)定進(jìn)行監(jiān)測(cè)、報(bào)告和處理,將井控安全技術(shù)的不確定性降低到最小。
在施工過(guò)程中,為保證各項(xiàng)制度嚴(yán)格落實(shí),應(yīng)建立專項(xiàng)檢查機(jī)制,在檢查的過(guò)程中不斷優(yōu)化井控安全技術(shù)和設(shè)備。例如本文所研究的Z井,因其復(fù)雜特殊的地層環(huán)境,H2S的危險(xiǎn)范圍達(dá)到800m,因此可考慮在井口附近配備能防止或減緩H2S氣體擴(kuò)散的裝置,能夠極大的為周圍居民的疏散爭(zhēng)取時(shí)間。加強(qiáng)專項(xiàng)檢查,還需要對(duì)順利開(kāi)展井控作業(yè)和減小井噴失控?fù)p失的各類設(shè)備進(jìn)行定期檢修和保養(yǎng),提高井控設(shè)備的整體水平,從根本上保證井控安全。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,應(yīng)對(duì)井控的部分環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化,提高井控的效率和安全性。以Z井為例,其井口點(diǎn)火方式有3種,但在比較嚴(yán)重的井噴失控事故時(shí),如井口有大量的鉆井液噴出,極容易導(dǎo)致點(diǎn)火失敗,因此可對(duì)點(diǎn)火方式進(jìn)行優(yōu)化,改為無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)距離噴射點(diǎn)火,提高點(diǎn)火成功率。