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1井控技术及我区容易被忽略的气井安全惠建军第一部分井控技术第二部分我区容易被忽略的气井安全2第一部分井控技术第一章绪论1、井控的基本概念1.1井控的概念1.1.1井控的定义井控，即井涌控制或压力控制，是指采取一定的方法控制住地层孔隙压力，基本上保持井内压力平衡，保证钻井的顺利进行的技术。定义中所说的“一定的方法”包括两个方面：（1）合理的压井液密度；（2）合乎要求的井口防喷器。3定义中所说的“基本上保持井内压力平衡”指：P井底-P地层=ΔP（ΔP取值：对于油井取1.5～3.5MPa；对于气井取3.0～5.0MPa。）说明：我区气井深度大致在3000m～5000m,将压差ΔP折算为钻井液应附加的当量密度，约为0.1g/cm3，若将地层压力看作等同于清水压力，则钻井液密度为1.1g/cm3。实际上我区除本溪组外，绝大多数气层的压力系数小于1，因此1.07g/cm3的钻井液起步密度较为合理的，但显然不适用于正常压力系数的大部分本溪组和个别马家沟组。1.1.2井控的分级根据井涌的规模和采取的控制方法之不同，井控作业分为三级，即初级井控、二级井控和三级井控。初级井控：采用合适的钻井液密度和技术措施使井底压力稍大于地层压力的钻井过程。初级井控的核心就是确定一个合理的钻井液密度，初级井控提供的钻井液液柱压力为安全钻井形成第一级屏障。初级井控技术要求我们在进行钻井施工时，首先要考虑配制合适密度的钻井液，确保井内钻井液液柱压力能够平衡甚至大于地层压力，保证井口敞开时安全施工。二级井控：由于某些原因使井底压力小于地层压力时，发生了溢流，但可以利用地面设备和适当的井控技术来控制溢流，并建立新的井内压力平衡，达到初级井控状态。二级井4控技术要求井口必须装防喷器组，井口防喷器组为安全钻井提供第二级屏障。二级井控的实质是“早发现、早关井和早处理”：三级井控：三级井控是指二级井控失败，井涌量大，失去了对地层流体流入井内的控制，发生了井喷（地面或地下），这时使用适当的技术与设备重新恢复对井的控制，达到初级井控状态。1.2与井控有关的概念1.2.1井侵当地层孔隙压力大于井底压力时，地层孔隙中的流体（油、气、水）将侵入井内，通常称之为井侵。最常见的井侵为气侵和盐水侵。1.2.2溢流当井侵发生后，井口返出的钻井液的量比泵入的钻井液的量多，停泵后井口钻井液自动外溢，这种现象称之为溢流。特点：返出流体不会到达转盘面上。1.2.3井涌国内定义：井涌是溢流的进一步发展，井口返出流体超过转盘面，但低于二层平台。国外定义：当地层压力大于井底压力时，在其压差作用下，地层流体进入井眼，这种流体流动称为井涌。1.2.4井喷5国内定义：井涌进一步发展，当井口返出流体超过二层平台时称为井喷。国外定义：井涌失控称为井喷。井喷有地上井喷和地下井喷。流体自地层经井筒喷出地面叫地上井喷，从井喷地层流入其它低压层叫地下井喷。1.2.5井喷失控井喷发生后，无法用常规方法控制井口而出现敞喷的现象称为井喷失控。这是钻井过程中最恶性的钻井事故。1.2.6井喷失火井喷后失去控制的地层流体在地面遇到火源着火的现象。这是钻井过程中最恶性的、损失巨大的钻井事故。井控工作的目标就是坚决杜绝井喷失控和着火事故；坚决杜绝有毒有害气体事故。树立井控就是安全，井喷就是事故的意识。图1-1与井控相关的概念2、正确认识与做好井控工作2.1井喷失控与着火的危害井喷失控及其着火是钻井工程中危害极大的灾难性事6故，其严重危害如下：（1）打乱全面的正常工作秩序，影响全局生产；1986年8月中原油田卫146井发生强烈井喷，失控后，立即打乱了该局正常的工作。局领导主要成员亲临前线，组织指挥抢险工作。兄弟油田、地方政府和本油田的兄弟单位先后前来支援，组织了800多人参加的抢险队伍。熊熊烈火当场烧死一人，重伤一人（后因抢救无效牺牲），13人不同程度烧伤。为扑灭大火，曾先后动用消防车30余辆。受污染的良田面积达3000余亩，损失惨重。（2）油气资源受到损失和破坏；1958年，四川长桓坝气田长1井，嘉陵江气藏井喷，气量超过100万m3/d，损失天然气达4.61亿m3，占该气田总储量的62%，致使该气藏几乎失去了开采价值。（3）钻井设备被损坏或烧毁；2003年2月18日，大港油田滩海工程公司承钻的中4－72井在起钻过程中发生井喷失控，40分钟后井架朝大门方向倒塌。井架、绞车及大量钻具工具报废。（4）危及人身安全，造成人员伤亡。2003年12月23日，川东钻探公司12队,罗家16H井井喷失控，导致硫化氢大量外泄，造成243人死亡，4000多人受伤。（5）严重污染环境，造成不良的社会影响。71979年6月3日，墨西哥石油公司的伊斯托克1号平台，突然发生严重井喷，这次井喷造成10毫米厚的原油顺潮北流，涌向墨西哥和美国海岸。黑油带长480公里，宽40公里，覆盖1.9万平方公里的海面，使这一带的海洋环境受到严重污染。（6）处理井喷失控、井喷失火不仅延误钻井时间，而且会在经济上造成巨大的损失，使钻井成本大大增加。1996年，长庆油田W24-23井，井喷着火，时间损失168小时，直接经济损失45.73万元。2.2对井控工作的正确认识在过去较长的时间里，人们头脑中对井控工作存在着两种不正确的认识。其一，由于过去井控装备简陋，不能有效地关井，特别是对高压油气层的井，为了不井喷，使用重钻井液钻井，只要井不喷，就片面地认为井控工作做好了，至于是否污染油气层，枪毙油气层，则考虑甚少。其二，使用低于油气层压力的低密度钻井液钻井，试图用井喷发现油气藏。虽然其主观愿望不能说坏，其结果却是相反，井喷后不仅不能进行正常的钻井作业，而且井喷后的压井作业不可避免地对油气层造成严重的损害。上述两种不正确的认识及其造成的客观后果教育了人们，使人们认识到：只有实施近平衡压力钻井和采用先进的8井控技术才是发现油气层、保护油气层的唯一正确途径。近平衡压力就是使用合理的钻井液密度形成略大于地层孔隙压力的液柱压力，达到对所钻地层实施一次控制的目的。做到既不污染地层，也不发生井喷。一旦一次控制未能准确实施，出现溢流后，还可以使用先进的井控装备及时进行关井，实施二次控制。从而保证了既有利于发现和保护油气层，又做到安全钻井。（2）搞好井控工作，必须全面系统地抓好五个环节。要搞好井控工作，必须紧紧抓住思想重视、措施正确、严格管理、技术培训和装备配套五个环节。第二章井筒内的压力及相互关系1、地层压力图2-2钻井液对油气层的危害1—固相颗粒；2—水；3—油；4—水；9保存在地层孔隙内的流体(油、气、水)所具有的压力称为地层压力。在钻井过程中，当钻至油气水层后，地层压力便作用于井底。在充满钻井液的井眼中，井底具有以钻井液液柱为主的井底压力。井底压力与地层压力的差值称为井底压差。当地层压力大于井底压力时，井底压差为负压差，地层孔隙中的流体便会侵入井内，发生井喷事故。当井底压力大于地层压力时，井底压差为正压差，地层孔隙中的流体就不会侵入井内。但是，当井底正压差大时，就会产生下列危害。（1）油气层的缝隙。钻井液中的粘土等固相颗粒在井底正压差的作用下，侵入油气层的孔隙或裂缝之中，阻止或防碍油、气流出。正压差越大，钻井液中的固相颗粒越多，则固相颗粒越易侵入地层孔隙或裂缝之中，堵塞就越严重(见图2-2)。（2）油、气流产生“水锁效应”。在井底正压差的作用下，钻井液中的自由水就会不断地向地层缝隙中渗透，在地层缝隙中形成一段水、一段油，(如图1-1)。由于油—水和气—水之间有表面张力，油气要想流入井眼中，就必须克服一段段水的表面张力所形成的阻力，这样，水就封锁了油气流入井内的通道，这就是所谓的“水锁效应”。井底正压差越大，失水量越大，钻井液浸泡时间越长，地层中的水量就5—油；6—泥质吸水膨胀；7—水；8—油10越多，渗入地层中的深度就越大，一般为几十厘米，有时可达几米，甚至数十米，这就会严重阻碍油气流入，降低油气产量。（3）油、气层中泥质吸水膨胀，堵塞油、气通道。当钻至油气层，如果油气层中的粘土等泥质成分含量较高，那么在井底正压差的作用下，钻井液中的自由水就会进入油气层。油气层中的泥质成分吸水膨胀堵塞油、气通道，就会降低油、气产量。井底正压差越大，浸入油气层的自由水就会越多，堵塞就越严重。（4）降低机械钻速。在井底正压差的作用下，钻头破碎的岩屑会被紧紧地压在井底而不能及时离开，造成钻头对岩屑的重复破碎，从而影响钻头破碎岩石的效率，导致机械钻速下降。井底正压差越大，机械钻速越慢。（5）易形成粘附卡钻。钻井过程中，由于井眼不可能完全垂直，当井下钻具静止不动时，钻柱在井底正压差的作用下靠向井壁，与井壁泥饼紧密结合(陷入泥饼中)，如果静止时间较长，井底正压差较大就会把钻柱紧紧地压在井壁上，从而产生粘附卡钻。（6）易发生井漏。在钻井过程中，如果地层孔隙度大，渗透性好，那么，钻井液就会在较大的井底正压差的作用下发生渗透性漏失。11当然，井底正压差较大，对防止井喷是极其有利的。过去人们往往怕井喷而过大地增加钻井液密度，人为地增大井底正压差，这样做的结果是井虽未发生井喷，但油气层却被堵塞了。过去，常常会看到这种现象，有的油、气井在钻进时油气显示很好，而完井试油时，却不出油产气，或者产油、气很少。因为石油钻井的主要目的是为了开发地下油气资源。所以，我们在钻井过程中，必须尽量减少井底正压差。为了多出油，快打井，减少卡钻、井漏等事故的发生，井底正压差应该是越小越好，最理想的钻井状态为井底压力等于地层压力，使井底压差等于零。在井底压力等于地层压力条件下的钻井过程为平衡钻井。平衡钻井是很难做到的，一般情况下是使井底压力稍大于地层压力，保持最小的井底正压差，这种在井底压力稍大于地层压力条件下的钻井过程为近平衡钻井，近平衡钻井有以下优点：图2-3正常地层压力形成示意图1—地表；2—地层缝隙；3—地层水；4—油层；5—油井。12（1）避免堵塞油气缝隙，有利于发现与保护油气层。（2）提高机械钻速。（3）防止粘附卡钻。（4）防止井漏。2.1正常地层压力地质上认为：含有油气水的地层是通过渗透性地层形成的缝隙与出露在地表的地层相互沟通，在这个相互沟通的缝隙内充满着地层水(如图2-3)。2.1.1正常地层压力的定义与计算某地区的正常地层压力就是该地区较为普遍的地层水所形成的静液柱压力，其计算公式为：P=ρgH=0.0098ρH2-2式中：P—正常地层压力，MPa；ρ—地层水密度，g/cm3；g—重力加速度，g=9.8m/s2；H—地层深度，m。地层水密度有些地区取1.07g/cm3，清水当然也属于地层水。132.2异常地层压力在钻井过程中所遇到的压力不单是正常地层压力，还经常会遇到异常低压地层和异常高压地层。2.2.1异常低压层异常低压层是指地层压力低于正常地层压力的地层。在一般情况下，地层压力小于1.00g／cm3的地层才称之为异常低压层(或低压层)，低压层的压力可能低到0.80g／cm3，甚至更低。异常低压的成因:（1）生产多年的衰竭油气层；（2）大量生产而没有充分注水补偿的油气产层；（3）同一水动力系统的地层露头低于井口；（4）地下水位很低，等等。2.2.2异常高压层异常高压层是指地层压力高于正常地层压力的地层。在一般情况下，地层压力高于1.07g／cm3的地层才称之为异常高压层(或高压层)，高压层的压力可能高到2.35g图2-4砂岩层的正常与异常压力14／cm3，甚至更高。异常高压的成因:主要有沉积压实不均、水热增压、渗透作用和构造作用等。应该清楚地懂得，任何一种含油气的地质构造，都可能是异常高压层。综上所述：异常低压地层ρp1.0g/cm3；正常压力地层ρp=1.0～1.07g/cm3；异常高压地层ρp1.07g/cm3；2.3地层压力预报在钻至油气层时，就会遇到异常高压层，如果不知道异常高压层的压力值，而仍采用比异常高压低的井底压力进行钻井，就会造成井喷。如果人们为了防止井喷而盲目地增大钻井液密度，就会使井底压力大大超过高压层的压力值，造成油气通道的严重堵塞。因此，必须在钻开高压油气层前就知道高压油气层的压力值，只有这样，才能够准确地