天然氣井鉆井與井控技術

徐瑞春

摘 要：天然氣燃燒效率高、運輸方便、對空氣污染少，是我國重要的節能環保能源，具有十分重要的使用價值。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的重要課題。本文分析了天然氣井鉆井特點，并對天然氣井的井控技術的優化措施進行了探討。

關鍵詞：天然氣；鉆井；井控；技術

隨著經濟的快速發展，國家對于新能源的需求不斷增大，天然氣勘探領域獲得了巨大進步，勘探規模不斷擴大，對天然氣藏鉆井技術提出了更高要求。近年來，高壓、高產氣田陸續被發現，傳統的井控技術已經不能滿足鉆井新工藝的要求，逐漸向信息化、自動化、智能化的方向發展。現代井控技術的目標不僅僅是防止井噴，還包括減少資源浪費、防止環境污染、快速高效的完成鉆井開采，需要相關單位在原有技術的基礎上加強完善和創新。

一、天然氣井鉆井特點

（一）天然氣的密度低，與鉆井液有強烈的置換性。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。在天然氣鉆井過程中，當發生溢流關井，整個井筒形成密閉空間，由于天然氣密度較低，與鉆井液發生強烈置換，混在鉆井液中的天然氣氣泡不斷向井口運移，導致井口壓力過高，與井內溢流壓力共同作用，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，需要對井涌、井噴后關井壓力進行監測和控制，最大關井壓力不得超過井控裝備規定工作壓力、套管抗內壓強度的80%和地層破裂壓力所允許壓力三者中的最小值。一旦井口壓力超過了以上壓力值，在關井時就要適當泄壓，但要補充所放出的鉆井液量，在壓井時要降低排量，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、最易理解的特點就是易燃易爆性，容易造成天然氣井鉆井過程中井噴失控時的失火問題。但是天然氣與空氣的混合物在一定的濃度范圍內遇到火源才能發生爆炸，這個火源才引發爆炸的濃度范圍（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%，不會爆炸，但會燃燒。根據已有資料分析，天然氣井井噴失控時失火現象發生幾率較高，不是人為或地面設施所能控制的。而當井噴失控瞬間未著火，其后著火可能性較小。因此，鉆井隊伍應嚴密作好井場及周圍消防工作，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。在鉆進過程中，一旦地層天然氣進入井筒，將隨鉆井液到達井口，在到達井口過程中，其體積會隨上部液柱壓力減少而增大，如果未對進入井筒的天然氣進行控制，地層天然氣將連續進入井筒，表現出井口溢流現象，發生井涌，隨即井噴。在起鉆過程中，由于抽吸作用會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將井筒灌滿，地層天然氣也會進入井筒，其體積也會隨上部液柱壓力減少而迅速膨脹，造成起鉆過程中井口的溢流。而下鉆過程中出現的井口溢流的原因則是起鉆或起下鉆時間太長。從實際發生井噴過程的觀察，溢流到井涌之間時間較長，而井涌到井噴時間較短，一旦發現溢流，需要迅速按“四、七”動作控制井口。

二、天然氣井鉆井井控技術的優化措施

（一）完善井控理論，開發配套軟件。隨著井下傳感器的開發和計算機技術的發展，人們對井筒內動態環境有了更深刻的認識和理解，給井控理論基礎的更新創造了條件，以便準確計算井筒壓力，提高鉆井壓力控制水平。新的井控理論應該考慮不同井底壓力下油氣層的流人和流出，結合井筒瞬態的壓力和溫度場，采用氣液多相流理論計算井筒剖面壓力，并利用井筒壓力實測值修正計算壓力。利用新的井控理論編制井筒壓力計算軟件，便于計算不同壓井方法在井筒各關鍵點的井筒壓力，并優選出合理的壓井方法和壓井施工參數，以指導壓井施工作業。當然，這種軟件不僅應用負壓鉆井的設計，而且為壓力控制鉆井提供壓力計算的依據。此外還應研究水平井、多底井等特殊情況下天然氣的侵入和氣液兩相流動規律，確定合理的鉆井液附加密度和安全作業時間。

（二）增強井控裝備配套水平。為適應高壓、高產氣田開發的需要，井控裝備需要開展以下技術攻關研究工作：對105MPa壓力等級井控設備進行配套，并研制適合于酸性氣田的井控裝備；對分離器進行優化和完善，提高脫氣能力，例如選用“U”形管分離器；研制和開發智能井控系統，通過自動實時調節液動節流閥的開度來控制井口回壓，使井內壓力按照預定壓力變化，完成井控施工作業。除此之外，還要提高節流閥和壓井管匯的節流和抗沖蝕能力，其方法包括：一是改善節流閥的結構和材質，提高精確控制能力、抗沖蝕能力；二是研制多級節流系統，合理分配節流壓降，改善節流閥件的工作條件，防止單一路徑失效影響壓井施工；三是完善壓井管匯結構，降低高速流體對管匯的沖蝕作用，提高其完整性；四是實行智能控制，提高控制精度，防止誤操作。鉆井單位還需要研制和引進先進的探傷檢測儀，對井控的防噴器等厚壁設備進行無損傷探測和評價，以保證井控設備的完整性。

（三）加強井控技術隊伍建設。各天然氣鉆井公司應建立一支全面掌握現場鉆井技術和井控操作技術，實踐經驗豐富、責任心強、組織能力高的人才隊伍。首先，聘請具有井控工程師或井控高級工程師職稱的專家，主要負責處理現場井控技術問題，并實時對井控作業進行監督，做好排除溢流壓井的現場指揮工作；其次，提高鉆井井控操作人員的基本素質，特別是加強鉆井隊骨干對因天然氣特性所帶來的井控技術特點的認識、理解，并通過認真反復實踐，使其確實掌握天然氣井鉆井井控操作技術。此外，鉆井隊、鉆井公司還應加強對操作人員現場技能培訓，按井控技術規定、標準、操作規程進行日常職業化訓練，從根本上解決低水平重復作業和反復犯低級錯誤的問題。

三、結束語

總而言之，天然氣是一種重要的環保能源，但是其密度較低、易燃易爆、壓縮性和膨脹性等特點，使得天然藏鉆井工作面臨多種困難。隨著科技的發展，井控技術逐步向自動化方向邁進，通過完善井控理論、增強配套設備等措施，對井控技術進行研究與創新，同時鉆井單位還要加強技術隊伍的建設，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。

參考文獻：

[1]馬宗金.總結經驗教訓提高天然氣井鉆井井控能力[J].鉆采工藝，2004，04：7-11+1.

[2]吳志均，陳剛，郎淑敏，龍濱，王勇，李偉.天然氣鉆井井控技術的發展[J].石油鉆采工藝，2010，05：56-60.

[3]梁成玉.天然氣鉆井井控技術的探析[J].化工管理，2015，25：150.