塔里木油田高含硫地區(qū)井控安全策略研究

◇塔里木油田公司應(yīng)急中心 蔣光強(qiáng) 林發(fā)權(quán) 賈紅軍

隨著國家對油氣開采的不斷深入，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井為研究對象，建立“溢流-井涌-井噴”事故模型，利用CFD爆炸建模軟件對Z井進(jìn)行安全評價(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。

1 引言

鉆井井控是指在石油天然氣開采過程中對井噴、井涌的控制，通過一些技術(shù)手段，控地層壓力，使井內(nèi)大力保持相對平衡，保證施工作業(yè)的安全，提高開采效率。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]。石油天然氣的開采與其他能源的開采不同，開采過程中既要保證開采過程的安全性，又要保證重要的能源不被破壞。

隨著國家經(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，國家對能源的開發(fā)也不斷深入。近年來，隨著我國石油開采技術(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)，我國接近70%的油氣儲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井為研究對象，首先對其進(jìn)行安全評價(jià)分析，后提出如何提高高含硫油氣井的井控安全措施。

2 Z井安全評價(jià)分析

2.1 Z井工況分析

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層段尚保持原始壓力系數(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

2.2 Z井井控安全評價(jià)

對井噴事故進(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)油氣鉆井的三級井控原理，對井噴事故按照“溢流-井涌-井噴”模型對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Z井高溫、高壓、高含硫等惡劣環(huán)境，科學(xué)制定了三級井控保護(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、及時(shí)處理，嚴(yán)防“黑天鵝”事件發(fā)生。

2.3 Z井井噴失控H2S擴(kuò)散規(guī)律模擬

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)定等級為F，井噴無阻流量為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Z井H2S氣體泄露進(jìn)行模擬預(yù)測，通過相關(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)。

3 井控安全策略分析

結(jié)合塔中地區(qū)的實(shí)際工況，根據(jù)對Z井進(jìn)行安全評價(jià)分析可知，為應(yīng)對惡劣的“三高”作業(yè)環(huán)境，工作人員科學(xué)制定了三級井控保護(hù)措施，按照三級井控保護(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。

3.1 嚴(yán)格規(guī)范設(shè)計(jì)

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。

3.2 提高人員素質(zhì)

設(shè)計(jì)科學(xué)規(guī)范的井控措施后，還需井場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、報(bào)告和處理，將井控安全技術(shù)的不確定性降低到最小。

3.3 加強(qiáng)專項(xiàng)檢查

在施工過程中，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取時(shí)間。加強(qiáng)專項(xiàng)檢查，還需要對順利開展井控作業(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。

3.4 優(yōu)化井控方式

根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)及風(fēng)險(xiǎn)評估，應(yīng)對井控的部分環(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，因此可對點(diǎn)火方式進(jìn)行優(yōu)化，改為無人機(jī)遠(yuǎn)距離噴射點(diǎn)火，提高點(diǎn)火成功率。