塔里木油田探井井控技術(shù)分析研究

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

塔里木油田為我國西部地區(qū)能源經(jīng)濟動脈，然而其復(fù)雜特殊的地層環(huán)境導(dǎo)致井控工作存在較大難度，井控效果難以保證。通過對塔里木油田及類似環(huán)境油田井噴失控事故的研究，對其原因進行了分析，對所涉及的井控問題和工作難點進行了研究。根據(jù)相關(guān)研究，本文對壓井技術(shù)及其發(fā)展趨勢進行了探討，對探井井控工作中專家井控與制度井控方式、井控裝備壓力級別的選擇、關(guān)井方式的選擇等提出了見解。

1 引言

近年來，國家工業(yè)發(fā)展水平顯著提高，對能源的需求量日益增加，國家對能源的開發(fā)也不斷深入，深井和超深井（4500m～9000m）等深層油氣田的開發(fā)也更加普遍。塔里木油田是我國三大油氣田之一，其石油和天然氣儲量豐富，為我國西部地區(qū)能源經(jīng)濟動脈[1]。塔里木油田所處地層也極其復(fù)雜，其井底溫度高、壓力大、H2S濃度高，是目前我國各大油氣田中井控工作難度最大的油氣田之一[2]。

井控最重要的作用是在石油天然氣開采過程中嚴格防止井噴失控，盡量避免發(fā)生井噴，全面限制發(fā)生溢流，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[3]。大部分油氣井都配備了防止井噴失控的四大硬件系統(tǒng)，如圖1所示，四大硬件系統(tǒng)能夠有效的防止井噴失控[4]。

圖1 井控裝備中的四大硬件系統(tǒng)

2 探井井控技術(shù)現(xiàn)狀及評價

2.1 井噴失控原因分析

井噴失控將導(dǎo)致重大安全事故的發(fā)生，尤其是在H2S氣體濃度非常高的塔里木油田地區(qū)，事故一旦發(fā)生將造成多人因H2S中毒而死傷，并導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失。要避免井噴事故的發(fā)生，就必須加強對鉆井井噴原因和過程進行分析和研究[5]。通過對塔里木油田及與塔里木油田有比較相似工況的油田大量井噴失控事故的研究，共分析出如表1所示的14種井噴失控原因。

表1 井噴失控原因

通過對井噴失控原因的分析，發(fā)現(xiàn)造成井噴的本質(zhì)是井口壓力在較短時間內(nèi)發(fā)生大幅度的波動，大量含有氣體的鉆井液持續(xù)高速對井口、套管及其他管匯進行沖擊，導(dǎo)致套管及管匯的爆裂[6]。因此，井控技術(shù)的關(guān)鍵就是對井口壓力進行控制。

2.2 探井井控工作難點

因塔里木油田的復(fù)雜特殊地層和工作環(huán)境，導(dǎo)致在探井井控過程中存在較多的工作難點。

（1）無法準確預(yù)測地層壓力系數(shù)。地層壓力系數(shù)ρP是描述地層壓力的數(shù)值，是一級井控最根本的依據(jù)。由于塔里木油田所處地層的復(fù)雜性，目前在監(jiān)測地層壓力的技術(shù)手段上也有較大的局限性，因此無法非常準確的預(yù)測地層壓力，而地層壓力系數(shù)是制定井控方案最關(guān)鍵的因素之一。

（2）管匯磨損速度快。塔里木油田存在大量的深井和超深井，且工況復(fù)雜惡劣，探鉆井周期一般較長，當(dāng)遇到壓力系數(shù)較高的地層時，需要使用高密度泥漿，其最直接的后果就是將導(dǎo)致相關(guān)管匯快速磨損，井筒承壓能力下降，二級井控將面臨嚴重挑戰(zhàn)。此外，高密度泥漿的使用，還將導(dǎo)致節(jié)流閥的磨損速度加快。

（3）淺層氣的影響。塔里木油田大部分油氣井在鉆至1500m以淺時，就會有氣體出現(xiàn)，即淺層氣，極易導(dǎo)致一、二級井控失效，雖然井口裝有放噴裝置，但其只能起到導(dǎo)流的作用。一旦發(fā)生溢流，且發(fā)現(xiàn)和處理不及時，就會導(dǎo)致井噴失控。

（4）高壓鹽水層的影響。探井遇高壓鹽水層時會導(dǎo)致泥漿密度下降、粘度發(fā)生變化、pH值下降等現(xiàn)象，井口會有溢流現(xiàn)象，是正常鉆進過程中最大的障礙之一，尤其是與裸眼內(nèi)壓力波動較大又易漏的鹽水層相遇，更是井控的工作難點。

3 井筒壓力的控制方法

通過對井噴失控原因的分析得知井控技術(shù)的關(guān)鍵就是對井口壓力進行控制，結(jié)合塔里木油田在探鉆井井控過程中存在的風(fēng)險及面臨的工作難點，應(yīng)采取科學(xué)的壓井方法來提升井控的成功率。常用的壓井方法有立壓控制法、簡化套壓控制法和精細套壓控制法。

3.1 立壓控制法

立壓控制法是目前最常用的方法之一，其根據(jù)壓井過程中立壓的實時變化來調(diào)解節(jié)流閥的開度，通過排出溢流，井底壓力保持與地層壓力的動態(tài)平衡，其壓力控制流程如圖2所示。

圖2 立壓控制法壓力控制流程圖

該控壓法使用普遍，且成功率高，但在地層壓力復(fù)雜、波動性較大的工況下進行井控作業(yè)的成功率會降低，主要原因是該方法是被動控壓法，在未得知地層壓力預(yù)測系數(shù)的情況下，根據(jù)現(xiàn)場情況來調(diào)解節(jié)流閥開度，使得壓力平衡，但是如果地層壓力波動性較大，其控壓效果就難以得到保證。由于立壓和套壓分別位于井筒兩端，立壓需要依據(jù)井口套壓來進行調(diào)節(jié)，壓力波在傳遞的過程中會消耗一定時間，導(dǎo)致立壓調(diào)節(jié)滯后，其壓力傳遞如圖3所示。

圖3 壓力傳遞路徑示意圖

據(jù)圖3可知，立壓控制法對井筒壓力的控制存在較大的局限性，其無法及時、精準的對壓力進行控制。

3.2 簡化套壓控制法

簡化套壓控制法是指根據(jù)油氣井所處的實際工況及對控壓前相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，設(shè)計井口套壓的變化方案，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度來調(diào)節(jié)井底的壓力，其控制方法如圖4所示。

圖4 套壓控制法

雖然簡化套壓控制法其預(yù)設(shè)方案是基于大量的實驗和施工數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上分析得出的，但由于其精度較低，對井筒壓力控制效果存在較大的不確定性，該方法未能大范圍代替立壓控制法。

3.3 精細套壓控制法

該方法是在立壓控制法的基礎(chǔ)上對井筒壓力進行更加精準的計算，通過對壓井過程中溢流物的混相段狀態(tài)進行分析得到較為精準的壓力值，據(jù)此來對壓力進行控制。目前精細套壓控制法還處在研究階段，現(xiàn)有技術(shù)無法對壓井過程的井筒壓力進行連續(xù)地求解，極大程度制約了工程問題的分析，但這是壓井技術(shù)的趨勢走向。

4 井控技術(shù)問題探討

實施探井井控作業(yè)，一般有專家井控、制度井控兩種方式。專家井控是指有著豐富的井控經(jīng)驗，對井控工藝、設(shè)備等非常了解，且處理過復(fù)雜的井噴失控事故的技術(shù)人員赴鉆探現(xiàn)場進行井控指導(dǎo)，尤其是當(dāng)油氣井所處環(huán)境較為復(fù)雜，風(fēng)險系數(shù)較高時。制度井控是指作業(yè)人員在鉆井過程中依據(jù)相關(guān)的井控制度和規(guī)定，在探井過程中開展井控作業(yè)，該方式要求作業(yè)人員有較高的素養(yǎng)，能夠熟練掌握并嚴格執(zhí)行井控制度和規(guī)定。兩種方式各有優(yōu)缺點，專家井控其優(yōu)點是時效性高、能及時有效的進行井控，缺點是成本高、井控效果因人而異；制度井控因有大量的實驗和現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)作支撐，其效果一般不會太差，但對復(fù)雜工況的井控效果不理想。因此井控作業(yè)應(yīng)主要依靠制度井控，專家巡查、解決復(fù)雜問題及應(yīng)對突發(fā)性事件為輔開展。

目前，絕大部分套管的抗內(nèi)壓強度均不超過70 MPa，選用70 MPa的井口防噴器即可，對超高壓油氣井，應(yīng)采用105 MPa的井控設(shè)備，提高其承壓能力。在表層套管固井后，對于安裝有35/35或54/14的防噴器來說，通常不宜采用硬關(guān)井的方式關(guān)井，在關(guān)閉防噴器前，要先開啟旁側(cè)通道；對于產(chǎn)層在4500m以深，技術(shù)套管下到產(chǎn)層頂部，溢流早期可以進行硬關(guān)井；對于產(chǎn)層在4500m以淺，技術(shù)套管下得也淺，發(fā)現(xiàn)溢流時應(yīng)進行軟關(guān)井。井控方案在設(shè)計階段就必須嚴格執(zhí)行各項標準，對各類臨界值、各項標準要進行充分論證，尤其要考慮塔里木油田的特殊環(huán)境，當(dāng)遇到未涉及到的技術(shù)問題時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)施工現(xiàn)場情況開展相應(yīng)的井控作業(yè)，最大限度將風(fēng)險降到最低，將損失減到最小，使主動安全發(fā)揮到最大限度。

5 結(jié)束語

本文基于對塔里木油田及與塔里木油田有比較相似工況的油田大量井噴失控事故的研究，對井噴失控原因進行了分析。針對塔里木油田復(fù)雜特殊的地層情況，對井控工作難點和壓井的途徑進行了研究并提出了相關(guān)趨勢。針對探井井控工作中專家井控與制度井控、井控裝備、關(guān)井方式等提出了見解。要使井控技術(shù)有進一步的發(fā)展，還要在理論及技術(shù)方面開展更深入的研究。