天然气井井控技术应用现状及发展探讨

李洪娟

（大庆油田钻探工程公司钻井二公司综合服务中心，黑龙江大庆163000）

1 天然气井井喷发生的过程及原因

在天然气井钻井过程中，当井底压力小于地层压力时，在压差作用下，地层中天然气就会进入到井筒内，当压差持续增大时，进入井筒内的天然气就会越来越多，最终聚集的天然气会形成气柱，导致井喷事故的发生[5]。天然气由地层进入井筒大多是通过微小气泡的形式，逐渐在井筒内汇聚成气柱，由于天然气密度远小于钻井液，在钻井液中会上窜，然后随钻井液循环向井口上返，在天然气上返过程中，所承受的压力会逐渐减小，气泡、气柱在上升过程中体积会发生膨胀，导致一部分压井液被挤出井口，导致溢流的发生，同时井筒内钻井液密度会下降，当气泡、气柱接近井口时，体积会急剧膨胀，此时如果不能及时采取控制措施，就会导致井喷事故的发生。天然气钻井井喷事故发生的原因归结如表1所示。

表1 井喷失控的原因

2 天然气井井控技术

通过总结井喷失控的原因，深入研究井喷失控的过程发现，造成井喷的实质是压井过程中井口压力长时间大幅度反复变化，含有气体的钻井液高速冲刺套管、井口及地面管汇，导致套管憋爆、井口刺漏、地面管汇破裂等[6]，因此，要加强以下几个方面的井控措施：

（1）排除溢流压井。溢流是井喷的前兆，发现溢流要及时做好压井工作，重建井内平衡能够大大减少井喷失控的发生，在压井过程中，要根据记录的钻井液数据及溢流情况，合理配制钻井液密度，保持井底压力略大于地层压力，通过一个循环周来完成压井作业。此外，发现溢流后可以关井，先使用原钻井液排除溢流，在加重钻井液压井，这种方法需要2个循环周期。起钻时抽汲作用或是空井时间过长，导致地层气体进入钻井液，为了防止这种情况发生导致溢流，可以采取以下方法：①迅速关井，将井筒内气体排出；②控制住井口压力，保持井筒内压力平衡，释放出压井液，使井筒内气体上升至井口排出；③控制好套压，使用节流阀释放部分压井液，之后关井，待气体上升，然后重复释放压井液关井作业，直至井筒内气体排出。

（2）加强钻井工艺控制。对于有浅层气的钻井，使用防喷器关井易导致井口塌陷，可以安装分流设备，当钻开浅层气后，可以采用大排量钻井液配合小井眼钻井的方法继续钻进，要密切关注井口钻井液流量变化及池体积变化情况，当出现溢流情况时，不能简单关井，要采取分流放喷的方法，先小幅上提钻具，然后停泵检测溢流情况，再打开分流器向下风口分流，最后将泵排量开至最大，向井筒内泵入配制好的钻井液，通过循环钻井液来控制井筒内压力。

（3）井喷失控、着火的处理。天然气井发生井喷时，必须迅速采取最佳处理方法，将损失控制到最小。发生井喷的瞬间，井控最核心的工作就是保护井口、保证井场人员安全和防止着火等，采取应急措施包括：①首先要迅速采取措施保护井口，向井口内持续注水，同时对井口喷出的油气进行喷水，确保不会发生着火事故，保护井口；②保护井场人员安全。应测量井口有毒有害气体含量，在上风口划分安全区域，迅速组织井场人员撤离到安全区域，防止发生中毒事故；③防止着火，做好防爆工作。应迅速断电，关闭相应的井场设备，设置警戒线，警戒线内严禁一切动火措施，将易燃易爆物品搬离危险区域；④使用各种井控设备，迅速压井，使井内压力重新达到平衡。当井喷着火后喷式不减，越喷越大时，必须迅速灭火，然后换装新井口，进行压井作业

（4）采取预防措施。天然气井一旦发生井喷失控，易造成爆炸着火，不仅危及现场作业人员人身安全，还会造成机毁人亡、油气井报废等危害，因此在开钻之前都要做好相应的应急预案，具体可以从以下几个方面入手：①做好钻井设计，编制钻井工程方案，对于区域内浅层气含量较高的地区，在满足生产需要的情况下尽量避开浅层气；②井口应安装分流装置、钻井参数监测仪器、钻井液液面检测仪、报警装置等；③下表层套管时，套管下入深度应该能够封住疏松地层，防止压井时出现地层压裂的情况；④钻前应准备充足的重晶石粉等加重材料，开泵时应逐渐增大泵排量，防止排量过大憋漏疏松地层，固井前应增大钻井液密度，防止固井期间出现井喷事故；⑤起钻前停泵时间不宜过长，起钻时要密切关注钻井液上返情况，向井筒内及时灌满钻井液，使钻井液满足起钻要求。

3 天然气钻井井控面临的技术难题

3.1 不能及时准确发现溢流

大量事实表明，溢流是发生井喷的前兆和必然过程，及时准确发现溢流，采取措施减少气体侵入井筒内，早关井控制井筒内压力平衡，能够有效地阻止井喷事故的发生，因此，钻井现场必须做好溢流的监测。目前钻进过程中监测溢流的手段主要是通过监测钻井液流量、密度、烃类气体含量及泥浆池体积变化等参数，这些参数变化都是一个缓慢的过程，一些细微变化很难及时发现。由于现场采取坐岗值守制度，坐岗人员偶尔会出现脱岗、睡岗情况，其责任心也影响溢流的及时发现。此外，在钻井液静置期间发生溢流的可能性较大，而监测的参数较少，只能通过池体积变化来发现溢流，增加了停泵期间监测溢流的难度。虽然井筒压力监测提供了较好的解决办法，但相应的压力监测仪器还需要进一步开发。

3.2 井控设备性能不能满足生产需求

在高压高产油气田开发过程中，由于储层含气量大、地层压力高能量足，对井控设备压力等级要求较高，以便能够承受地层压力，起到较好的控制作用。由于井筒内压力大，高压管汇的节流压差大，再加上钻井液中含有大量的硬度较高的固相颗粒，在高压作用下冲刷管汇和节流阀，导致设备寿命缩短，工作的可靠性受到影响[7]。此外，天然气进入到高密度、高粘度钻井液中，气液分离的难度加大，对井控设备的脱气处理能力要求较高。

3.3 平衡钻井技术有待提高

目前开钻的井多采用近平衡钻井技术，这种钻井技术对井筒内的压力控制要求较高，为了保持起下钻期间压力的平衡，通常使用附加当量密度来调节井筒内压力，导致在正常钻进过程中井底压力大于地层压力。如果附加的当量密度过大，当钻遇浅层气较多时，脱气器如果不能起到较好的脱气效果，井筒内压力会进一步上升，导致井底压力远大于地层压力，在压差作用下，会出现井漏等情况，严重损害油气层，同时会导致机械钻速降低。因此，必须运用好近平衡钻井技术，同时还需要进一步研究，以提高钻井效率。

4 天然气井井控技术发展方向

4.1 加强溢流监测仪器研制

溢流是发生井喷的先兆，加强对溢流的监测显得尤为重要。分析溢流的特点发现，溢流早期烃类气体会进入钻井液，导致井筒内钻井液体积增加，相应的钻井液液面会上升。要实现对井底烃类气体的监测比较困难，由于钻井液体积小幅增加即可导致井筒内液面的大幅上升，因此监测井筒内钻井液液面上升相对易于实现，需要研究精度较高的井筒液面监测仪器，能够发现细微的井筒液面变化，然后结合开关泵及钻具下入情况，通过软件自动判断是否发生溢流，发现溢流及时报警，达到及时准确监测溢流目的。此外，还需要加强对钻井液密度、含烃量及井筒压力仪器设备的研究，达到全方位、多参数监测溢流的发生。

4.2 加强对井控设备研究与开发

随着钻井条件越来越复杂，对井控设备要求越来越高，对于高压高产气油气田，井控设备需要有较高的压力等级，能够承受105MPa井筒压力，同时考虑到天然气中常伴随有腐蚀性气体H2S、CO2等，需要研制耐腐蚀性井控设备。对于井控设备中易损坏部分要进行强化，节流阀要采用强度更高的材质，并且结构需要进一步优化，可以开发多级节流系统，改善节流阀工作条件，提高工作稳定性。高压管汇结构有待进一步优化，通过智能控制，减轻高压钻井液对管汇的冲蚀，延长高压管汇使用寿命。研制更加高效的分离器，提高气液分离效率。此外，要加强对井控系统的研发，提高井控系统的智能化，能够实现自动监测井筒内压力，实时自动调节节流阀，使井筒内压力保持在合理范围。

4.3 加强压力控制钻井技术研究

随着钻井技术不断发展，气体钻井、气液两相钻井等负压钻井技术取得长足进步，在特殊钻井条件下应用越来越普遍。负压钻井技术能够提高钻井效率、有效保护油气层，但是对井筒内压力控制要求较高，现阶段由于压力控制技术还不够成熟，导致负压钻井技术应用效果受到影响。为了提高负压钻井技术应用水平，提高钻井效率、保护油气层，需要加强负压钻井全过程闭环压力循环系统研究，通过强化旋转防喷器，配置节流管汇、承压振动筛、分离器、压力监测仪器，编制相应的监测、控制软件，使井筒内压力能够保持动态平衡，保障负压钻井的安全。

5 结束语

随着大庆油田持续勘探与开发，天然气成为油田增储上产的重要资源，加强天然气钻井井控技术研究显得尤为重要。为了提升天然气钻井的安全性、可靠性，使井控技术效能从单纯的防止井喷发展到提升钻井效率、保护油气层、防止环境污染等，应从强化钻井异常监测手段、提升井控配套设备研发、完善压力控制钻井技术、提升突发事故处理水平等方面出发，使天然气钻井井控技术迈上新的台阶。

[1]马宗金.总结经验教训提高天然气井钻井井控能力[J].钻采工艺,2015,27(4)：1-5.

[2]程常修，曾时田.天然气井钻井应重点考虑的几个技术问题[J].天然气工业，2002，22（2）：50-53.

[3]曾时田.四川天然气井钻井压力控制[J].天然气工业，2003，23（4）：38-40.

[4]柳贡慧，胡志坤，李军，等.压力控制钻井井底压力控制方法[J].石油钻采工艺，2009，31（2）：15-18.

[5]曾明昌，曾时田，毛建华.气井喷漏同存的处理技术研究[J].天然气工业，2005，25（6）：42-44.

[6]张斌.提高井控装备质量、保障安全钻井作业[J].石油工业技术监督，2000，16（2）：18-21.

[7]徐丹，刘润广，陈林.井控新技术新设备的应用[J].内蒙古石油化工，2007（1）.