塔里木油田探井井控技术分析研究

◇塔里木油田公司应急中心 蒋光强 林发权 贾红军

塔里木油田为我国西部地区能源经济动脉，然而其复杂特殊的地层环境导致井控工作存在较大难度，井控效果难以保证。通过对塔里木油田及类似环境油田井喷失控事故的研究，对其原因进行了分析，对所涉及的井控问题和工作难点进行了研究。根据相关研究，本文对压井技术及其发展趋势进行了探讨，对探井井控工作中专家井控与制度井控方式、井控装备压力级别的选择、关井方式的选择等提出了见解。

1 引言

近年来，国家工业发展水平显著提高，对能源的需求量日益增加，国家对能源的开发也不断深入，深井和超深井（4500m～9000m）等深层油气田的开发也更加普遍。塔里木油田是我国三大油气田之一，其石油和天然气储量丰富，为我国西部地区能源经济动脉[1]。塔里木油田所处地层也极其复杂，其井底温度高、压力大、H2S浓度高，是目前我国各大油气田中井控工作难度最大的油气田之一[2]。

井控最重要的作用是在石油天然气开采过程中严格防止井喷失控，尽量避免发生井喷，全面限制发生溢流，通过一些技术手段，控地层压力，使井内大力保持相对平衡，保证施工作业的安全，提高开采效率[3]。大部分油气井都配备了防止井喷失控的四大硬件系统，如图1所示，四大硬件系统能够有效的防止井喷失控[4]。

图1 井控装备中的四大硬件系统

2 探井井控技术现状及评价

2.1 井喷失控原因分析

井喷失控将导致重大安全事故的发生，尤其是在H2S气体浓度非常高的塔里木油田地区，事故一旦发生将造成多人因H2S中毒而死伤，并导致巨大的经济损失。要避免井喷事故的发生，就必须加强对钻井井喷原因和过程进行分析和研究[5]。通过对塔里木油田及与塔里木油田有比较相似工况的油田大量井喷失控事故的研究，共分析出如表1所示的14种井喷失控原因。

表1 井喷失控原因

通过对井喷失控原因的分析，发现造成井喷的本质是井口压力在较短时间内发生大幅度的波动，大量含有气体的钻井液持续高速对井口、套管及其他管汇进行冲击，导致套管及管汇的爆裂[6]。因此，井控技术的关键就是对井口压力进行控制。

2.2 探井井控工作难点

因塔里木油田的复杂特殊地层和工作环境，导致在探井井控过程中存在较多的工作难点。

（1）无法准确预测地层压力系数。地层压力系数ρP是描述地层压力的数值，是一级井控最根本的依据。由于塔里木油田所处地层的复杂性，目前在监测地层压力的技术手段上也有较大的局限性，因此无法非常准确的预测地层压力，而地层压力系数是制定井控方案最关键的因素之一。

（2）管汇磨损速度快。塔里木油田存在大量的深井和超深井，且工况复杂恶劣，探钻井周期一般较长，当遇到压力系数较高的地层时，需要使用高密度泥浆，其最直接的后果就是将导致相关管汇快速磨损，井筒承压能力下降，二级井控将面临严重挑战。此外，高密度泥浆的使用，还将导致节流阀的磨损速度加快。

（3）浅层气的影响。塔里木油田大部分油气井在钻至1500m以浅时，就会有气体出现，即浅层气，极易导致一、二级井控失效，虽然井口装有放喷装置，但其只能起到导流的作用。一旦发生溢流，且发现和处理不及时，就会导致井喷失控。

（4）高压盐水层的影响。探井遇高压盐水层时会导致泥浆密度下降、粘度发生变化、pH值下降等现象，井口会有溢流现象，是正常钻进过程中最大的障碍之一，尤其是与裸眼内压力波动较大又易漏的盐水层相遇，更是井控的工作难点。

3 井筒压力的控制方法

通过对井喷失控原因的分析得知井控技术的关键就是对井口压力进行控制，结合塔里木油田在探钻井井控过程中存在的风险及面临的工作难点，应采取科学的压井方法来提升井控的成功率。常用的压井方法有立压控制法、简化套压控制法和精细套压控制法。

3.1 立压控制法

立压控制法是目前最常用的方法之一，其根据压井过程中立压的实时变化来调解节流阀的开度，通过排出溢流，井底压力保持与地层压力的动态平衡，其压力控制流程如图2所示。

图2 立压控制法压力控制流程图

该控压法使用普遍，且成功率高，但在地层压力复杂、波动性较大的工况下进行井控作业的成功率会降低，主要原因是该方法是被动控压法，在未得知地层压力预测系数的情况下，根据现场情况来调解节流阀开度，使得压力平衡，但是如果地层压力波动性较大，其控压效果就难以得到保证。由于立压和套压分别位于井筒两端，立压需要依据井口套压来进行调节，压力波在传递的过程中会消耗一定时间，导致立压调节滞后，其压力传递如图3所示。

图3 压力传递路径示意图

据图3可知，立压控制法对井筒压力的控制存在较大的局限性，其无法及时、精准的对压力进行控制。

3.2 简化套压控制法

简化套压控制法是指根据油气井所处的实际工况及对控压前相关数据的分析，设计井口套压的变化方案，通过调节节流阀开度来调节井底的压力，其控制方法如图4所示。

图4 套压控制法

虽然简化套压控制法其预设方案是基于大量的实验和施工数据基础上分析得出的，但由于其精度较低，对井筒压力控制效果存在较大的不确定性，该方法未能大范围代替立压控制法。

3.3 精细套压控制法

该方法是在立压控制法的基础上对井筒压力进行更加精准的计算，通过对压井过程中溢流物的混相段状态进行分析得到较为精准的压力值，据此来对压力进行控制。目前精细套压控制法还处在研究阶段，现有技术无法对压井过程的井筒压力进行连续地求解，极大程度制约了工程问题的分析，但这是压井技术的趋势走向。

4 井控技术问题探讨

实施探井井控作业，一般有专家井控、制度井控两种方式。专家井控是指有着丰富的井控经验，对井控工艺、设备等非常了解，且处理过复杂的井喷失控事故的技术人员赴钻探现场进行井控指导，尤其是当油气井所处环境较为复杂，风险系数较高时。制度井控是指作业人员在钻井过程中依据相关的井控制度和规定，在探井过程中开展井控作业，该方式要求作业人员有较高的素养，能够熟练掌握并严格执行井控制度和规定。两种方式各有优缺点，专家井控其优点是时效性高、能及时有效的进行井控，缺点是成本高、井控效果因人而异；制度井控因有大量的实验和现场施工数据作支撑，其效果一般不会太差，但对复杂工况的井控效果不理想。因此井控作业应主要依靠制度井控，专家巡查、解决复杂问题及应对突发性事件为辅开展。

目前，绝大部分套管的抗内压强度均不超过70 MPa，选用70 MPa的井口防喷器即可，对超高压油气井，应采用105 MPa的井控设备，提高其承压能力。在表层套管固井后，对于安装有35/35或54/14的防喷器来说，通常不宜采用硬关井的方式关井，在关闭防喷器前，要先开启旁侧通道；对于产层在4500m以深，技术套管下到产层顶部，溢流早期可以进行硬关井；对于产层在4500m以浅，技术套管下得也浅，发现溢流时应进行软关井。井控方案在设计阶段就必须严格执行各项标准，对各类临界值、各项标准要进行充分论证，尤其要考虑塔里木油田的特殊环境，当遇到未涉及到的技术问题时，应当根据施工现场情况开展相应的井控作业，最大限度将风险降到最低，将损失减到最小，使主动安全发挥到最大限度。

5 结束语

本文基于对塔里木油田及与塔里木油田有比较相似工况的油田大量井喷失控事故的研究，对井喷失控原因进行了分析。针对塔里木油田复杂特殊的地层情况，对井控工作难点和压井的途径进行了研究并提出了相关趋势。针对探井井控工作中专家井控与制度井控、井控装备、关井方式等提出了见解。要使井控技术有进一步的发展，还要在理论及技术方面开展更深入的研究。