大庆隆深区块基岩探井井控设计与施工

陈琳琳，陈绍云，袁后国，孙 妍，李 兵，孙 莉

（中国石油大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413）

井控设计是安全作业的前提，是避免井喷失控的前提，是工程设计的重要组成部分，井控设计是井控工艺、井控装置、井控规定和标准的集中体现和综合应用，是确保对地层压力实现有效控制的源头和依据。

井控设计依据：①执行井控相关的国家标准、行业标准、企业标准、井控实施细则为主的标准性文件；②集团公司下发的关于井控方面的规范、规定性文件；③针对不同地区地面条件、地质特点等特殊需求；④领导、专家批示意见。

1 深层天然气基岩探井井控难点分析

（1）深层天然气井溢流到井喷间隔时间短，速度快，强度大。由于天然气的密度低和可压缩易膨胀等特性，其间隔时间比油井短很多。从发现溢流到井喷的间隔时间，一般在10min 以内，且来势凶猛，容易失控。

（2）关井压力高，由于天然气密度低，仅为原油的0.7‰，不能靠自重平衡地层压力，井涌、井喷临时关井压力高，完井后井口关井压力也高。

（3）天然气分子小，扩散能力大，钻进时钻井液容易气侵，固井时容易出现气窜。

（4）易燃易爆易中毒，当天然气与空气的混合比达到5%～15%，遇火星即可发生爆炸，发生井喷后易引起钻机着火，含硫天然气对人危害很大，空气中H2S含量超过20ppm 呼吸道受刺激，超过100ppm 昏昏欲睡，含量在1000ppm立即丧失知觉[1-2]。

由于深层天然气基岩探井的上述特征，使其相对于油井作业的井控工作复杂，容易引发井喷事故。

2 深层天然气基岩探井井控设计重点

2.1 确定合理的井身结构

由于深层天然气基岩探井有地层压力梯度差异大、易窜漏等特点，合理的井身结构能够有效减少井眼漏失、气窜的发生。

根据地层孔隙压力梯度、地层破裂压力梯度、坍塌压力梯度、岩性剖面、钻关需求及保护油气层的需要。考虑不可预测因素，留有一层备用套管；并且喷漏不在同一裸眼中，且压力梯度不超过0.3MPa/100m；套管下深考虑下部钻井最高钻井液密度和溢流关井时的井口安全关井余量；含H2S、CO2等有害气体和高压气井套管材质和螺纹符合完井、井下作业和油气生产的需要。根据以上要求，设计隆深区块井身结构，具体见表1。

表1 隆深区块井身结构表

根据地质设计提供的资料制定钻关方案，隆深区块300m 范围内的注水井开钻前30d 关井，开钻前井口剩余压力不大于2MPa，300～600m范围内的注水井开钻前25d 关井，开钻前井口剩余压力不大于3MPa。50m 范围内的采油井和50～150m 范围内日产液量大于50m3的采油井开钻前关井，同时结合《外围低渗透油田钻关技术研究》项目成果适当放宽钻关井井口剩余压力要求，目前建议葡萄花油层注水井按600m距离关井，开钻前井口剩余压力不大于5MPa，扶余油层注水井按500m 距离关井，开钻前井口剩余压力不大于7MPa。

2.2 加强钻井液出口流量监测，及时发现迅速处理

由于天然气的压缩性与膨胀性，一旦发生气侵，如未及时发现做出反应会导致溢流急剧加速，因此对于气体溢流来说，做好溢流监测，及时发现溢流并迅速关井非常重要。由于天然气密度低，与钻井液有很强的置换性，无论是开井还是关井，是循环还是静止，气体向井口的运移总是要产生的，因此发生气体溢流关井后，要及时组织压井[3-4]。

为了及时监测和预防隆深区块多口深层探井的溢流情况，制定相应的技术措施。①采用单闸板+双闸板+环形防喷器的组合，备齐钻具内防喷工具；②钻井液循环罐、计量罐、配液罐安装直读式容积计量标尺，钻井液循环罐安装液面监测报警装置；配备有毒有害气体监测仪；③严格执行防喷演习制度（每月不少于一次钻进、起下钻杆、起下钻铤和空井四种工况的防喷演习），井控风险识别管理、消减与防控措施（按照Q/SY19356-2019《风险评估规范》进行风险评估，强化风险预防控制，经油气建设单位主要领导批准后方可实施），干部盯井及井控坐岗制度（从二开开始至完井作业结束为止，钻井队干部应24h井场值班，特殊时段、重点工序、关键环节派驻机关干部驻队盯井）；④做好油气上窜速度检测；⑤保持钻井液有良好的造壁性和流变性，控制施工过程中的压力，控制起下钻速度；⑥疑似溢流关井检查，发现溢流立即关井并启动应急预案，钻井队要在10min内以电话形式上报钻井公司井控突发事件应急值班室，30min内进行书面报告，每2h续报。

2.3 选择符合要求的井控装置

根据地层实际，按井控要求选择符合的井口防喷器组、节流和压井管汇、控制系统、钻具内防喷工具、液气分离器等井控装置，并按要求进行试压。井口装置如图1、图2所示。

图1 二开井口装置示意图

图2 三开井口装置示意图

防喷器的压力等级应与裸眼井段中最高地层压力相匹配，并根据不同的井下情况选用各次开钻防喷器的尺寸系列和组合形式。额定工作压力应不小于预测最高井口关井压力，且通径不小于施工井四通的通径[5-6]。制定隆深区块井口装置试压要求，如图3所示。

图3 各次开钻井口装置试压要求

2.4 充分考虑有毒有害气体防护和防火防爆安全措施

天然气具有易扩散、易燃、易爆的特点，对于天然气井的经常设备布置，要充分考虑有毒有害气体防护和防火防爆要求。隆深区块深层探井井场应按照SY/T 5974-2020《钻井井场设备作业安全技术规程》配备消防器材，设置防护室，储备急救箱、担架等用具；应按照Q/SY 08136-2017《生产作业现场应急物资配备选用指南》的规定配备8个正压式呼吸器及其他应急物资[7-8]。

2.5 确定井控风险控制重点及预防措施

依据地质设计提供的井控风险级别，综合考虑地面环境和技术难度，确定井控风险控制重点及相应预防措施。

（1）明确设计钻井液密度及加重储备量。根据地质设计提供的资料为基准再加上一个安全附加值且在钻开油气层前根据井控风险级别明确加重钻井液和加重材料的储备量。

（2）准确预测井口最高关井压力。钻穿套管鞋以下第一个3～5m 厚的砂岩层进行地层破裂压力试验，新井眼长度不宜超过100m，对于脆性地层只做承压试验；预探井在进入油气层前50～100m，按照下步钻井的设计最高钻井液密度值，对裸眼地层进行承压能力检验；表层套管下深大于300m 的井二开后、其他井三开后，每只新入井钻头开始钻进前以及每钻进300～500m，应以1/3～1/2 钻进排量，测一次低泵速循环压力。

（3）增加水平井井控措施。钻进过程中要注意防塌、防漏；采用短起下钻或分段循环的办法清洁井眼，若发生托压无进尺现象，及时活动钻具、划眼，消除岩屑床，尽快恢复钻进。

（4）做好地层压力监测，增强防喷防火意识[9-10]。

3 现场实施情况

近四年在松辽盆地古中央隆起带基岩风化壳共完成5口深层基岩探井的井控设计，均取得了良好的应用效果，在钻进过程中均未出现设计原因导致的工程、质量事故和井控安全问题，有效保障了安全施工，经济效益和社会效益显著。

井控安全是天然气勘探开发过程中的重要环节，是安全生产工作中的重中之重。隆深区块深层天然气基岩探井井控设计，针对溢流到井喷间隔时间短、关井压力高、易窜漏、易燃易爆易中毒等特点，确定了相应的井控重点问题，并提出有效的防控措施，对该区块其他井的井控设计及安全高效钻井有较实用的指导意义。

4 结论

（1）加强钻井液出口流量监测和气体上窜速度检测是深层天然气井防止发生井喷事故的关键，因此仍需进一步加强和改进钻井液进、出口流量监控技术；

（2）完善设计中各环节的井控风险辨识，是加强设计科学性、针对性、实用性的基础；

（3）应持续推动地质工程深度融合，使井控措施更具有针对性。