四川天然气井钻井压力控制.pdf

天然气工业 2 0 0 3 年 7 月 四川天然气井钻井压力控 制 曾 时 田 四川石油管理局 蕾时田 ． 四川天然气井钻 井压 力控 制． 天然气工业 ， 2 0 0 3 ； 2 3 4 3 8 --4 0 摘要基于压力控制在油气井钻井 中的重要位置 ， 文章结合 四川地 区天然气井钻 井压力控 制中的实践， 从 4 个方面谈 自己的认识 与建议。即 压力控制是 油气井钻 井工程 的核心技 术 ； 压 力控 制的前提 是搞好地 层压力 预报 与监测 ； 气井比油井压力控制难 度大； 四川在压力控制上的几个具体 作法。 主题词 四川 天然 气 钻井 压力控制 压 力控制是油气 井钻 井工程核心技术 等压力控制技术方面， 也取得了 很大突破。 所 谓钻井 压力 控制 ， 作 者认 为就 是 钻 井作 业 中 ， 主要通 过井 内不 同层 次 套 管 、 井 筒 液 柱 或气 柱 和 地 面 装 置 等施 加 的 外 压力 ， 与地 层 压 力 保 持某 种 形 式的平 衡状 态 。所 谓 地 层 压 力 ， 本 文 既 泛 指 与 钻 井 有关 的地层 孔隙 压力 、 破 裂 压力 、 坍 塌 压力 和 上 覆岩 层压力 等 ， 更 主要 指地层 孔 隙 压力 。从 整 体 上看 ， 无 论是油 气 的发现 和开发 开采 ， 或 是 一 口井 的 成败 ， 都 与对地 层压 力 的 认 识 和 控制 有 着 极 为直 接 的关 系 。 从 一 口井 钻井 作 业来 看 ， 从井 身 结 构 设 计要 根 据 三 个 压力 剖面 ， 压差 对钻井 速 度 的直接 影 响 ， 油 气 井质 量 、 油气 层发 现 与 保 护 、 测 试 、 井 下 复 杂 情 况 和 事 故 的预 防与处 理 、 作 业 安 全 ， 直 到 完 钻 完 井 的各 环 节 ， 无一 不 与 压力 控 制 有 着 直接 关 系 ， 对 地 层 压力 的认 识与控 制 ， 均 处 于 核 心 地 位 ， 是 一 个 系 统 工 程 。 其 中 ， 井身 结构 设 计 、 恶 性 井 漏 ， 特 别 是 井 喷 及 其 井 喷 失控着 火 的预防 与处理 的 压力 控制 ， 难 度 特别 大 ， 矛 盾 特别 尖锐 。 对 于上 述问题 的认 识 ， 四J i I 石油 管 理 局 以 下 简 称 我局 钻井 取得 了很多 经 验 ， 基本 形 成 了从 压 力控 制 工 艺 、 装 备 到有 关 规 章 制 度 和管 理 的一 整套 平 衡 钻 井及 压力 控制技 术 。该项 技术 已在 全 国油 气 田得 到广 泛推 广 。作 为 压 力 控 制 这 样 一 个 系 统 工 程 ， 我 局 在欠 平衡钻 井 、 处理多 压 力系 统 喷漏 同存 ， 提 高钻 速 ， 处理 压差 卡钻 、 井壁稳 定 和 “ 平衡 压 稳 ” 深 井 固井 压力控 制的前 提是搞 好地层 压力预报 与监测 由于钻 井 压 力 控 制 的 对象 是 地 层 压力 ， 所 以压 力 控制 的前 提是搞 好地 层 压力 预 报 与监 测 。地 层压 力 不 仅 十分 隐蔽 ， 而且 四川 地 区 纵横 向压 力 差 异均 非 常大 。作 为 以碳 酸 盐岩 裂缝 性油 气 藏 为 主 的四川 盆 地 的油气 勘探 开发 ， 其矛 盾 表现 尤 为突 出 ， 困难特 别 大 。如川 中女 2井 为 一 高产 油 井 ， 而 在 同一 井 场 的女 6井 ， 在 同一 产层 ， 采用 相 同 的钻 井 液密 度 穿过 时 ， 不仅 是 干层 ， 而且地 层 压力 截 然不 同。又 如 J i I 东 池 3 5井 ， 直 井 钻至 该 层 时 为干 井 ， 通 过对 裂 缝 系 统 的再 处理 ， 在 同 井 眼 侧 钻 至 同层 新 目标 的 池 3 51 井 ， 则 获 日测试产 量 为 6 21 0 m 3的 高产 气 井 ， 两井 同一地层 ， 地 层 压力 也截 然不 同。上 述 情 况 不 仅 在 四川普 遍存 在 ， 而 且在 这种储 层 的其 它地 区 ， 也都 普 遍 存在 。认 识这种 储层 中 的裂缝 存 在 已否 和 走 向等 规 律 困 难 ， 定 量认 识 其 裂 缝 系 统 中 的地 层 压力 同样 困难 。因为 这 种储 层 属 不 遵 循 压 实 效 应 地 层 ， 其 地 层 压力 预测 方法 ， 至今 在世界 上都 未过 关 。 为搞 好碳 酸盐 岩裂缝 性 油气 藏 地层 压 力 的预 报 与监测 ， 我们 进行 了大量 的、 长 期 的试 验 与探 索 。最 基 础 的作 法是 对各 构造 和各 地 层 ， 尽量 利 用各 种 作 业 所 获大 量 的直 接 或 间接 地 层 压力 数 据 ， 进 行 数 理 统 计 分 析 ， 宏 观地 在 纵 向上 划分 出不 同地层 压 力 区 作者简介 曾时田 ， 1 9 4 0年生 ， 教授级 高级 工程师 ； 1 9 6 3年毕业于北京石 油学院开发 系油气井工 程专业 ， 长期从 事钻井科 研和管理工作 ， 现任四川石 油管理局、 西南油气 田分公司专家委员会主任。地址 6 1 0 0 5 1 四川省成都 市府 青路 一段 3号 。电 话 0 2 8 8 6 0l l 0 3 3 。 3 8 维普资讯 第2 3 卷第 4 期 天然气工业 带 。以此为 基础 ， 再 对邻 近 可 比地 层 压力 ， 经分 析对 比后 ， 由地 质 部 门进 行 地 层 压力 预报 。 同 时 针 对 上 述 储层 ， 还 积 极 开 展 了 多种 地 层 压 力 预测 和 监 测 方 法 探 索 ， 如利 用 地 震 层 速度 法 预测 储 层 及模 拟 迭 代 法 预 测碳 酸 盐 岩 地层 压力 法 ； 利 用 声 波 时 差测 井 资 料 预测 和 检 测 碳 酸盐 岩 地 层 压 力法 ； 利 用 温度 系 数 法 等 方法 随钻 监 测储 层 和 碳 酸 盐 岩地 层 压 力 ， 也 都 见到了一定效果。其它地层 也采 用修 正 d c指数法 检测地层 压力 。 为有 效 地 提 高钻 井 设 计 质 量 ， 十分 重要 的是 尽力 搞 准地 层 压 力 预 告 。为 此 ， 我 们 通 过 采用 上述 多种方 法 ， 经综合 分 析 后 ， 在 地 质 和钻 井 两 部分 设 计 中 ， 均 要 求列 出专 门一 章 集 中分 析 和 预 告 各层 地层压 力 。 不能 到处分 散 预 告 ， 尽 力 做 到 预告 依 据充 分 。 实 践证 明效 果好 。 气井 比油井压 力控制难度大 石 油 天然 气 从 生 成 到储 集 和 运 移 ， 在 压 力控 制 上 。 其 原理和 作法 基本相 同。但 由于 两者 相 态不 同 ， 各 自理 化特性 差 异大 ， 表现 在压 力 控制 上 ， 确 实 有很 多不 同点 。总 体 上 气井 比油 井 难 度 大 ， 出 现失 控 的 井 。 气 井 比油 井 比例大 。仅 我 国 陆 上油 田 近 期 钻 井 中失 控和 着火 的五 口井 ， 除一 口为凝 析 油井 外 ， 其余 4口全 为气 井 。天 然气 井与 油井 钻井相 比 ， 在压力 控 制上 不 同点 主要 表 现 为 ① 天 然 气 密度 仅 为 原 油 的 千分 之零 点七 ， 井 口控 制 压力 高 。 为此 ， 井 口装 置 的 压力级 别 配 套 ， 必 须 大 于 或 至 少 等 于气 层 压 力 。② 可 压缩膨 胀 、 易滑脱 窜漏 。关 井 后 。 经滑 脱 上 升可 把 井底 高 压带至 井 口， 其密 封性 和 控 制 压力 ， 均 比油井 要 求高 。西南 油 气 田分 公 司 已决 定 对 重点 高 压含 硫 气 井 用 采 气井 口装 置 ， 在 中国 石 油 天然 气 集 团公 司 井 控装 置质检 中 心 的 1 4 0 MP a气 压 实验 室 四川 广 汉 。 进 行等 压 气 体 试 压 检 验 ， 以 等 额 检查 气 密封 性 能和 承 压能 力 。③ 对 压 力 特 别 敏 感 ， 喷 漏 皆易 发 生 和转 化 。 溢 流 、 井 喷 比油井 来 得 快 ， 来 势 猛 。④ 燃 点 低 ， 易 燃易爆 ， 给 压力控 制 作业 带 来 直 接 困难 。⑤ 四 川地 区碳 酸 盐岩 气 藏 ， 多数 都 含 有 不 同程 度 的 酸 性 气体 H2 S 、 c o 2 等 ， 对 控 制 装 置 腐 蚀 大 ， 人 体 易 中 毒 。为 此 ， 需 安 装 抗 酸 气 腐 蚀 的 控 制 装 置 和 配 备相 应 的监测 仪器 。 四川 气 田 8 0 ％ 以上 气 藏 均 含 有 不 同 程 度 H S 和 c o 2 ， 最 高达 4 9 3 g ／ c m3 卧 6 3井 。含 硫 气 井 一 旦 压 力 控 制 失 控 ， 发 生 井 喷 比 一 般 气 井 处 理 更 难 。 如 川东 渡一井 ， 钻 至 井 深 5 0 3 7 m， 刚 钻 开 茅 口组 5 m 就发 生强 烈 井 喷 ， 导 致 含 硫 的 飞仙 关 组 地 层 的 气 同时 喷出 ， H 2 S含 量高 达 2 3 2 g ／ c m3 。虽然 井 V I 控 制 正常 。 由于 钻具 不抗 硫 ， 而 发 生钻 具 脆 断 ， 高含 硫 气 体从 钻 具 断 口直 冲钻 台上 面至 天车 ， 经 十 分 艰 苦 的 工作 才处 理好 这 口井 。 四川在压 力控制方面的几点主要作法 1 重 视 井 身 结 构设 计 在 气 井 压力 控 制 上 的 特 殊要 求 。井 身结 构 设 计 是 钻 井 工 程设 计 的基 础 ， 因 此也是 油气井 压力 控制 的基 础 。对 于 天然 气 井井 身 结构设 计 ， 除在基 本方 面与 油井 相 同外 ， 从 四 川盆 地 地质 特 点 和 压力 控 制 角 度 出发 ， 确还 有 一 些 特殊 要 求 ， 在 作法 上主要 表现 在 ①表 层套 管 不 能下 浅 。为 对地 表 疏 松 层或 砾 石 层 的 可靠 封 固 ， 以满 足 对浅 层 气和 技 术 套 管 下前 新 钻 遇 气层 的压 力 控制 ， 表层 套 管不 能下 浅 ， 我 们 一般 下 深 为 3 0 0 ～5 0 0 m。② 技术 套 管下 深和套 管层 次设计 都 必须 留有余 地 。为 适 应 同一 裸 眼段 存 在 多 压 力 系统 ， 且 地 层 压力 系 数 相 差 很大 情 况下 的压力 控制 ， 如存 在压 力 上 低 下高 ， 可 能 出现 上 漏 下 喷时 。 必 须 在 钻 开高 压 层前 实 施 堵 漏 到 所 需 承 压 能力 。 否 则 需 提 前 下该 层 套 管将 高 低 压 分 隔 。为对多 压 力 系统 实施 有 效 控 制 ， 在 天 然 气 深 井 钻井 中 ， 套 管 层 次 也 必须 留有 余 地 。③ 油 层 套 管 常 先悬 挂后 回接 ， 然后试 油测 试 。为 改 善上 部套 管 特 别是井 口附近 被磨 损 和 抗 滑 扣 状 况 以 及采 用 复 合 钻具 ， 以提 高油层 套 管压力 控 制能 力 ， 一般 先 期 完成 井油 层套 管均先 悬挂 。 钻完 目的层 后 回 接 ， 回接 合格 后才 能进 行试 油测试 。④ 一般 情况 下 水 泥浆 均 返至 地 面。 由于 四川 盆 地 产 层 多 ， 为 有 效 封 固 和 改 善套 管抗 内压 状况 ， 提 高防气 窜 和压 力控 制 能力 ， 一 般 情 况 下 ， 各 层套 管水 泥浆均 返 至地 面 。与 此 同时 ， 在 套 管 强 度设 计 上 、 特 殊 扣 的选 择 上 和 抗 腐蚀 性 能 等 方 面为满足 压力 控制 要求 ， 均 十分严格 。 2 坚持 平 衡 压 力 钻 井 ， 在 有 条件 的情 况 下 ， 开 展欠平衡 钻井 等特 殊压 力控 制 下 的钻 井 和作 业 。坚 持平 衡 地层 压力 钻 井 ， 是 我 们 在 四川 地 区 天然 气 井 钻井 中 ， 反 复 实 践 。 用 巨大 代 价 换 得 来 的认 识 和 技 术 。这就 是 在 尽 可 能 准确 预 告 地 层 压 力 的 情 况 下 。 其液柱 压力。 应 在 地 层 压 力 基 础 上 ， 考 虑 动 静 态 情 况后 ， 附加 一 必 须 的安 全 压力 值 。 常规 井 钻 井 压 力 控制 ， 按 钻 井 操 作 规 程 中井 控 规 程 要 求 设 计 。钻 井 液安 全 附加 压 力 当量 密 度 值 ， 油 井 为 0 ． 0 5 ～0 ． 1 0 g ／ c m ， 气井 为 0 ． 0 7 ～0 ． 1 5 g ／ c m3 。或按 井底 安全 附 加压力值 设 计 ， 油 井 为 1 ．5 ～3 MP a 。 气 井 为 3～5 MP a 。若 为含 硫 气 层 ， 须 取 安 全 附加 压 力 值 上 限。 3 9 维普资讯 天然气工业 2 0 0 3 年 7 月 在 有条 件 的 部 分油 气 井 上 ， 开 展 多 种类 型 的 欠 平 衡 钻井 包括 介 质 为 泥 浆 、 空 气 、 天然 气 、 柴油 机废 气 、 泡沫和充 气钻 井液 ， 欠压 值可 达 5 MP a 左 右 。在 有 条 件 的油 气 井 上 ， 我 们 还 开展 了不 压 井带 压 起 下 管 柱的作业 和 不压井 带压修 井 等。 3 搞好 以一 次 控 制 为 重 点 的 压 力 控 制 。 由于 碳 酸盐岩 裂缝 性油 气藏地 层 压力 预报 至今 世界 上 都 还未 过 关 ， 加 上 储 层 岩 性 不 均 质 ， 裂 缝 发 育 程 度 不 同 ， 纵横 向地 层变 化大 ， 地 质 预 报难 度 大 。故在 这 种 条件 下 ， 四川 地 区 的压 力 控 制 是必 须 以搞好 地 层 压 力预 报 ， 坚 持平衡 压力 钻井 为重 点 的一 次 控 制 ， 以尽 力减少 风 险 。在 尽 力 搞好 一 次 控 制 的基 础 上 ， 从 工 艺 、 装备和 管 理等 方 面 ， 配套 地 搞 好 二 次 压 力 控 制 。 其 主要 内容是 及 时 发 现溢 流 ， 按 “ 四七 ” 动作 正确 控 制井 口， 在 始 终 保 持设 计 的井 底 压力 略大 于 产层 压 力情 况下 ， 针 对不 同情 况 ， 采 用不 同压 井 方 法 ， 排 除 溢 流 ， 重 建 压 力 平 衡 。 一 、 二 次 控 制 均 应 落 实 到 井 队。钻井 公 司还应搞 好 三次控 制工 艺和 装备 。 4 控制 喷 、 漏 的特殊 压 力 控制 技 术 。在 采 用常 规 压力 控制 技术控 制 喷、 漏等 复 杂情 况 外 ， 针 对碳 酸 盐 岩 地层 和 多 压 力 系统 喷 漏 十 分严 重 ， 钻井 中常 出 现 “ 上 喷下漏 ” 或“ 上 漏 下喷 ” 等 喷漏 同存 ， 以及 “ 由漏 转 喷” 和 有 的漏层本 身就 是气 层 等情 况 ， 在 气 层钻 进 时 ， 在 处理 喷漏这 对矛 盾 中 ， 我 们坚 持 首 先要 控 制好 “ 喷” 这 一矛 盾 主要 方 面 ， 同 时 又注 意 对 “ 漏 ” 控 制 的 原则 ， 否 则 漏 一 转换 ， 喷 也 难 以控 制 。为 此 ， 我们 开 展 了多种特 殊压 力控 制试 验 。① 对下 部 井段 井 漏 失 返或 漏速很 大 恶 性 除外 ， 而 漏 层 上 部 井 壁 不 太稳 定 ， 岩屑 又能 有 效进 入 漏 层 的井 漏 ， 在 这种 条件 下 ， 采 用漏 层 上 部 井段 保 持 一 定 密度 的优 质 泥浆 柱 ， 井 底 漏层 处 泵 注 清水 ， 保持 环 空 液 面 动 压力 平 衡 状 态 的“ 井 底 清水 强钻 ” 压 力 控 制 技术 。在 七 里 2 9井 和 门西 2井等 多 口井试 验获 得 成功 。② 在 套 管下 入 深 度 超过 1 0 0 0 m井 深 ， 且 固井 质 量 和套 管 状况 均 好 、 钻 头和钻 具反 循环通 道 畅通 、 以及井 周 边 无矿 井 、 煤 矿 坑道 和重要 建筑等 情 况下 ， 对 “ 上 喷 下漏 ” 或“ 上 漏 下 喷” 等 喷漏 同存 的复杂 情 况 ， 我们 试 验采 用 了反 循 环 压井 与堵 漏兼施 的压 力控 制 方法 。该 法 切 断溢 流 快 ， 回压 低 ， 易建立 井 内压力 平 衡 。在 黄龙 2井 和亭 4井等 多 口井获 得成功 。③ “ 由漏转 喷” 的情 况 ， 在气 井 ， 特别 是碳 酸盐 岩裂缝 性气 藏 钻井 中很 容 易发 生 ， 不 少 的井 喷和 失 控 着火 就 是 这 样 引起 的 ， 必须 给 予 高 度重 视 ， 要 害是 必须保 持环 空 液 面 的动 压 力平 衡 。 4 0 如天东 5井 ， 在 3 5 7 0 ． 7 2 m 飞 仙 关 组 地 层 ， 两 次 井 喷 ， 都 是先井 漏 ， 而 后 转 为 喷 。鹿 7井 也是 先 漏 ， 后 转 为井喷 ， 直至 失控 着火 把钻 机 烧 毁 。在 作 法上 ， 我 们普 遍 采 用 了 以井 底 回声 仪 监 测 动液 面 位 置 ， 采 用 打“ 吊针” 似 的“ 吊灌 ” 方 法 ， 保持 动 液 面 平 衡 的压 力 控制 方法 ， 有效 地 防止 了“ 由漏 转 喷” 的 情况 出现 。 5 认 真搞 好压 力控 制 装置 配套 ， 坚持 在 天 然气 钻井 压力 控 制 上 “ 进 可 攻 ， 退 可 守 ” 的 原 则 和 作 法 。 无 论 是浅 层 气 或 深 层气 ， 以 液 压 防 喷器 和 套 管头 为 主的环 间防 喷 装 置 、 方 钻 杆 旋 塞 阀 、 钻 具 回压 阀、 节 流 压井 装置 、 气体 分离 器和 防 喷 与放 喷管 汇 等 装置 ， 必须按 井控 要求分 类 别配 好 。每 一 次开 钻 配套 安 装 的井 口及 全套 井 控 装 置 的 压 力等 级 ， 必须 大 于 或 至 少 等于 气层 压力 。为 对付井 内压 力或 控 制 装置 一 旦 出现 异常 ， 我们 除浅层 天 然气 井 和油 井 外 ， 均要 求 安 装 3 ～4组 液 压 防 喷器 和 四条 防 喷管 线 ， 做 到“ 进 可 攻退 可守 ” 。 6 强化 压 力 控 制 技 术 培 训 和有 关 压 力 控 制 技 术 规程 的制定 及管 理 。这种 培训 必 须 理论 与 实 际 紧 密 结 合 ， 特 别应 注 重 实 例 分 析 和尽 可 能 的 与 实 战结 合 。 认识与建议 1 对 压力 控 制是 油 气 井 钻 井 中的 核 心 技 术 的 位 置 ， 必须统 一认 识 ， 引起 充分 重 视 。尽 管在 钻 井 压 力控制 上 ， 已经 取得 了很 大 进 步 ， 但 基础 仍 显薄 弱 ， 必须 加大投 入 ， 进一步 强 化该项 技术 工作 。 2 地 层压 力预 测与监 测 技术 ， 现阶 段应 以碳 酸 盐岩 油 气 藏 为 重点 集 中攻 关 ， 并 且 要 有计 划 地 加 快 和扩 大其成 果 的应用 推广 ， 使 其尽 快 转 化成 生 产 力 ， 形成 规模效 益 。 3 必须 坚 持 平 衡 压力 钻 井 和在 条 件 具 备 的 情 况下 ， 积 极 而又 慎 重 地 开展 欠 平 衡 钻 井等 特 殊 压 力 控制 下 的钻井 及作 业 。 4 分析 当前井 喷失 控 以及 着 火等 情 况 ， 在 压力 控 制 技 术上 ， 当 前应 特 别 强 化 和 普及 油 气 井 溢 流关 井 ， 以及 井 喷 等 多 种 复 杂 情 况 下 的压 井 技 术 培 训 。 这种 培训 必须 理论 与实 战相结 合 。 5 充分 重视 和认真 做好 油 气 井 ， 特别 是 天 然气 井钻 井 压力控 制技 术 的研究 规划 ， 突 出重 点攻 关 ， 使 我 国钻 井压力 控 制技术 再上 一个 新 台阶。 收稿 日期2 0 0 30 3 0 8 编辑钟水清 维普资讯