国外油公司浅层气钻井整体解决方案介绍

汪光太 王胜启 杨德凤

中国石油勘探与生产工程监督中心 （北京 100083）

国外油公司浅层气钻井整体解决方案介绍

汪光太 王胜启 杨德凤

中国石油勘探与生产工程监督中心 （北京 100083）

浅层气钻井作业属于高风险的高危作业，为了预防浅层气井喷，世界上很多国家的石油公司都制定了有关浅层气钻井的强制标准和作业指导。介绍了国外油公司对浅层气钻井的应对措施和整体解决方案要点，内容涉及浅层气钻井策略要点、风险评估、设计要求、施工措施等方面。

浅气层 钻井策略 风险决策 解决方案

浅层气对钻井及其相关作业的潜在危害分析

浅层气通常有广义和狭义之分。广义上的浅层气，指的是从勘探地质角度考虑，将产层埋深在1 500m以内，产出气体主要成分为甲烷的气藏定义为浅层气[1]，即采用1984年7月在美国俄克拉马州举行的第一届国际浅层气资源会议上所提出的划分标准。

狭义的浅层气，就是指井筒作业过程中，钻遇气体而发生井涌，但无法利用承压套管和防喷器实施常规的关井和压井作业的特殊情况，即井口压力不可控的情况下所钻遇的气体。

钻进过程中所钻遇的浅层气其来源主要有以下几种情况：①快速沉积形成，有机物被非渗透物质快速沉积覆盖后，由有机物分解形成的天然气圈闭于非渗透岩层之下；②原始运移，来自于深部生气层的气体，运移到浅层的非渗透层位之下，圈闭而成一个气袋；③人为运移，钻进过程中与邻井相撞或邻井中的套管固井质量不好而使气体发生运移；④水合圈闭，在寒冷地区不需非渗透盖层也可形成浅层气袋，因为原始运移气能形成致密的水合物而相当于盖层，可圈闭更多的气体；⑤有机气，有机气可存在于非常浅的表层中，甚至不需非渗透盖层的圈闭，这种有机气由大量的小气泡组成，圈闭于产生这种气体的有机物残余体内，通常不会形成超压。

浅层气由于具有体积小、埋藏浅、或因快速沉积而使地层压力来不及释放形成高压气袋等特点，使得浅层气对岩土钻孔取样、钻井平台立桩、钻机安装、导管驱入和上部井眼钻井作业都是一个巨大的潜在危害，特别是上部井眼钻井作业中很容易发生浅层气井喷。

浅层气由于其体积小，地质勘探有时难以准确预测其有无和具体层位；由于埋藏浅,往往容易突然出现气体侵入。一旦发生井涌,报警信号反应的时间短,天然气可能在几乎没有报警的情况下到达地面而造成井喷，有可能使所有的钻井液喷出而造成井眼迅速卸载,从而失去一次井控的机会，再加上表层一般是疏松的薄弱地层,发生井喷后,又不能强行关井,以防压裂或憋漏地层。发生浅层气井喷失控后，极易发生井喷着火、着火爆炸、烧毁钻机和设备、井眼报废、井口大面积坍塌形成大坑、陷埋钻机和设备，甚至涌出的气体可能会释放含硫有毒气体，给人的生命、财产和周围环境造成巨大的威胁或损失。

国外油公司应对浅层气钻井的整体解决方案

浅层气钻井作业的风险系数非常大，属于高危作业。预防浅层气井喷是一个世界性的钻井技术难点和重点，世界上很多国家的石油公司都制定了有关浅层气钻井的强制标准和作业指导,涉及地震勘探、钻前探测、风险评价、方案设计、设备选型、钻进监控、应急处理、事后分析等一系列过程，形成了一套完整的浅层气钻井整体解决方案，但国内到目前为止，还未制订专门的关于浅层气钻井的专项标准，国内外几乎每年都会发生浅层气井喷事故。但实际上，如果有工程设计预案和应急对策，事故的影响范围、损失可控程度就会很不一样。

1 浅层气钻井策略

应对浅层气钻井的基本策略通常包括优化前期调查、避开潜在区域、减少风险措施3大方面，要点如下:①进行高分辨率地震测量和岩土钻孔取样，但高分辨率的浅层气地震测量中没有浅层气指示并不能确保不存在浅层气；②进行初步的浅层气风险评估；③避开浅层气可能聚集的位置；④钻小尺寸导眼是探测、调查浅层气和规避其主要问题的可行、可靠的方法；⑤发生浅层气井涌时“导而不关”，即实行导流而不关井；⑥因考虑到在海底分流浅层气比在地面分流浅层气更安全，从浮式钻井设备上钻上部井段推荐的安全做法是不用隔水导管钻井；⑦在钻小尺寸导眼时发生井涌的早期阶段，在已有条件下，如立即采用以最大排量泵入压井流体的动态压井方法有可能取得成功；⑧在钻井设计中要有应对浅层气的相关内容。

2 浅层气的初步研究和风险评估

（1）浅层气探测。虽然陆上高分辨率地震测量探测浅层气和海上探测浅层气的原理相同，但在陆上钻井时，钻井之前并非都进行这种测量来探测浅层气，从某种意义上说这也是不切实际的，因为陆上高分辨率地震测量成本远远高于海上成本。陆上浅层气探测，技术上是可行的，只建议在新区块和地质情况复杂的区块最好进行钻前浅层气探测。对于可能存在浅层气但浅层气深度不确定的地区，开钻前应考虑用小型的地质测量仪进行初步探测。

陆地钻井时进行的浅层气随钻探测包括下面几部分：监测钻井液出口处的气测值；评估岩屑（综合录井）；对裸眼井段进行测井 (电缆测井或随钻测量)。

（2）研究钻遇浅层气的可能性所需资料。①所有相关的地震勘探资料；②浅层气盖层的地质可能性；③所有邻井的数据记录；④对浅层气测量的评价。

（3）目标井的风险评价。①低风险：钻遇浅层气的可能性没有或很；②中等风险：无法预测其可能性(如缺乏资料)。如不另行评价，勘探井可认为是中等风险；③高风险：可以对钻遇浅层气的可能性作出估计。

3 设计要求和要点

（1）要明确浅层气风险程度。

（2）根据风险程度和钻机类别(陆上钻机、自升式或固定式钻井平台钻机、浮式钻机)进行浅层气钻井风险决策。

（3）对于自升式或固定式钻井平台钻机：①当钻平台上第一口井时，不管浅层气风险评估结果如何，都必须钻导眼井，而且从一开始直至固完表层套管和安好防喷器；②必须装有分流系统，用到直至确定不存在浅层气为止；③当钻平台上第一口井的表层井眼时，不允许进行交叉作业，直至证实导眼井中不存在浅层气为止。

（4）对于浮式钻机：①表层井眼通常采用无隔水导管钻成，在这种情况下只要钻遇浅层气的风险非常低，就可以一步钻成全尺寸的表层井眼；②表层井眼钻井期间，要安装远程操作潜水作业机器人ROV进行海底监测；③采用隔水导管钻井时，必须安装分流系统；④采用隔水导管钻井时，导眼必须钻到表层套管下深，如果确认存在浅层气，那么在扩眼和下表层套管之前要回填导眼到距含气层一段安全距离。

（5）分流器：①设计时所用分流器的主要类型包括：地面分流器、海面分流器(海面分流器通常配合水下分流器、水下防喷器和水下排气阀使用)和水下分流器；②分流器总成的一般要求：

——分流器和分流管线的最低额定工作压力达3.5MPa。

——分流器能够关闭所有尺寸的入井管柱。

——对于小于508mm的分流器，关闭时间不得超过30s；对于508mm以上的分流器，关闭时间不得超过45s。

——分流管线尽可能要直，最小内径为304.8mm。

——分流器液控系统要集成在一起，要达到环形密封件关闭时，能自动打开分流阀和关闭流向振动筛的钻井液回收管线。

——要朝向相反地相对安装两条分流管线，如果只能安装一条分流管线时，就要在设计中严格限定受天气影响的钻井作业活动。

——分流系统安装后，要进行功能测试，阀门开关正确，要清洗分流管线以防堵塞。

（6）导眼：①导眼应钻于有可能出现浅层气的区域；②在预计安装平台位置的高风险区域，导眼可钻至导管下深处把其作为浅层气初步调研的一部分；③使用不带喷嘴的215.9mm（82⅟"）或更小的钻头。

（7）隔水管:①采用无隔水管钻井通常是最安全的方法;②使用隔水管钻井时应评价导管鞋处的地层强度;③隔水管可带海底返出口。

（8）导管：安装导管的方法通常有2种，即在软地层可驱动下入导管和钻眼下入。在地层太坚硬、不能驱动导管下入足够深度的地区，采用在预先钻好的井眼中下入导管并注水泥，该方法的缺点是没有浅层气保护措施，通常只适用于不存在浅层气的地区。

最终导管鞋深度：如果钻下面井段必须使用导流系统，导管应该下入足够的深度，以保证套管鞋处地层足够的强度，避免导流或者进行动态压井时压裂地层。导管深度根据导流系统导流时产生的回压确定，导流管线的尺寸和配置很大程度上决定了预计的回压大小。

（9）制订上部井眼钻井和浅层气钻井的特殊措施。

4 施工措施

（1）要制订特别的浅层气钻井应急计划。

（2）钻井作业人员都应接受有关浅层气及可能引发事故的专题培训，提高施工人员对浅层气危险性认识。

（3）开钻前，钻井监督应召集主要工作人员(钻井承包人员、钻井液工程师、综合录井工程师等)开会讨论浅层气安全钻井的问题。

（4）制定导流器作业程序，主要内容包括：①停止转盘转动：当钻进时发现钻井液气侵，必须停止钻进以避免更多气体侵入井眼，如果发现出口流量增加、液面上升，则必须采取导流程序。②将方钻杆提出转盘，注意不要停泵：停泵检查溢流情况可能会造成更大的侵入溢流量，建议连续泵入，特别是怀疑井中有溢流时。历史经验数据表明，一旦开始井喷并且伴随较高流量，则很难通过动态压井工艺进行压井。只有一发现溢流就立刻采取动态压井措施，才有可能压井成功。③启动适当的导流功能，打开排放管线的阀门，关闭导流器，这些措施必须自动并同时进行。④立即通知钻井监督和钻井承包商带班队长。⑤关闭相应的阀门，使流体向下风口方向导流。⑥做好准备措施，不相关人员应撤离井场。⑦以可能达到的最高排量泵入压井钻井液。⑧钻井泵不能停止直至恢复井控。⑨如钻井液密度及体积不够用于压井，则应不间断地泵入水，并且要以最高排量泵入，一旦又运来了足够的钻井液材料，则应从步骤6开始重复。⑩如果情况异常危险，则应将撤离井场所有人员放在首位，之后再采取控制措施。

（5）导流设备在安装之后应进行测试，以检查设备的完整性并确保其工作正常。试压应在导管中的土或水泥塞未钻掉时进行，而且测试压力应尽量保持最低。

（6）推荐的上部井段常规钻井措施(注意：在确定没有浅层气的地区钻开发井时，就要对下述的钻井措施进行相应改进。①钻导眼井：在可能含浅层气的地区钻一个小井眼尺寸导眼，这有利于动态压井和提高测井质量，发生溢流的可能性、溢流的严重性和动态压井的可能性一起决定上部导眼的尺寸，通常对有可能钻遇浅层气的地区，建议钻311.15mm（124⅟″）或更小的导眼。②安装止回阀：上部井段钻井时必须在使用的井下钻具组合中安装浮阀以防止钻柱中流体流动失控。③优化喷嘴：要使用大尺寸喷嘴或者无喷嘴的钻头、以及大尺寸钻井泵缸套，这样有利于动态压井和进一步增加循环排量，减少钻头泥包，可保证在漏失时所用堵漏材料从钻头处泵出。④优化造斜点：避免在可能含有浅层气的地区进行浅层造斜。这些地区钻井施工应该简单快捷以减少不必要的井下事故，而用于造斜的井下钻具组合通常有排量限制，会减少通过钻柱的最大可能排量，这将减弱动态压井效果，使其无法成功地进行。⑤限制钻速：建议机械钻速为1个单根/h，在容易发生地层破裂和漏失的地区要特别注意避免井眼中固相颗粒的急剧增加。控制钻速可尽量减少在含气层中的进尺，同时减少气体的侵入速度。在含气层中过高的钻速会降低钻井液的静液柱压力，并最终导致井喷。⑥减少抽汲作用：采取尽量少用或不用稳定器,控制钻井液黏度，降低起钻速度，用顶部驱动系统接单根或起钻时应以最优循环排量循环钻井液，特别是在大井眼中,为确保不发生抽汲作用，要保证循环排量足够高，可通过这些途径减少抽汲作用发生的可能性。减少激动压力：要控制下钻速度，匀速下钻，减少冲击和激动压力，避免引起井漏的可能性。⑦准确测量和控制钻井液：准确测量和控制钻井液对于尽可能早地发现浅层气是最重要的。上部井段钻井时要使用校对好且工作正常的气体检测设备、压差流量计。在起钻前，钻井速度突然增加，钻井液池液面显示异常，MWD测井显示异常 (如果使用MWD数据传输系统)。钻井设计中所列的特殊深度(即根据浅层地震测量确定的深度)处都要进行溢流检查，建议每次接单根(立柱)时也要进行溢流检查。⑧起钻时及时灌钻井液：要采用连续灌浆的方法。⑨避免停泵时间过长：钻井液在静止状态下，气体容易扩散进入井眼，在置换作用下会逐渐上升而引发井喷。⑩防气窜固井：在对表层套管固井时，推荐采用分级注水泥封隔器、分级箍、套管外封隔器，以避免气体运移的可能性。

认识与建议

浅层气钻井作业是高风险的作业。预防浅层气井喷是钻井过程中的技术难点和重点，有关浅层气的地震勘探、钻前探测、风险评价、方案设计、设备选型、钻进监控、应急处理等一系列过程都是互相联系的，为了浅层气钻井作业的安全，建议国内石油行业尽快制定与浅层气钻井相关的作业标准，形成整体的、统一的浅层气作业整体解决方案，以适应国内、国外2个市场同步安全发展的需要。

Shallow gas drilling operation belongs to the high risk.In order to take precaution against well blowout of shallow gas,many foreign petroleum companies in the world have established the compulsory standards and operation instructions of shallow gas drilling.This paper introduces some relevant measures and key points of total solutions to shallow gas drilling in foreign petroleum companies,which involve many aspects like strategic key points of shallow gas drilling,risk evaluation,design requirements,construction measures and so on.

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尉立岗

2010-11-09