气体钻井井控安全分析与控制

魏 武， 周长虹，3， 邓 虎，3， 许期聪， 李 刚

(1川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院 2中石油欠平衡与气体钻井试验基地3国家能源高含硫气藏开采研发中心 4川庆钻探工程有限公司国际工程公司)

气体钻井是一种以气体作为循环和携砂介质的钻井方式，与常规钻井相比用气体替代了液体，井底压力远低于钻井液柱压力，极大减小了井底压持效应，是提高破岩效率的首选技术；同时可解决漏失复杂地层的钻井难题，是降低开发成本的有力手段。随着氮气、天然气等循环介质的应用，气体钻井应用范围扩展到储层段，成为发现和保护油气层的最佳方法，为低孔低渗、难动用油气藏的勘探开发提供了技术保障。

由于气体钻井低密度、高流速等特殊性，在气体钻井大面积推广应用的同时，也暴露出了一些安全隐患和风险。如井下燃爆、排砂管线爆裂、有毒有害气体泄露、井口失控等。本文针对当前存在的风险，通过开展工艺危害分析，提出了一系列控制措施，从技术和管理双层面进行规范，以期为气体钻井技术的进一步发展与安全推广提供技术保障。

一、气体钻井主要风险

1. 空气钻井井下燃爆

空气钻井中，最大的井下安全问题之一是井下燃爆。研究表明，空气钻井期间井下燃爆的主要因素有：①钻遇地层出气，氧气含量达到甲烷爆炸极限，钻具碰撞井壁引起火花，导致井下燃爆；②钻遇地层出微量气，环空不通畅，以致可燃气体在封闭环境中逐渐累积达到爆炸极限，同时处理复杂时憋压，导致井下燃爆。

井下燃爆可能造成井壁垮塌、钻具烧毁、套管烧熔，甚至给井控工作带来新的复杂。LG2井空气钻井至井深3 000.1 m全烃异常、地层出油，在环空堵塞情况下采用空气憋压导致井下燃爆，钻杆烧毁；LG001-1井空气钻井至井深2 941.91 m发生井下燃爆，导致钻铤烧毁，最终侧钻。

2. 排砂管汇断裂

排砂管线断裂一般有两种情况：一是雾化/充气钻井时，若返出的岩屑呈糊状，逐渐在排砂通道的三通处发生堆积，造成排砂通道堵塞，排屑不畅，管内压力升高而发生断裂；二是氮气钻井时，突然钻遇地层较大产气量，超过排砂管汇能承受的最大放喷能力时(冲击力)，造成管线爆裂。由此给地面人身、设备等带来了较大的安全隐患。

如LG001-12井氮气钻井至井深3 764.50 m，钻遇异常高压高产气流(关井后7 min套压由0上升到49.1 MPa，两条放喷管线防喷焰高25～30 m)，发生钻具上顶，由于排砂管汇布局不当，能承受的最大冲击力大幅降低，导致其瞬间爆裂。

排砂管汇能承受的最大冲击力除与排砂管线本身强度有直接关系外，还与其结构尺寸、布局方式紧密相关。研究表面，弯头弯度和管径越小、流量越大则管线承受的冲击力越大，反之则冲击力越小。因此，为确保安全，排砂管线在条件允许时要尽可能少转弯，不缩径。

3. 有毒有害气体泄漏

气体钻井时由于井底压力极低，在钻遇地层油气显示的情况下，地层流体会无阻碍地返出。一旦钻遇有毒有害气体后，有毒有害气体会迅速从井筒返出至地面，一般3 000 m井深2～3 min地层气即到井口，如发现不及时，未采取相应的控制措施，可能对设备、人员造成重大损害。根据气体钻井设备、管汇布局特点，分析可能存在的泄漏点主要在井口、取样口、排砂管线出口等位置。

4. 气体钻井井口失控

使用氮气钻井技术发现和保护油气层越来越受行业所青睐，其在获得巨大经济效益的同时也暴露出较大的井控风险。由于气体钻井低密度、流速快等特殊性，一旦氮气钻井钻遇异常高压高产气流，高压油气会迅速到达井口，如果在油气等流体返至地面的过程中因工艺安全措施不当、地面专用设备设施安全性能较差或井控装备的选择不满足井内流体安全返出的要求时，极易出现恶性安全事故。

如某井氮气钻至井深2 143.91 m，突遇估算日产量超过100×104m3异常高产气，发生钻具上顶，高产气流瞬间膨胀，井口聚集巨大能量，导致高压软管爆裂、与旋转控制头侧出口短节连接的三通从由壬丝扣处脱落，大量天然气冲出，闪爆着火，井口失控，井架烧塌事故。

二、气体钻井工艺安全分析及风险控制措施

1. 工艺安全工作思路

实现工艺安全的关键在于着眼于整个工作流程和离散化节点开展工艺危害分析。首先，建立一套完整的施工作业流程；其次，结合气体钻井特点，识别出对HSE有较大影响的关键步骤；然后再运用故障假设/检查表(WHAT-IF)和故障类型及影响(FMEA)进行全面分析，查找出施工作业中可能存在的危害并提出相应的安全防控措施；最后进行风险等级的划分，对存在的中、高级风险作业点立即投入整改，停止短期内无法控制风险的作业，并将所有有效的建议措施全部纳入技术标准、管理标准、标准化作业程序中[1-4]。

2. 气体钻井工艺安全分析

按照目前气体钻井工艺运用情况，共建立空气钻井、氮气钻井、空气雾化钻井、氮气雾化钻井和空气泡沫钻井5种工艺的作业流程。以空气钻井为例，其作业流程共包含任务接收—作业前准备—施工作业—完成任务4个阶段16个步骤，并初步识别出吊装、试压、气举排液、异常情况识别应对等4个HSE关键步骤。

为了充分识别出气体钻井期间各个作业步骤存在的危害因素，利用成员不同的经验、学识和角度，采用WHAT-IF法，结合“头脑风暴法”的方式自由、广泛的假设可能出现的问题，查找出现问题的原因以及此问题可能导致的后果，由此对现有保护措施进行梳理，并结合风险评估矩阵评估引发后果的风险等级，以制定相应的解决方案及控制措施。

3. 气体钻井风险控制措施

利用WHAT-IF法分析得知，气体钻井主要风险集中在“异常情况识别应对”这个关键步骤上，为此从监测、削弱、应对3个方面提出了控制措施。

3.1 预防空气钻井井下燃爆措施

(1)监测发现，及时转换。采用气体钻井在线监测系统、综合录井等对返出气体中氧气浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳的浓度以及气体的返出温度、压力进行随钻监测。一旦发现全烃显示，根据全烃含量大小调节注入气量或停止注入空气，尽可能减少钻具大幅活动，减少岩屑冲击、碰撞着火，若持续监测到全烃显示则转换成氮气或常规钻井液钻进。

(2)保持环空畅通。在地层微量出气、环空不通畅时采用氮气或常规钻井液进行憋压处理，防止空气憋压燃爆，同时采用氮气钻井时必须确保入井氮气纯度。

3.2 预防排砂管线爆裂措施

(1)排砂管线尽量平直连接。在条件不允许平直连接时，井场内排砂管线末端直通方向安装压力释放安全保护装置，便于突然钻遇异常高压地层时具备从该处紧急泄压的能力。

(2)及时监测地层出水。结合岩屑返出情况、立压、扭矩等参数的变化情况判断排砂管线是否畅通；如发生堵塞，则必须进行整改后方可继续钻进。

(3)加强地层出气的监测。结合全烃显示情况、扭矩、悬重等工程参数的变化情况判断是否钻遇强烈油气显示，一旦钻遇强烈油气显示，立即实施关井程序。

3.3 预防有毒有害气体泄露措施

(1)在有毒有害气体可能泄露点安装固定式硫化氢探头。

(2)采用综合录井、便携式监测仪、流体在线监测系统对返出流体进行实时监测。

(3)气体钻进开钻前校正井口，钻进期间发现胶芯、排砂管线、破裂盘刺漏立即更换，确保安全。

(4)排砂管线出口坐岗人员配备便携式气体监测仪，位于上风方向，确保坐岗人员的安全并及时发现有毒有害气体。

(5)气体钻进期间一旦发现有毒有害气体，立即执行井口控制程序，按相关标准转换为钻井液钻进。

3.4 预防气体钻井井口失控措施

(1)针对不同井眼尺寸、井深，规范旋转控制头等级的选用，提高井口控制能力。

(2)井场内排砂管线采用Ø244.5 mm套管、法兰连接，承压能力由4 MPa提高至7 MPa。

(3)完善气体钻井井口控制程序，配套液动式内控闸阀，司钻房安装一键式应急关断按钮，同时配备远程紧急关断装置，以提高发现油气显示后快速关井、放喷的能力，立足于第一时间控制住井口。

(4)明确、细化钻井队、录井队、气体钻井作业队在岗人员岗位分工、应急处置程序和远程控制台专人坐岗制度，提高应急能力。

三、结论

(1)本文针对气体钻井井下燃爆、排砂管汇断裂、有毒有害气体泄漏、气体钻井井口失控等主要风险进行了分析，提出了有效的风险预防控制措施。

(2)运用工艺安全管理原则组织各工种人员对气体钻井工艺流程、HSE关键步骤进行了全面梳理，对存在的安全隐患和薄弱环节进行了全方位查找，形成了预防控制手段、操作规范和技术标准。

(3)从业人员按照规范、标准执行并督促落实，气体钻井作业的安全性得到保障。