大庆油田浅层气地区小口径岩心钻探井控防喷技术研究

石绍云， 邓　伟， 吴金生， 邓梦春， 李正前， 房　勇

(中国地质科学院探矿工艺研究所，四川 成都 611734)

1　概述

中国地质科学院探矿工艺研究所承担的地调项目“油气田勘查区砂岩型铀矿调查与勘查示范”，施工地点是在浅层气非常发育的油气田地区。在2008年以前，石油钻井公司在大庆油田区块施工中，经统计共发生26起井喷、管外喷冒事故，重大井喷事故3口，报废钻探进尺2200多米，其中1口井发生井喷燃烧报废[1]。

在浅层气区域进行岩心钻探，最大的难题是井控防喷技术，对井控防喷技术掌握的好坏，直接关系到整个项目能否顺利实施。预防井喷事故的发生，必须在钻探施工方案上认真准备，从思想上引起足够重视。

虽然石油钻探的井控防喷技术比较成熟，但由于该项目设计的钻孔深度比较浅，一般在300 m左右，钻孔口径小、全孔取心、搬迁频繁，因此不管是从技术角度还是从成本角度考虑，都不宜使用大型的石油钻探设备，只能使用地质岩心钻探设备。为此，选用的是XY-5、XY-6N型岩心钻机及配套设备。

针对小口径岩心钻探特点，按照《大庆油田钻井井控实施细则》(征求意见稿)相关规定，结合大庆长垣南浅层气区地质条件和地质钻探全孔取心要求，我们制定了小口径岩心钻探井控设备配置标准和施工工艺技术。设计原则必须满足石油浅层气井控防喷要求。

2　地层情况

在松辽盆地大庆油田，浅层气普遍发育。根据以往的资料，气体主要储存在上白垩统明水组和下白垩统嫩二、三、四段[1]。浅层气埋藏深度一般在150～700 m。

整个地区上部岩石为粉砂岩、细砂岩、粗粒砂岩，胶结性非常差，岩心采取率不高，容易缩径和塌孔；中部岩石是细砂岩、泥岩、粉砂岩为主，岩石相对致密，但是遇水容易膨胀；下部砂岩泥质含量高。各层厚度不等，砂、泥岩相互交错，而且互换频繁。中下部岩心采取率能达到80%以上。

3　浅层气的特点

浅层气易发生井喷，上升速度迅速；岩层松散不致密、气层渗气、透水性非常好，加上泥浆密度、浓度不合理，气体在自身压力的作用下，顺势进入钻孔内，而且浅层气的不容易处理，留给我们处理的空间和时间很少、危害性非常大。

施工中不允许孔内压力有太大的变化，浅层气预见性差，来势凶猛，易造成燃烧爆炸，钻机设备坍塌掩埋，人员伤亡等重大事故[2]。因此，凡是在该地区施工，不管是地质岩心钻探还是石油勘探，必须使用防喷器。

浅层天然气地区地层非常松散，破碎、岩石胶结性差，而且透水性好、岩石孔隙度高。由于泥浆冲洗液密度设计不合理，提钻或者钻进时扰动孔内压力平衡；在起下钻过程中灌浆不及时；钻进参数选择不好；长时间停钻使浅层气进入钻孔等原因造成井喷频繁发生。

4　设备配置

主要设备配置见表1，适应于小口径岩心钻探。以XY-5、XY-6型立轴式钻机为主[3]。

5　制定井控防喷的技术措施

该地区浅层气不含硫化物，所以不要求预防硫化物方面的井控技术措施。

我们从以下几方面来预防井喷发生：对施工人员进行井控技术培训；选择适合于浅层气岩心钻探的防喷器和配套设施；制定合理的钻孔结构和钻进技术参数；钻机设备的选择和钻塔底座安装；泥浆加重材料的准备；防喷演练措施的制定；坚持坐岗记录制度；固井和封孔等技术措施。

表1　主要设备配置

5.1　施工人员的井控培训

针对在该气区施工的所有工作人员，包括管理岗位人员、现场生产操作人员和技术人员进行不同形式的井控培训。施工之前，我们与大庆油田井控培训中心联系，组织工程相关人员，进行了4～6 d井控培训，经考试合格后发放了井控培训证书。

针对在大庆油田外围开展钻探施工作业的需要，采取专家授课、考试答题的方式在野外一线开展现场培训，更将教育和责任传导落实到了工作前线。

5.2　井身结构设计

根据地质设计要求：安装Ø219 mm井口管，一开Ø113/89 mm，钻进到基岩提钻扩孔，分2～3级扩孔，扩孔后孔径170～216 mm。下Ø140 mm套管后固井，安装防喷器，试压，检查合格后才能进行二开作业。

二开：孔径113～122 mm，钻进至设计孔深。

井身结构示意图如图1所示[4]。经过实践证明，我们设计的井身结构是合理的，既能满足井控防喷下套管和固井的需要，同时又能满足地质钻探全孔取心的需要。

图1　井身结构示意图

5.3　钻机底座加工安装

为了在井口安装防喷器，必须把钻机施工平台提高2 m以上，同时为了保证施工平台的稳定安全性以及方便安装和搬家，把平台设计成三块或者两块组合式结构，由于岩心钻机和A型钻塔的特点，平台面积一般为6 m×6 m(长×宽)就足够了，强度满足起下钻、钻塔的安装和钻进要求。

钻场布置应根据选用钻机确定，且不影响起下钻和钻进。另外钻场周围还应具备排水条件[5]。

5.4　防喷设备的选择及安装

按照《大庆油田钻井井控实施细则》(征求意见稿)相关规定，结合地质钻探全孔取心要求，以及大庆长垣南浅层气区地质条件特点，我们确定了如下井控设备配置标准，包括：井口液压防喷器，节流—压井管汇，远程遥控及蓄能器装置[6]，泥浆罐，真空除气器，备用重泥浆，专用压井泵，泥浆液面和气体监测报警装置，点火装置等等。整个井控设备的安装如图2所示。

图2井控设备安装示意图

5.4.1井口防喷器

要求额定压力≮14 MPa双闸板液压防喷器(全封或半封闸板)，我们使用的是2FZ18-21双闸板防喷器，井口防喷器技术参数为：内通径180 mm，钢圈槽中径211.1 mm，连接螺栓中径318 mm，螺栓孔直径33 mm，工作压力21 MPa，法兰盘最大外径380 mm，密封油管直径73(89) mm，总高度590 mm，质量670 kg，外形尺寸(长×宽×高)1240 mm×380 mm×590 mm。

井口防喷器示意图见图3。

5.4.2节流—压井管汇[6]

所有管汇安装要求见表2。

表2　管汇安装情况

图3　井口防喷器示意图

5.4.3远程遥控及蓄能器装置

防喷器远程遥控的技术指标应该按要求选配，配备司钻控制台可遥控防喷器及节流阀的开关。必须与防喷器组合及节流管汇相匹配，我们使用的远程控制型号是：FKQ125-4。

5.4.4钻井液气体分离器

钻井液气体分离器安装和配备，必须按照工程设计的要求，能够正常运转，各个连接部分密封要好，电子点火装置和液气分离器匹配使用，可以确保施工过程的安全进行。我们使用的液气分离器型号是：YQ700-01。

5.4.5泥浆罐和泥浆性能

泥浆罐的容积设计为12 m3，并在泥浆罐里面安放能够直接观察泥浆增加、减少的计量器具。泥浆密度一般在1.12～1.30 g/cm3，泥浆的粘度40～80 s，泥浆除了控制气体井喷以外，对于携带大量的砂岩岩粉，保证孔底清洁干净起到了非常重要的作用。

泥浆性能测定，每班1～2次，并认真记录数据[7]。

5.4.6备用重浆罐

储备12 m3以上钻井液，该钻井液的密度要高于设计最大钻井液密度0.2 g/cm3以上，每台钻机现场配备20 t的重晶石粉，并配好装在重浆罐里以备用。

5.4.7专业压井泵

按照工程设计要求配备、安装，原则上泵压≮10 MPa。

5.4.8点火装置

点火装置的作用是放空可燃气体，点燃可燃的有毒有害气体，最大限度保护环境，避免安全事故的发生，点火装置是一种安全环保设备。该装置与钻井液气分离器配套，是井控防喷必须配置的设备之一。主要由气体燃烧器、电子点火器、引火器具、钻井液气分离器组成。我们使用的型号是：DJSYFDDH-1。

5.4.9冬季保暖措施

该地区每年10月下旬至次年4月上旬，一般夜间气温都低于-20 ℃，只要最低气温达到0 ℃以下就应该对所有的井控设备进行必要的保温，加热保温温度应在0 ℃以上。保温装置应该具备防火、防爆等功能。电线走向规范顺畅，决不允许与设备的手轮缠绕。由于是在气区施工，严禁使用明火加热保暖。因此我们采用缠绕电热带的方式加热，效果非常好。

5.5　制定应急预案

制定应急预案的目的是一旦发生井喷事故，能够按照预案及时有效地处理，做到心中有数，尽量杜绝或者减少事故造成的一切人身、财产损失。

为了把防井喷各项措施落实到位，在生产过程中，各个机台应该进行必要的井控培训和应急演练，培训和演练的方式要根据施工井的设计要求适时确定。

5.6　坚持坐岗记录

坐岗记录是预防井喷的主要环节，根据孔内液面和孔口气泡的变化，能够非常及时地了解钻孔内气体的情况，一旦统计发现泥浆冲洗液量流出超过1/2 m3，按照应急预案要求，启动处理程序并及时报告。

5.7　防喷演练

在浅层气钻探施工中，防喷演练的目的是一旦有井喷发生，大家能够迅速的跑到自己的位置，按照操作要求做完所有动作，操作完毕，按照预先设计的逃跑道路，快速跑到安全地带，一切听从指挥长的指挥。防喷演练记录表格式见表3。

表3　防喷演练记录表格式[8]

5.8　固井

油气田区钻探施工，固井是为了安装井控防喷装置和封隔破碎地层，便于后续的钻探施工，包括两个目的：一是下入石油套管，二是灌注水泥浆液固定套管。水泥必须是通过套管内注入，在一定的压力下从套管外壁和孔壁空间返出来。等待凝固48 h以后才能试压。

下入Ø139.7 mm×7.72 mm的套管，套管下入的长度根据设计要求和孔内地层情况决定，一般情况是封隔住破碎地层为目的，同时让套管坐落在相对较稳定的岩层上，该矿区下套管的深度普遍在120～180 m。

5.9　钻井现场试压

试压前所有的管汇和管线、闸阀和丝扣安装要平直，密封性要好，密封部位决不能有泄漏的情况。试压时，操作人员在现场控制远程控制器和闸阀，其他人员观察各个压力表读数，听从班长的统一指挥。

按设计值分别对以下三个部位试压：一是放喷管线试压，二是液气分离器与其连接的管线试压，三是闸板防喷器和液动闸阀控制元件、油路和液缸试压[6]。

试压完成后要把管路里所有的清水排除，特别是冬季施工的时候，以免清水冰冻后损坏密封件。

我们施工的钻孔属于Ⅲ类钻孔，由施工队自行试压，做好试压记录，由现场监理、钻探队技术员签字认可。

5.10　封孔

封孔的目的是为了防止地下水串通，防止地下水和矿层受到污染和流失。

根据钻孔的终孔孔深和钻孔的有效口径，计算出所需的水泥量；采用普通硅酸盐水泥，按照水泥∶水=1∶0.5的比例配制。将钻杆下入距孔底1.5 m处，用压井泵压入水泥浆液，直至孔口看见水泥浆返出来为止。必须注意的是必须把原孔内的泥浆替换出来。然后在孔口位置用水泥做一个0.5 m×0.5 m的水泥台，刻上钻孔的相关信息。在封孔过程中，若水泥用量不足，需及时补充水泥，确保水泥浆溢出孔口。

5.11　防喷器的保养

防喷器每服务完3口井或施工周期超过3个月，施工结束后，送回井控车间，进行全面的清理、检查，有损坏的零件及时更换。把防喷器里的所有清水、泥浆冲洗出来，所有的密封件、丝扣连接处都要检查并装好。损坏严重时需更换新零件；壳体闸板腔涂防锈油，连接螺纹部分涂螺纹油，轴承部位涂润滑油；备用橡胶件应妥善保管并编号注册，按厂家规定有效年限，到期报废。

5.12　起、下钻注意事项

提升钻具应尽量平稳，不要猛拉猛刹，卷筒排绳要整齐，葫芦上配置弹簧缓冲装置，在孔内破碎、复杂的位置，提钻时应严格控制钻具提升速度，以免造成井喷发生，提钻速度一般在0.2～0.4 m/s。

起钻完应及时下钻，严禁在空井情况下进行设备检修[8]。

由于该项目是全钻孔取心，每钻进一个回次都要起下钻，因此必须严格控制提钻、下钻速度，每当钻杆提出来后，应该立即向孔内回灌泥浆，并记录好泥浆的补充量和变化情况。

6　钻进技术参数选择

根据岩石性质、钻头类型、钻进深度、冲洗液类型综合确定钻进参数。钻进参数见表4。

表4　钻进参数

7　结语

在浅层气区进行小口径岩心钻探，首先从思想上引起足够的重视，严格按照当地油田公司的井控要求，提高浅气层的井控防喷意识，周密制定井控防喷技术措施，保护人民生命财产，安全第一。

2016—2017年，我们在浅层气区一共完成了28口井、9178 m岩心钻探任务，钻孔最浅的ZKMX07孔，孔深260.51 m，最深的ZK9N238孔，孔深760.56 m，大多数钻孔孔深在350 m左右。平均岩心采取率82.48%，最低值76.6%，最高93.8%；纯钻进时间利用率29.59%，平均机械钻速3.89 m/h，平均回次进尺2.79 m，平均台月效率774.90 m。

该项目培养了一支浅层气地区施工的钻探队伍，培养了一批井控专业技术人员。

项目部和井队所有人员高度重视，按照我们的施工方案，严格落实井控技术措施，没有发生井喷事故，全面完成野外工作任务，在浅层气区进行地质岩心钻探的井控防喷技术值得推广应用。