油气井井控技术进展与展望

张齐山

（大庆钻探工程公司钻井二公司，黑龙江 大庆 163413）

井喷和井喷失控的发生不仅严重影响正常的油气勘探和生产，还可能造成火灾、爆炸、地层坍塌、环境污染、人员伤亡等严重后果，造成巨大的人员和经济损失[1-2]。井控工作的重点是避免在油气井作业过程中出现井喷和井喷失控，防范由于井喷事故带来的火灾、爆炸和人员中毒等重大事故发生。重大井喷事故，如清溪1 井井喷事故、12·23 开县特大井喷事故、蓬莱19-3油田溢油污染事故、墨西哥湾深水地平线钻井平台火灾事故，都是我国乃至世界石油勘探开发史上最痛苦、最严重的安全生产事故[3]。这些都说明井喷、井喷失控事故对油气生产企业具有颠覆性危害，应当永远受到高度重视。

中石油将井喷风险列为企业重要风险之一。多年来，不断加强井控管理和井控装备研究，取得了一系列成果，其中较为突出的有井控风险评估、精细压力控制钻井、溢流监测、自动关井、计算机辅助、应急救援、设备监控检测等[4-6]。本文将围绕风险评估、溢流监测、自动关井和应急救援等方面，介绍我国在陆上油气勘探开发井控技术领域的最新进展和应用。

1 井控技术发展及应用现状

1.1 风险评估

风险评估为油气井井控分级管理提供科学依据，对于有效预防重大井喷失控事故的发生，满足低成本、高效率的钻井施工要求具有重要意义。中石油围绕钻井综合井控风险和高含硫气井有毒有害气体扩散风险开展了井控评估技术研究与应用，为风险作业区的井控管理提供技术支撑。

通过对比安全检查表、危害和可操作性研究、主要危害源评估等14种定性、半定量和定量风险评估方法，针对易燃、易爆、有毒等施工条件进行综合评估，形成了井控风险评估的理论模型，确定了井控风险综合评估方法。同时开发了井控风险评估软件，包括钻井溢流监测系统、井控设备适配系统、地质环境因素系统和综合因素系统等评价模块。

川渝地区有许多高含硫天然气区块。该地区地势以丘陵为主，人口稠密。一旦在勘探开发和管道运输过程中发生含硫天然气泄漏，受复杂地形和当地风向影响，极易造成大规模人身中毒伤害。针对这种情况，中国石油应用量化风险评估技术，并整合了英国HSE、UKOPA、EGIG、CCPs等数据库，结合企业事故数据库开展修订工作，自主研发了适合复杂地形的高含硫气田量化风险评价技术。通过环境风洞试验，事故模拟精度提高了50%以上。并成功应用于罗家寨、渡口河、普光、龙岗、龙王庙等含硫气田开发的安全评价、HSE方案编制和应急预案编制，为安全生产提供技术支撑。

1.2 溢流监控

溢流监测预警是预防井控事故的关键技术之一。越早发现溢流并准确报警，为下一步关井提供的处理时间窗口就越宽。对于避免溢流发展为井涌、井喷甚至失控井喷，降低井下复杂，保护油气藏具有重要意义。目前，国内外成熟的溢流监测技术主要有钻井液液位监测技术、井口导管液位监测技术、钻井液流量监测技术、改进型流量监测技术、环空随钻压力监测技术、贝叶斯模型预测技术、垂直套管压力监测技术等。不同的监测方法有不同的原理和优点，但也存在一些不足。国内应用最广泛的监测方法是利用钻井液罐进行液位监测，通过观察钻井液液位的变化来判断复杂的井下事故。但该技术的报警精度和准确度不高，发现时间相对滞后，往往导致失去最佳控制机会。

针对现有溢流监测技术存在的缺陷和不足，中石油开展了多种溢流监测方法的开发和应用。主要包括：基于随钻压力测量的溢流监测技术、进出口流量和综合测井参数、井筒液位溢流监测技术和随钻参数监测技术。这些方法提高了溢流检测的及时性和准确性，为溢流早期监测技术积累了足够的技术基础。开发的基于随钻压力测量、微流监测和综合测井参数的溢流预兆在线监测预警系统已在川渝地区钻井现场应用。该套监控系统可以根据井底环空压力变化实时监测情况，结合钻井液进出口流量变化及相关综合测井参数，提前发现溢流。现场实际应用情况对比可知，该套系统比传统的钻井液液位监测报警提前4～7min，平均提前5min。

在钻探敏感地层，如碳酸盐岩地层的过程中，由于钻井液安全密度窗口较窄，往往会出现井漏溢流交替出现的复杂情况。当钻井液漏失到地层中时，地层的高压气体将被置换到井筒中，并随循环的钻井液上升，一旦气体接近井口，就会发生井涌，井控风险很大。因此，为了保证井控安全，钻井现场常采用定期灌注钻井液或连续灌注钻井液的工程措施。但如果不知道地下环空液位高度，就不能确定注浆量，不仅会浪费大量泥浆，还可能引发溢流，造成复杂事故，严重影响井控安全。所以，要准确掌握地下环空液位高度，然后调整注入泥浆的量和密度，使井筒液位始终在动平衡点以上，保证井内压力的动平衡。应用井筒液位监测系统，利用声纳回波测距方法产生沿环空传播到井内的超声波，然后接收在液位上形成的反射波。通过计算时间差，得到液位深度，从而准确掌握井下液位的高度和变化。使井筒液位始终高于动平衡点，保证井内压力的动平衡。

钻井溢流监测技术与其他监测方法相比，具有实时、快速、准确的特点。通过直接测量井底流体参数的变化，第一时间发现地下油、气、水的涌入情况。目前，中石油已初步开发出基于介电常数和超声多普勒的两种溢流监测技术，为进一步提高溢流监测的准确性和及时性奠定了基础，实现了入井后1～2min内报警。其中，介电常数监测技术是利用钻井液与地层流体（油、气、水）所用钻井液介电常数差异较大的特性。利用研制的随钻介电测量仪，监测钻头位置附近的钻井液介电常数或电导率的变化，及时发现井下溢流。目前，该技术已在长庆油田钻井现场进行试验。超声多普勒含气识别系统是通过安装在测量短接附近的超声发射和接收探头，检测含气钻井液通过该段环空引起的超声多普勒信号畸变，检测气体涌入的一种技术手段。该技术可以实现对气体流入井筒的早期监测。

1.3 自动关井和压井

当发生溢流或井涌时，迅速关井保障井口安全，可以有效避免地层流体侵入规模扩大，防止人员伤亡，减少财产损失和环境污染，保护油气资源。中石油开发了以钻具止回阀快速自动安装装置为核心的自动紧急关闭控制系统。该系统具有停泵、停转盘、起升钻具、关闭半密封闸板防喷器、安装钻具止回阀、紧急开启液压节流阀等功能。该系统提高了紧急关井的可靠性和及时性，实现了正常钻井条件下的一键关井。关井成功后，还可以通过压井作业，使侵入井筒的地层流体循环出井或返回地层，将泥浆密度调整到平衡或过平衡状态，以恢复井筒状态。

针对人工压井作业自动化水平低、耗时长、失误率高等问题，利用专家系统和自动压井系统开发了自动压井监控系统。通过软硬件结合的方式，实现了压井方案自动计算、压井过程自动控制，通过对压井参数的实时监控和动态调整，有效提高了压井作业的准确性和成功率，缩短了压井响应时间。该套系统在渤海钻井培训中心的实验井完成了9种工况、3种压井方式的自动压井现场模拟试验。压井控制精度高于80%，压力波动控制在±50psi。

1.4 紧急救援系统

高压、高产、高硫化氢天然气井喷或失控井喷后，喷出的天然气容易被电火花等外部火源点燃，造成大范围的人员伤亡，所以发生事故后需要及时进行人工点火。否则，一旦发生火灾，井内油气压力高，产量大，火势往往十分凶猛，井架、钻机、钻具和井口装置会很快被烧毁，井口装置失去了控制地下油气的能力，井口周围的设备、仪器和材料将被烧毁和变形。此外，井场内障碍物较多，一般难以快速灭火。不加控制的开放式井喷会严重影响井下套管，可能导致套管松动或断裂，地层破裂或坍塌，造成大量油气燃烧，造成资源巨大损失。同时，大量的SO2、H2S 在燃烧后会排放大量对人体造成危害的副产物，也会对环境造成严重污染。因此，整个过程中的点火作业，包括井场作业障碍物的清除、损坏井口的切割和新井口装置的更换能力，恢复井口对地下油气的控制能力，对井控施工具有重要意义。国内已开发和应用了一系列的应急救援技术设备，形成了强大的应急能力，其中包括：热成像人体形状检测设备、远程监控和搜救无人机系统、可遥控带火抢装井口设备等。

2 有待解决的关键技术问题

尽管国内在井控技术领域开展了大量研究，但仍有一些关键技术问题没有得到有效解决。同时，随着勘探开发不断向深层和超深层的复杂油气藏延伸，一些新的技术问题不断出现。目前，需要进一步研究解决的技术问题如下。

2.1 耐高压耐高温的井控设备

部分特殊工艺井的井底温度超过200℃，井下压力超过140MPa。目前国内的井控设备还不能完全满足现场作业的需要。同时，国内的井控装备研发仍落后于国外大型石油公司。要进一步开展耐高压耐高温井控设备的研发，提高井控设备国产化率，降低钻井成本，保障井控安全。

2.2 智能井控设备

目前大数据、机器学习、机器人、数据挖掘、图像识别等人工智能技术发展迅速。人工智能在国内的井控技术和井控设备中的应用尚处于起步阶段。如何实现无人化、智能化的数据采集、参数设计、自动控制、运行控制等，还需要进一步研究，以提高运行效率，降低人员风险，预防重大事故的发生，最终实现智能化。

3 井控技术发展方向展望

3.1 大数据技术研究

通过加强大数据技术研究，解决钻井和井控工作中的数据孤岛问题，对不同地区、不同地层条件、不同施工方案进行分析，掌握钻井工艺参数和井控风险处置条件。大数据平台和数据挖掘技术，提取关键技术指标，为井控方法、溢流监测与控制、复杂地层关井技术研发提供数据支持，提高井控的针对性和可靠性技术。

3.2 人工智能技术研究

围绕井控工作的核心环节，利用现有研发成果，集钻井综合风险评估、作业过程实时管控、溢流监测报警、一键自动关井、计算机辅助压井、机器人救援等技术于一体，借助智能技术，形成集评估、管理、监督、关井、压井、救援于一体的井控技术智能平台，进一步提高井控全过程的自动化和可靠性，全面降低钻井作业安全风险。

4 结论

近年来围绕有效提升钻井安全开展了大量的持续研究、推广和应用，国内取得了丰富的技术成果，整体井控技术水平有所提高。但在复杂地层井控作业技术、耐高温高压装备技术、基于人工智能的井控技术等方向上仍存在一定的不足，仍需进一步研究工作。